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Industrielle Automation 4/2016

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Industrielle Automation 4/2016

KOMPONENTEN UND SOFTWARE

KOMPONENTEN UND SOFTWARE Automatisierungstechnik im Wandel Modellbasierte Sensorentwicklung im Zeitalter von Industrie 4.0 Philipp H. F. Wallner Nicht nur die Anforderungen an Maschinen und Anlagen steigen, auch die Automatisierungskomponenten wie Sensorik, Aktorik und Steuerungssysteme werden zunehmend komplexer. Um diese Komplexität zu beherrschen, die Datenmengen zu verarbeiten und um die Funktion der Systeme sicherzustellen, ist leistungsfähige Software gefordert. Lesen Sie, wie sich dieser Trend auf zukünftige Entwicklungen auswirkt. Kernaufgabe von Sensoren ist die Erfassung und Bereitstellung von Daten aus dem Feld. Im Kontext von Industrie 4.0 wird diese zunächst einfache Aufgabenstellung auf eine neue Komplexitätsebene gehoben. Zum einen sind nicht nur einzelne Sensoren zu betrachten, sondern ein ganzes Sensor- Netzwerk – das Internet der Dinge oder Internet-of-Things – das große Datenmengen in unterschiedlichsten Formaten produziert. Zum anderen kann erst in der Gesamtsicht auf die Daten die Information extrahiert werden, auf deren Basis schließlich ein Wissensvorsprung und damit auch jener Wettbewerbsvorteil realisiert werden kann, den Industrie 4.0 verspricht. Um dies zu realisieren, muss die Datenanalyse, sprich die Software in Form von Auswertealgorithmen, in der Lage sein, hohe Datenvolumina in unterschiedlichsten Formaten zu bewältigen. Weiterhin muss sie fortschrittliche Analyse- oder Statistikmethoden, etwa ‚Machine Learning‘ oder ‚Deep Learning‘ umfassen, mit deren Hilfe verschiedene Datenflüsse oder unstrukturierte Daten zueinander in Bezug gesetzt und auf diese Weise die enthaltene Information extrahiert werden können. Schließlich muss der Prozess der Datenerfassung, Vorverarbeitung und Analyse weitestgehend automatisiert erfolgen, damit das Ergebnis entweder als Information dem Bedienpersonal einer Anlage dargestellt werden oder als Parameter der Anlagensteuerung zugeführt werden kann. Wie aus Daten nutzbare Informationen werden Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist die prädiktive Wartung oder Predictive Maintenance, bei der relevante Größen – wie etwa Schwingungen oder Temperaturen – an der Maschine oder Anlage kontinuierlich aufgezeichnet und mithilfe entsprechender Algorithmen ausge- wertet werden. Dabei können etwa Spitzen im Frequenzspektrum darauf hinweisen, dass Vibrationen auftreten, die auf einen bevorstehenden Lagerschaden hindeuten. Noch einen Schritt weiter geht die modellbasierte prädiktive Wartung oder Model- Based Predictive Maintenance, die aus den gemessenen Werten und einem entsprechenden Beobachtermodell auch auf den Zustand von Größen schließen lässt, die nicht messtechnisch erfasst werden. Der Vorteil dieser Methode ist die Möglichkeit der Erfassung schwer messbarer Größen. Sensoren, die Daten virtuell messen Speziell im Bereich der Sensorentwicklung zeichnet sich ein Trend hin zu immer intelligenteren Feldkomponenten ab. Ein Grund dafür ist die immer leistungsfähigere Hard- Dipl.-Ing. Philipp H. F. Wallner, MBA, Industry Manager, The Mathworks GmbH, Ismaning 42 INDUSTRIELLE AUTOMATION 4/2016

€ KOMPONENTEN UND SOFTWARE ware, die es erlaubt, auf kleinstem Raum und unter rauen Bedingungen komplexe Algorithmen auszuführen und die Ergebnisse über unterschiedlichste Feldbusse an die Steuerung zu schicken. Zum anderen entlastet ein intelligenter Sensor, der die Vorverarbeitung der erfassten Daten bereits lokal übernimmt und z. B. Temperaturschwankungen kompensiert und Signalrauschen filtert, bevor die Daten weitergeleitet werden, sowohl die zentrale Steuerung als auch das gesamte Produktionsnetz. Doch nicht nur für die Signalverarbeitung sind komplexe Algorithmen denkbar; so hat etwa der österreichische Industrieautomatisierungshersteller B&R „virtuelle Sensoren“ in Form eines Beobachtersystems entwickelt, um die Belastung des Servoantriebs an schwer zugänglichen Stellen indirekt über vorhandene Daten virtuell zu messen. Effiziente Implementierung von Algorithmen Algorithmen, die in Matlab und Simulink entwickelt und getestet worden sind, müssen im letzten Entwicklungsschritt auf der Sensorhardware implementiert werden. In der Vergangenheit wurde dazu in der Regel manuell C, C++, VHDL oder Verilog Code von Programmierexperten entwickelt. Dieser Das Internet der Dinge (IoT): links sind die „Edge Nodes“ zu sehen – intelligente Embedded- Komponenten, die Daten im Feld sammeln und vorverarbeiten; die Mitte zeigt den Daten - ag gregator, der Prozess- und Speicherdaten in einer Datenbank oder Cloud sammelt; die rechte Seite bildet die Analyse der historischen Daten durch den Prozessingenieur ab Schritt ist nicht nur relativ aufwändig, er ist auch fehleranfällig. Funktionen, die in der Simulation bereits verifiziert wurden, verhalten sich unter Umständen nach der manuellen Implementierung zum Teil nicht mehr so wie vorgesehen und führen zu Problemen im Feld. Abhilfe schafft hier die automatische Generierung von Echtzeitfunktionalität direkt aus der Simulation heraus. Der getestete Algorithmus wird dabei mittels Embedded Coder in echtzeitfähigen C oder C++ oder mithilfe des HDL Coders in VHDL oder Verilog Code umgesetzt. Das spart Zeit und ermöglicht innovative Lösungen auch in kleinen Entwicklerteams, wie Dr. Engelbert Grünbacher von B&R bestätigt: „Die schnelle Analyse, Visualisierung sowie die Reglerauslegung in Matlab und Simulink haben das Projekt ermöglicht.“ Fotos: Fotolia pixtumz88, Mathworks de.mathworks.com Neues Design & komfortablere Bedienung zum Bestpreis im Online-Shop von automation244.de Temperatur-, Druck- & Strömungssensoren von ifm 9 Baureihen TN, PN und TR im neuen Design 9 Neuer Strömungssensor der Serie SA mit größerem Einstellbereich für flüssige Medien (0 bis 6 m/s) 9 Komfortablere Handhabung dank der 3-Tasten-Bedienung 9 Farbumschaltbares Display für eine bessere Zustandsvisualisierung 9 IO-Link für eine durchgängige Gerätekommunikation IN 24H GELIEFERT Gratis Grati V ab Versand 50 zum Beispiel: Temperatursensor TN2511 Artikel-Nr. 102580 -20% UVP: 272,10 EUR 217,00 EUR automation24.de/temperatursensoren zum Beispiel: Drucksensor PN7070 Artikel-Nr. 102041 229,00 EUR -21% UVP: 289,20 EUR automation24.de/drucksensoren zum Beispiel: Strömungssensor SA5000 Artikel-Nr. 102582 -20% UVP: 275,50 EUR 220,00 EUR automation24.de/stroemungssensoren LIVECHAT Jetzt informieren und bestellen! 00800 24 2011 24 info@automation24.de www.automationn24.de

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