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INDUSTRIELLE AUTOMATION 6/2022

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INDUSTRIELLE AUTOMATION 6/2022

ENERGY HARVESTING MIT

ENERGY HARVESTING MIT WIEGAND-TECHNOLOGIE MEHR POWER – NEUE EINSÄTZE Längst haben Wiegand Sensoren bei Multiturn-Drehgebern und Durchflussmessern Batterien ersetzt. Jetzt haben leistungsstarke Wiegand Harvester als F&E-Prototypen demonstriert, dass sie sich zur energieautarken Versorgung autonomer IoT-Sensoren eignen. Das ist aber noch nicht alles, wie ein kurzer Blick auf erste Ideen für künftige Applikationen zeigt. Vorgestellt wurde der Prototyp des neuen Wiegand Harvesters, der 50-mal mehr Energie als ein Wiegand Sensor liefert, von Ubito, einem Startup für neue Produkte der Fraba- Gruppe. Präsentiert wurde die Innovation, die das Ergebnis eines gut zweijährigen Projekts im Aachener F&E von Fraba ist, im Rahmen einer Labor-Demonstration. Dabei konnte die Funktionsfähigkeit des neuen Power Sensors beim Betrieb eines autonomen Sensorknotens, der sich problemlos in ein IoT-Netzwerk einfügen ließ, unter Beweis gestellt werden. Der Harvester erzeugte genügend Energie für die Stromversorgung der kompletten Sensorelektronik, einschließlich eines hocheffizienten Ultrabreitband/ UWB-Funksenders. Er wird dazu beitragen, Wiegand-Systeme, die Energie aus den Bewegungen eines externen Magnetfelds gewinnen, neben Energy Harvesting-Techniken wie Solar-, Piezo- oder Thermoelektrik als verlässliche Energiequelle für autonome Sensoren in IoT-Netzwerken zu verankern. ZIEL DES F&E-PROJEKTS „Wiegand Sensoren, die auf Low Power-Output getrimmt sind und von uns seit 2014 als SMD-bestückbare Komponenten in riesiger Stückzahl gefertigt werden, bilden seit mehr als 15 Jahren eine Kernkomponente unserer Drehgebersparte Posital“, sagt Tobias Best, der die globale Ubito-Initiative zur Entwicklung neuer Wiegand-Anwendungen von Singapur, dem Firmensitz von Fraba in Asien, koordiniert. „Während Wiegand-Systeme eine zuverlässige batterielose, energieautarke Möglichkeit zur Erkennung und Aufzeichnung von Umdrehungen in Multiturn- Drehgebern und Durchflussmessern bieten, hatten wir schon lange einen wesentlich höheren Output beim Energy Harvesting, gekoppelt an komplett neue Anwendungen, im Visier“. Entsprechend wurde Anfang 2020 ein ambitioniertes F&E-Projekt gestartet, das darauf abzielte, die Energieleistung von Wiegand- Geräten deutlich zu verbessern und ihren Einsatz beim Betrieb autonomer IoT-Sensoren zu ermöglichen. Im F&E-Projekt, das vom BMBF gefördert wurde, arbeitete das Fraba-Team eng mit der FH Aachen zusammen. Dabei wurde das bisherige Wiegand-Know-how komplett auf den Prüfstand gestellt. In umfangreichen Magnetfeldsimulationen wurden zentrale Parameter gezielt nachgesteuert. Fortschritte bei Low Power- Mikrocontrollern, innovative Wireless-Protokolle wie UWB und clevere Energiemanagement-Lösungen wurden in die Planungen einbezogen. Wesentliche Vorgabe war, die Baugröße des neuen Power-Sensors, mit den Basiskomponenten Wiegand-Draht und Spule, möglichst kompakt zu halten. Nach gut zwei Jahren intensiver Arbeit konnte das F&E-Team Vollzug vermelden. Mit dem neuen Wiegand Harvester konnte ein Prototyp vorgestellt werden, der die 50-fache Energie eines klassischen Wiegand Sensors erzeugt. „Damit konnten wir endlich IoT-Netzwerke angehen, deren Daten drahtlos über größere Distanz an ein entfernt gelegenes Kommunikations-Gateway übertragen werden können,“ so Best. 28 INDUSTRIELLE AUTOMATION 2022/06 www.industrielle-automation.net

SENSORIK UND MESSTECHNIK Mit dem Wiegand Harvester wurde ein Prototyp vorgestellt, der die 50-fache Energie eines klassischen Wiegand Sensors erzeugt. Damit konnten wir endlich IoT-Netzwerke angehen, deren Daten drahtlos über größere Distanz an ein entfernt gelegenes Kommunikations-Gateway übertragen werden können. Tobias Best, General Manager Ubito bei der Fraba- Gruppe 01 Die Wiegand Harvester (rechts) liefern 50-mal mehr Energie als klassische Wiegand Sensoren (oben links), bleiben aber kompakt 02 Links: Die beiden Wiegand-Harvester zwischen den Stabmagneten (unter der weißen Umhausung) und die Sende-Platine mit Mikrocontroller, Temperatursensor und UWB-Sendemodul; rechts: Die 60 m entfernte Empfängerstation, welche die Daten per Funknetz einsammelt PROTOTYP MIT GROSSEM POTENZIAL Beim Demo-Projekt im Labor entschied man sich für einen IoT- Knoten in Kombination mit einen Fenstersensor, der als Gesamtsystem vollständig durch die per Wiegand Harvester bereitgestellte Energie betrieben wird. Dabei wurden zwei Wiegand Harvester und die dazugehörige Elektronik am Fenster montiert, während 02 01 www.industrielle-automation.net INDUSTRIELLE AUTOMATION 2022/06 29