Industrielle Sensoren sind ein entscheidender Bestandteil der Fabrikautomation und Industrie 4.0. Bewegungs-, Umgebungs- und Vibrationssensoren überwachen den Gerätezustand, einschließlich linearer oder Winkelpositionierung, Neigungserkennung, Nivellierung und Aufprall- oder Sturzerkennung. Spezialisierte industrielle Bewegungssensoren, die auf mikro-elektro-mechanischen Systemkomponenten (MEMS) basieren, eignen sich für Industrie 4.0-Anwendungen und zeichnen sich durch eine große mechanische Frequenzerfassungsbandbreite, hohe Zuverlässigkeit, Messstabilität und einen genauen Betrieb bis zu 105 Grad aus.
Sensoren für die industrielle Automatisierung
Industrielle Sensoren sind ein entscheidender Bestandteil der Fabrikautomation und Industrie 4.0. Industrielle Sensorsysteme werden typischerweise mit 24 V Gleichstrom betrieben, was sich deutlich von Sensoren in Verbrauchersystemen unterscheidet, die mit 3 V oder 5 V versorgt werden. Folglich erfordern industrielle Sensorsysteme ein zusätzliches Energiemanagement, um die Sensoren effektiv anzutreiben. Sie nutzen digitale Ausgänge wie IO-Link, das eine direkte Verbindung zu Mikrocontrollern oder sogar drahtlosen Transceivern herstellt. Analoge Datenausgänge werden normalerweise durch Operationsverstärker aufbereitet und mit Analog-Digital-Wandlern (ADCs) in Mikrocontrollern verknüpft.
1. Umweltsensoren
In Fabrikautomatisierungsumgebungen werden Umgebungssensoren, die Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Druck und hörbare Geräusche messen, typischerweise mit 24 V Gleichstrom betrieben. Diese Sensoren verwenden üblicherweise das IO-Link-Kommunikationsprotokoll, um Daten im digitalen Format auszugeben.
2. Bildsensoren
Als Herzstück von Bildverarbeitungssystemen wird die Bilderfassung vor allem in Anwendungen eingesetzt, die physische Objekte berechnen, ihr Gewicht und Volumen berechnen und ihre Form prüfen. HDR-Bildsensoren (High Dynamic Range) bieten eine Reihe wichtiger Funktionen, darunter Autofokus-Treiber (AF) und LSC-Algorithmen (Lens-Shading-Korrektur), um das Design leistungsstarker industrieller Bildsensoren zu unterstützen.
3. Bewegungs- und Vibrationssensoren
Die Erfassung und Erkennung von Bewegungen und Vibrationen spielt in Fabrikautomatisierungsanwendungen eine entscheidende Rolle, einschließlich linearer oder Winkelpositionierung, Neigung und Nivellierung, Motorzustandsüberwachung sowie Aufprall- und Sturzerkennung. Trägheitssensoren werden normalerweise über eine 24-V-Gleichstromschiene mit Strom versorgt und nutzen üblicherweise das IO-Link-Kommunikationsprotokoll, um Daten in analogen oder digitalen Formaten auszugeben.
4. Näherungssensoren
Näherungssensoren erkennen berührungslos die Anwesenheit oder Entfernung von Objekten in der Nähe. Sie können nach verschiedenen Prinzipien konstruiert werden, einschließlich kapazitiver oder induktiver Änderungen als Reaktion auf Metallziele oder Infrarotlicht oder durch Messung der Flugzeit (ToF) von Photonen innerhalb eines Lichtstrahls.
ST bietet eine Reihe von MEMS-Bewegungs- und Umweltsensoren, 8-Bit-STM8- und 32-Bit-STM32-Mikrocontroller sowie umfangreiche Konnektivitätslösungen (kabelgebunden oder drahtlos, einschließlich IO-Link), um Sensorsystemdesignern bei der erfolgreichen Bewältigung dieser Herausforderungen zu helfen.
Industrielle Automatisierungssensoren gibt es in verschiedenen Ausführungen, darunter:
1. Temperatursensoren
Temperatursensoren reichen von Geräten mit positivem Temperaturkoeffizienten über Geräte mit negativem Temperaturkoeffizienten bis hin zu RTDs (Widerstandstemperaturdetektoren).
Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) sind Widerstände mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass ihr Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt. Diese bestehen typischerweise aus Silizium, um lineare Eigenschaften zu gewährleisten. Im Gegensatz dazu weisen PTC-Thermistoren vom Typ Schalter-eine nichtlineare Temperaturmesskurve auf. Wenn sich der Thermistor erwärmt, nimmt sein Widerstand ab, bis er eine kritische Temperatur erreicht, danach steigt er an.
Sie werden mit Überwachungsrelais in Motorwicklungen in Industrieanlagen verwendet, um einen Überhitzungsschutz vor Isolationsschäden zu bieten. Die nichtlineare Reaktionskurve führt dazu, dass der Widerstand bei der maximal zulässigen Wicklungstemperatur stark ansteigt und das Relais auslöst, um eine Überhitzung zu verhindern. Anschließend kann es mit einem drahtlosen Sensornetzwerk verbunden werden.
Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) weisen mit steigender Temperatur einen abnehmenden Widerstand auf. Sie behalten ihre Genauigkeit über einen weiten Temperaturbereich von 0 bis 70 Grad mit einer Toleranz von ±0,1 Grad oder ±0,2 Grad bei und zeichnen sich durch eine hervorragende Langzeitstabilität aus.
Diese Thermistorsondenbaugruppen werden häufig im gesamten IIoT und in intelligenten Fabriken zur Fehlerdiagnose eingesetzt. Thermistor-Sensorelemente können verschiedene Systeme überwachen und drahtlose Sensornetzwerke mit der Cloud verbinden.
Analoge und digitale Temperatursensor-ICs
2. Näherungssensoren
Induktive Näherungssensoren erkennen in der Nähe befindliche Metalle und erhöhen so die Sicherheit der Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI). Erhältlich in 2-Draht- und 3-Draht-Gleichstromversionen sowie Sensoren mit separaten Verstärkern für Hochgeschwindigkeitsbetrieb.
Laserentfernungssensoren (Lidar) ermöglichen die Objekterkennung in ein-dimensionalen Topologien, wie etwa Infrarot-Bewegungssensoren auf Förderbändern. 2D LiDAR-Sensoren fungieren als Positionssensoren zur Identifizierung von Komponentenpositionen in Produktionslinien.
Näherungs- und Flugzeitsensoren (ToF).
3. Vibrationssensoren
Vibrationssensoren nutzen MEMS-Beschleunigungsmesserelemente oder piezoelektrische Kristalle, um die Vibrationsfrequenz zu messen und sich auf die Harmonischen überwachter Systeme einzustellen. Sie liefern wichtige Daten für die Fehlerdiagnose, während Beschleunigungsmesser als Bewegungssensoren für Neigungs-, Fall- und Aufprallmessungen dienen. Beschleunigungsmesser, Gyroskope, Inertialmesseinheiten (IMUs), elektronische Kompasse
4. Andere Sensoren: Druck, pH-Wert, Durchfluss, Luftfeuchtigkeit, Ultraschall, PIR, fotoelektrische Sensoren
Weitere in der Automatisierung eingesetzte Sensoren sind Drucksensoren, pH-Sensoren zur Messung des Säuregehalts von Flüssigkeiten sowie Durchflusssensoren, Feuchtigkeitssensoren und Ultraschallsensoren zur Überwachung von Aktoren. PIR-Sensoren, fotoelektrische Sensoren und Drehgeber können als Endschalter für Schwellenwertmessungen in industriellen Automatisierungssystemen dienen.
Alle diese IoT-Sensoren stellen über industrielle Sensornetzwerke (kabelgebunden oder drahtlos) eine Verbindung zu Gateways her, die dann für Echtzeitanalysen und Zustandsüberwachung mit dem IoT verbunden werden. Die proprietären Industriesensoren von ST.
Industrielle drahtlose Sensoren und Netzwerke
Industrielle drahtlose Sensornetzwerke nutzen eine breite Palette von Protokollen, von Kurzstrecken-Bluetooth und Zigbee bis hin zu Wi-Fi.
Für industrielle drahtlose Sensornetzwerke (IWSN) mit großer Reichweite kann die drahtlose LoRa-Kommunikation mit niedriger{1}Leistung im Sub{2}GHz-Bereich eingesetzt werden.
Mobilfunkmodems stellen eine kostengünstigere Option für drahtlose Sensornetzwerke dar, bieten jedoch die Zuverlässigkeit von Telekommunikationsnetzwerken. Dies ist für die höheren Datenraten von Bildverarbeitungssystemen von Bedeutung. Im Rahmen des IoT können Videos zur Analyse an die Cloud zurückgesendet werden.
Der Stromverbrauch ist ein entscheidender Faktor für industrielle Sensornetzwerke, da Tausende von Sensorknoten und ihre drahtlosen Transceiver erhebliche Mengen Strom verbrauchen. Einige drahtlose Routing-Protokolle verbrauchen von Natur aus weniger Energie, vor allem durch geringere Arbeitszyklen. In Hochlastanwendungen ist manchmal eine höhere Leistung erforderlich, um Störungen zu überwinden und eine zuverlässige Datenerfassung und Netzwerkzuverlässigkeit sicherzustellen.