Von Maschinen und Mechanismen zu intelligenten vernetzten Systemen 4.0

Bei Entwicklung und Steuerung von industriellen Prozessen spielen neue Kommunikations- und Informationstechnogien eine entscheidende Rolle. Industrielle Prozesse werden weitgehend digitalisiert und mit IT-Technologien verschmolzen. Durch Einsatz künstlicher Intelligenz (KI), Internet-of-Things (IoT) und neuer softwarebasierter Lösungen wird die Industrie smarter und kann nicht nur die Produktion erheblich verbessern und die Qualität erhöhen, sondern auch die Prozesse flexibel und optimal gestalten. Dieser dramatische Durchbruch wird als die vierte industrielle Revolution oder Industrie 4.0 bezeichnet.

Intelligenz von modernen industriellen Systemen

Mit Einführung von Methoden des Systems Engineering spricht man nicht mehr von einzelnen Maschinen oder Mechanismen, sondern von Systemen, Teilsystemen und Komponenten, die mithilfe von Schnittstellen, Steuerelementen, Protokollen und Netzwerken miteinander kommunizieren. Damit ein System smart funktioniert, muss es über eine gewisse Intelligenz verfügen, um seine komplexen Aufgaben autark und effizient lösen zu können. Die Intelligenz eines Systems zeichnet sich dadurch aus, dass sich die technischen Komponenten selbständig und automatisch anpassen, konfigurieren und optimieren können. Da die Steuerungssysteme räumlich verteilt sind, müssen sie vernetzt sein, um alle Produktionsbereiche automatisieren zu können und die Informationen auszutauschen.

Eine gemeinsame Sprache, die die Menschen, Maschinen, Prozesse und Technologien in der Industrie 4.0 sprechen, sind die Daten. Mit Daten werden die Systeme gesteuert, und Daten werden auch von denselben Systemen produziert. Für eine korrekte Steuerung und eingespielte Zusammenarbeit aller Komponenten und Prozesse haben die Datenqualität und -aktualität eine besonders große Bedeutung. Eine höhere Effizienz kann nur dann erreicht werden, wenn die Betriebskomponenten autonom und sensorgestützt arbeiten, ihre Aufgaben intelligent lösen und sich an die dynamisch verändernde Umgebung automatisch anpassen. Für verschiedene industrielle Technologien, Problemstellungen und Umgebungsbedingungen werden spezielle Sensoren verwendet, deren Einsatz vielfältig ist. So sind die Einsatzgebiete für Drucksensoren nicht nur auf Lebensmittelindustrie und chemische Anlagen beschränkt, sondern erweitern sich nahezu für jede Aufgabe im Bereich einer präzisen und zuverlässigen Druckmessung. Sensoren müssen nicht nur besser „sehen“, „hören“, „fühlen“ und messen, um die Daten zuverlässig zu erfassen, sondern auch die erfassten Daten eigenständig und in Echtzeit analysieren, um richtige Entscheidungen zu treffen.

Smarte Sensoren

Frühere Generationen von Sensoren konnten nur Daten messen und diese in Form von Analogsignalen an ein zentrales System übermitteln. Ein smarter Sensor kann Daten nicht nur erfassen und registrieren, sondern auch analysieren, verarbeiten, übermitteln und passende Aktionen automatisch ausführen. Das funktioniert mit einem Mikroprozessor oder Mikrokontroller, der im selben Gehäuse des Sensors untergebracht ist. Obwohl smarte Sensoren ihre Aufgaben komplett ohne einen externen Computer ausführen können, beteiligen sie sich an der Kommunikation mit anderen Sensoren, Komponenten oder Rechnern, um die gewonnenen Informationen zu übermitteln und die Informationen über die aktuellen Zustände von anderen Betriebsprozessen und Sensoren zu erhalten. Durch diese Interaktion bekommt ein Sensor mehr Informationen über den Zustand des Gesamtsystems, was für seine intelligente und integrierte Arbeitsweise von großer Bedeutung ist.

Ein smarter Sensor besteht aus einem Sensorelement, einem Mikroprozessor und einer Kommunikationsschnittstelle. Neben den eigentlichen Messaufgaben realisieren smarte Sensoren noch weitere nützliche Funktionen wie Plausibilitätsprüfung und Auswertung der gemessenen Daten, Zustandsüberwachung, Fehlermeldungen, Datenübermittlung, Statistiken und Sicherheitsfunktionen wie automatische Wiederherstellung nach einer Störung.

Fazit

Ein moderner smarter Sensor funktioniert als ein hochentwickeltes Sinnorgan, das über eine gewisse Intelligenz verfügt, um die Messdaten zuverlässig zu erfassen, mit speziellen Algorithmen zu analysieren und zu verarbeiten, die passenden optimalen Aktionen zu finden und auszuführen und die Informationen mit anderen Komponenten auszutauschen. Vernetzte smarte Komponenten erschließen neue Technologien für Industrie 4.0, verändern Betriebs- und Geschäftsprozesse, sinken die Kosten und erhöhen die Qualität und Sicherheit der bereitgestellten technischen Lösungen. Mit smarten Sensoren, IoT und IT-Technologien als den wichtigsten Komponenten der vernetzten Produktion wird Industrie 4.0 zur Realität.