Sensortechnik. Identifizierungs- und Automatisierungstechnik. Prof. Dr. Michael ten Hompel. Sascha Feldhorst

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1 Identifizierungs- und Automatisierungstechnik Sensortechnik Prof. Dr. Michael ten Hompel Sascha Feldhorst Lehrstuhl für Förder- und Lagerwesen TU Dortmund 1

2 Sensortechnik Gliederung Organisatorisches Einführung Szenarien Verzweigungen Regalbediengeräte Fahrerlose Transportfahrzeuge Weitere Sensoren Klassifizierung Klassische Probleme 2

3 Einführung: Einordnung und Lernziele Aufgabe von Sensoren verstehen Relevante Messprinzipien kennenlernen Wandlung physikalischer in elektrische Größen anhand einfacher Beispiele nachvollziehen Typische logistische Einsatzszenarien kennenlernen Eigenschaften verschiedener Sensorklassen benennen können Häufige Fehlerquellen und Lösungsansätze verstehen 3

4 Einführung: Grundstruktur der Systeme (Wdh.) Automatisierte Systeme bestehen abstrakt aus: Automatisierter Prozess Automatisierungseinrichtung Bediener Zwischen beteiligten Komponenten besteht eine Informationsrückkopplung Nach [Lun07, S.17] 4

5 Einführung: Rückkopplungsprinzip Rückkopplung ist ein wichtiges Prinzip in der Automatisierung Grundstruktur enthält zwei Rückkopplungen 1) Zwischen Prozess und Automatisierungseinrichtung 2) Zwischen Automatisierungseinrichtung und Bediener 1) 2) Hauptunterschiede der Rückkopplungen Merkmal 1) 2) Automatisch ja nein Informationsbedarf hoch gering Geschwindigkeit μs bis min unregelmäßig Deterministisches Verhalten ja nein [Lun07, S.19] Bildquelle: openclipart.org 5

6 Einführung: Beteiligte Komponenten 6

7 Einführung: Begriffliches Sensor (von lat. sensus: Sinn, Gefühl) ist kein einheitlich verwendeter Begriff! Im Zuge dieser Vorlesung gilt: Ein Sensor ist ein Sammelbegriff für Geräte, die Prozesswerte,meist nichtelektrischer Art, aufnehmen und in elektrische Größen umwandeln. Hauptaufgaben: Sinnesorgane des Menschen nachbilden Aufnahme von Prozesswerten Bereitstellung dieser Prozesswerte für angeschlossene Automatisierungsgeräte 7

8 Einführung: Sensorspektrum Sensoren umfassen ein breites Spektrum: Vom mechanischen Schalter Bis zu intelligenten Kameras mit Netzwerkanschluss Bildquelle: SensorLab 8

9 Einführung: Allgemeines zu Sensoren Arbeitsweise: Abstrakt ist ein einfacher Sensor ein Signalwandler, der einen Prozesswert in eine elektrische Größe umwandelt (U, I, R, E) Umwandlung nutzt technische Aufnehmer Es sind etwa 100 physikalische, chemische oder biologische Effekte bekannt, die für Sensoren genutzt werden Ausführungen Berührungsgebundene Sensoren (taktil) Berührungslose Sensoren (nicht taktil) 9

10 Elektrisch Einführung: Häufige Messprinzipien Prinzip Erklärung Mechanisch Optisch Resistiv Induktiv Kapazitiv Ultraschall Von außen einwirkende Kraft schließt oder öffnet elektrischen Kontakt Lichtsignal wird zwischen Quelle und Detektor ausgetauscht und festgelegte Eigenschaften auf Empfängerseite erhoben, wie Intensität, Phasenverschiebung oder Lichtlaufzeit Messung der Veränderung des Widerstands eines einzelnen Widerstands oder eines Widerstandssystems. Änderung des Widerstands kann anwendungsspezifisch auf verschiedene Arten erfolgen Messung der Veränderung der Induktivität einer einzelnen Spule oder eines ganzen Spulensystems. Änderung der Induktivität kann anwendungsspezifisch auf verschiedene Arten erfolgen Messung der Veränderung der Kapazität eines einzelnen Kondensators oder eines ganzen Kondensatorsystems. Änderung der Kapazität kann anwendungsspezifisch auf verschiedene Arten erfolgen Objekt reflektiert ausgesendeten Schall und über Laufzeitmessungen kann so eine Detektion bzw. Entfernungsmessung erfolgen 10

11 Einführung: Messgröße Elektrischer Widerstand Elektrischer Widerstand bestimmt die Spannung, die nötig ist, um einen Strom durch einen Leiter fließen zu lassen. R = ρ l A Eigenschaften: Jeder Leiter setzt elektrischem Strom einen Widerstand entgegen Stromstärke I umgekehrt proportional zum Widerstand R Maßeinheit: Ohm (Ω) Direkt messbar oder indirekt über Brückenschaltung Beeinflussbar durch: Material (p), Leiterquerschnitt (A), Leiterlänge(l), Temperatur, Licht, Druck, Dehnung, usw. Bildquelle: Bild unten (Wikipedia) 11

12 Einführung: Beispiel einfacher Positionssensor θ max X = X max U 23 U 13 Idee: Positionsbestimmung mit Potentiometer Widerstandswert ändert sich durch Betätigung des Potentiometers Widerstandsänderung erfassen und in x-wert daraus ableiten Funktionsweise: Potentiometer ist ein verstellbarer Widerstand mit drei Anschlüssen θ θ = θ max U 23 U 13 Poti-Position ändert Spannung U 23 Spannungsmessung liefert Position Auch auf Winkelmessung anwendbar

13 Einführung: Messgröße Kapazität Die Kapazität bezeichnet die Eigenschaft eines Bauteils eine elektrische Ladung zu speichern. Eigenschaften: Begriff wird synonym für Kondensatoren gebraucht Maßeinheit: Farad (F) C ist nicht das Fassungsvermögen! Kann durch Messbrücke oder Schwingkreis bestimmt werden Beeinflussbar durch: Plattenfläche (A), Plattenabstand (d), Permittivität (ε), usw. Bildquelle: Fabian R., Wikipedia 13

14 Einführung: Messgröße Induktivität Die Induktivität beschreibt die Fähigkeit eines stromdurchflossenen Leiters aufgrund der Änderung der Stromstärke ein Magnetfeld aufzubauen. Eigenschaften: Zeigt den Zusammenhang von elektrischen und magnetischen Feldern Begriff wird synonym für Spulen gebraucht Maßeinheit: Henry (H) Kann durch Messbrücke oder Schwingkreis bestimmt werden Beeinflussbar durch: Wicklungszahl, Permeabilität, usw. Bildquelle: Zureks, Wikipedia 14

15 Einführung: Häufige Prozesswerte im Materialfluss Anwesenheit: Anwesenheit eines Objekts an einer Stelle Zeit: Vergangene Zeit seit Ereignis, z.b. Systemstart Position/Entfernung: Erfassen definierter Punkte während des Transports (1D, 2D, 3D) Weg: Zurückgelegte Strecke eines Guts oder Gewerks Relativ Absolut Geschwindigkeit: Aktuelle Geschwindigkeit eines Guts oder Gewerks Objekteigenschaften: Art, Sorte, Eigenschaft eines Objekts Objektidentifikation Indirekte Merkmale (Barcodes, RFID, Beschriftungen etc.) Direkte Merkmale (Kanten, Bohrungen, Strukturen etc.) Menge: Summierung von 1-Bit Impulsen 15

16 Szenario: Verzweigungen 16

17 Szenario: Verzweigungen Beschreibung Ort: Verzweigungselemente in Stetigförderanlagen Aufgabe: Pakete kommen an und müssen entsprechend ihrem Ziel geleitet werden Messwerte: Paketanwesenheit Eingang der Verzweigung Ausgänge der Verzweigung Paketidentität/-typ Position des Verzweigungselements 17

18 Szenario: Verzweigungen Beispiel Energieeffizienzanlage Fraunhofer IML betreibt eine Förderanlage zu Energieeffizienzbetrachtungen Verzweigungselemente: Rollentransfer (Rollenausschleuser) Kettentransfer Gurttransfer Verbaute Sensoren: Messwerte Paketanwesenheit Paketidentität Weichenposition Sensortyp Lichttaster RFID-Lesegerät Induktivsensor 18

19 Szenario: Verzweigungen Lichttaster Ein Lichttaster ist ein integrierter, optischer Sensor Funktionsweise: Lichtquelle (z.b. LED) sendet Lichtsignal Licht wird am Objekt diffus reflektiert Fotoelektrischer Empfänger misst Intensität des reflektierten Lichts Bei Erreichen eines Schwellwerts wird ein Signalwechsel am Ausgang ausgelöst Merkmale: Lichtquelle und Empfänger in einem Gehäuse Tastweite: Üblicherweise bis zu 2m [tbf08, S.176] 19

20 Szenario: Verzweigungen RFID-Lesegerät Ein RFID-Lesegerät ist ein intelligenter Identifikationssensor Funktionsweise: Antenne baut elektrisches, magnetisches oder elektro-magnetisches Feld auf Feld regt Schwingkreis im Tag an (Energieversorgung) Information wird auf Trägerfrequenz aufmoduliert Gegenstation (Lesegerät oder Tag) filtert Information heraus und wertet diese aus Merkmale: Antenne u. Auswertung meist nicht in einem Gehäuse Reichweite: Abhängig von Frequenzbereich und Stromversorgung des Tags (aktive und passive Tags) [tbf08, S.176] 20

21 Szenario: Verzweigungen Induktiver Näherungsschalter Ein Induktiver Näherungsschalter ist ein integrierter, induktiver Sensor Funktionsweise: Oszillator versorgt Spulen- und Ferritkernbaugruppe (SFK) mit Energie SFK erzeugt hochfrequentes Wechselfeld Leitendes Objekt entzieht dem Feld Energie Triggerschaltkreis erfasst Veränderung der Schwingkreisamplitude Bei Erreichen eines Schwellwerts wird ein Signalwechsel am Ausgang ausgelöst Merkmale: Schaltabstand: Einige mm bis wenige cm (ca. 5-15mm) Bildquelle: Rockwell Automation 21

22 Szenario: Regalbediengerät 22

23 Szenario: Regalbediengerät Beschreibung Ort: Regalbediengerät in Hochregal Aufgabe: Paletten ein-, um- oder auslagern Messwerte: Palettenanwesenheit Auf Lastaufnahmemittel In Lagerfächern Palettenidentität/-typ Palettenprofil Palettengewicht Position (Fahrwerk, Gabel) 23

24 Szenario: Regalbediengerät Beispiel Hochregal des FLW FLW betreibt in seiner Versuchshalle Hochregal samt automatisierten RBG Verbaute Sensoren: Messwerte Palettenanwesenheit (Fach) Palettenanwesenheit (Lastaufnahmemittel) Palettenidentität Palettenprofil Palettengewicht Position (Fahrwerk) Sensortyp Lichttaster Reflexionslichtschranke Barcode-Scanner Lichtvorhang Wägezelle Absolutkodierter Wegerfasser 24

25 Szenario: Regalbediengerät Reflexionslichtschranke Eine Reflexionslichtschranke ist ein integrierter, optischer Sensor Funktionsweise: Lichtquelle sendet Lichtsignal Licht wird an Reflektor reflektiert (Totalreflexion) Fotoelektrischer Empfänger misst Intensität des reflektierten Lichts Bei Unterbrechung der optischen Strecke wird ein Signalwechsel am Ausgang ausgelöst Merkmale: Lichtquelle und Empfänger in einem Gehäuse Tastweite: 0,1m bis zu 10m 25

26 Szenario: Regalbediengerät Barcodescanner Ein Barcodescanner ist ein intelligenter Identifikationssensor Funktionsweise: Laser wird über den Barcode geführt, durch Rotierendes Polygonrad Schwingspiegel Reflektiertes Licht trifft auf Fotodiode und erzeugt Analogspannung (Scanprofil) Spannung wird verstärkt u. digitalisiert Dekodierer wertet digitales Signal aus und übersetzt dieses in ASCII-Zeichen Merkmale: Keine Relativbewegung des Barcodes nötig Mechanik unterliegt Verschleiß Bildquelle: EN ISO/IEC [tbf08, S. 93] 26

27 Szenario: Regalbediengerät Lichtvorhang Ein Lichtvorhang oder Lichtgitter ist ein aus mehreren Lichtschranken zusammengesetzter, integrierter Sensor Funktionsweise: Mehrere Lichtschranken werden zeilenweise angeordnet Ausgangssignale der Einzelsensoren werden zu einem Digitalsignal zusammengefasst Anwendung: Profilkontrolle, Absicherung von Lagergassen Bildquelle: [tbf08, S.10] 27

28 Szenario: Regalbediengerät Einweglichtschranke Eine Einweglichtschranke ist ein integrierter, optischer Sensor Funktionsweise: Lichtquelle sendet Lichtsignal Fotoelektrischer Empfänger misst Intensität des eintreffenden Lichts Bei Unterbrechung der optischen Strecke wird ein Signalwechsel am Ausgang ausgelöst Merkmale: Lichtquelle und Empfänger nicht in einem Gehäuse Tastweite: bis zu 100m Bildquelle: Cedes 28

29 Szenario: Regalbediengerät Wägezelle Eine Wägezelle ist ein einfacher Drucksensor zur Gewichtsbestimmung Funktionsweise: Kraftaufnehmer (z.b. Biegestab) verändert durch Gewicht des Messobjektes seine Form Dehnungsmessstreifen (DMS) verändern durch Verformung ihren elektrischen Widerstand Auswertungseinheit bestimmt Widerstand der DMS und ermittelt darüber das Gewicht Merkmale: Wird in Industriewaagen eingesetzt Einsetzbar für kleine bis mittlere Gewichte Bildquelle: SIEMENS 29

30 Szenario: Regalbediengerät Absolutkodierter Wegerfasser Ein absolutkodierter Wegerfasser ist ein intelligenter Sensor zur Positionsbestimmung Funktionsweise: Maßstab mit Durchbrüchen unterschiedlicher Breite Sensor bestehend aus mehreren Lichtschranken wird über den Maßstab bewegt Im Maßstab kodierter wiederholungsfreier Code wird von Lichtschranken abgetastet Im Sensorkopf integrierte Verarbeitungseinheit berechnet fortlaufend die absolute Position Merkmale: Anwendung: Positionserfassung von RBG- und EHB-Fahrwerken Genauigkeit: 2-3mm Bildquelle: [tbf08, S.178] 30

31 Szenario: Fahrerloses Transportfahrzeug (FTF) 31

32 Szenario: FTF Beschreibung Ort: An einem Fahrerlosen Transportfahrzeug Aufgabe: Unstetiger Transport von Stückgütern innerhalb eines logistischen Systems Messwerte: Anwesenheit von Hindernissen Direkter Kontakt (Kollision) In messbarer Reichweite Position Fahrzeugs Ziel Bildquelle: DEMATIC, [tbf08, S.5] 32

33 Szenario: FTF Beispiel Multimedia-FTF am FLW Der FLW betreibt ein fahrerloses Transportfahrzeug zu Präsentationszwecken Für den Einsatz auf Messegeländen konzipiert Tagsüber Bereitstellung von Multimedia-Inhalten Abends Standbewachung Verbaute Sensoren: Messwerte Sensortyp Kollision Bumper Hindernis Anwesenheit von Personen Laserscanner CCD-Kamera 33

34 Szenario: FTF Sicherheitsbumper Ein Sicherheitsbumper ist ein einfacher, mechanischer Drucksensor Funktionsweise: Bumper stößt an Hindernis Durch den enstehenden Druck wird der elastische Bumper zusammengedrückt und der Abstand zwischen zwei getrennten Leitern verkleinert sich Berühren sich die Leiter wird ein Signalwechsel am Ausgang ausgelöst Merkmale: Alternative Realisierung mit Druckschaltern möglich Bumper umgibt das FTF von allen Seiten Löst ein Bumper aus, hält das FTF sofort an 34

35 Szenario: FTF Laserscanner Ein Laserscanner ist ein intelligenter, optischer Sensor Funktionsweise: Winkelbasiertes Abtasten des Raums durch Laserlicht Fotoelement misst die Laufzeit des reflektierten Lichts, dadurch ist die Entfernung zum nächsten Punkt am vorgegebenen Messwinkel ermittelbar Merkmale: Ein 180 -Laserscanner wird i.d.r. vorn am FTF angebracht, ein 270 -Laserscanner über Eck Ausführung als 2D- und 3D-Scanner 3D-Scanner = 2D Scanner mit zusätzlichem Antrieb, i.d.r. als Messeinrichtung und nicht zum Kollisionsschutz 3D-Scanner sind vergleichsweise langsam (zum Teil >1s) [tbf08, S.188f.] 35

36 Szenario: FTF CCD-Kamera Eine CCD-Kamera ist ein intelligenter, optischer Sensor Funktionsweise: Licht trifft durch eine Optik auf einen Chip Chip besteht aus einem Array von lichtempfindlichen Fotodioden (zeilen- oder matrixweise Anordnung) Anzahl der Dioden bestimmt die Auflösung Chip liefert Bildpunkte (innerer photoelektrischer Effekt) Merkmale: Anwendungen: Bildverarbeitung, Barcodescanner, etc. Bildquellen: NASA Michael Schmid/Wikipedia.de 36

37 Weitere Sensoren: PMD-Kamera Eine PMD-Kamera (auch Time-of-Flight-Kamera) ist ein intelligenter, optischer Sensor Funktionsweise: Quelle sendet ein moduliertes Lichtsignal aus (z.b. im Infrarotbereich) Von der Szene reflektiertes Licht trifft auf PMD-Chip Korrelation aus gesendeten und empfangenen Signal liefert pixelweise Entfernung (Phasenverschiebung) Auswertungseinheit erzeugt ein Entfernungsbild (z.b. durch Einfärben) Merkmale: Eindeutigkeitsbereich: 0 bis Hälfte der Wellenlänge Erlauben sehr schnelle Auswertung (bis 100 Bilder/s) Derzeit noch geringe Auflösungen (i.d.r. 64x48 Pixel) Aktuell noch sehr teuer Bildquellen:, PMDTechnologies GmbH/Wikipedia.de, ifm Elektronik 37

38 Weitere Sensoren: Kapazitive Näherungssensoren Ein kapazitiver Näherungssensor ist ein integrierter Sensor (nicht-taktil) Funktionsweise: Sensor erzeugt ein elektrostatisches Feld Objekt im Feld bedingt Kapazitätsänderung Kapazitätsänderungen beeinflussen die Grundschwingung eines Oszillators Bei Erreichen eines Schwellwerts wird ein Signalwechsel am Ausgang ausgelöst Merkmale: Wirkbereich bis zu einigen cm (bis zu 2,5cm) Einsatz auch bei nichtleitenden Materialien möglich Abstimmung auf das Material erforderlich (anhand der Dielektrizitätskonstante des Materials) Bildquelle: Rockwell Automation 38

39 Weitere Sensoren: Mechanische Sensoren Ein mechanischer Sensor ist ein einfacher, berührungsgebundener Sensor (taktil) Funktionsweise: Von außen einwirkende Kraft schließt oder öffnet einen elektrischen Kontakt Merkmale: Einfacher Aufbau Taktile Arbeitsweise (Führung erforderlich, Schaltzyklen zu beachten, verschleißanfällig) Wird i.d.r. bei geringer Betätigungswahrscheinlichkeit eingesetzt Ausführungen: Endschalter, Not-Aus-Schalter 39

40 Weitere Sensoren: Ultraschallsensoren Ein Ultraschallsensor ist ein integrierter, akustischer Sensor (nicht-taktil) Funktionsweise: Sensor erzeugt hochfrequenten Ton (~ khz) Messung des Echos des Ton dieser Frequenz Aus dem Echo lässt sich die Distanz zum schallreflektierenden Objekt abschätzen Merkmale: Tastweite: bis zu 15m Einsetzbar bei allen Materialien Starker Einfluss der Umgebungsbedindungen (Lufttemperatur, -druck, -feuchte) Anwendungen: FTF, Füllstandsprüfung, Ersatz von Lichtschranken in staubiger Umgebung Bildquelle: SIEMENS, Alfaomega/Wikipedia.de 40

41 Klassifizierung: Nach Wirkprinzip 41

42 Klassifizierung: Nach Ausgangsgrößen 42

43 Klassifizierung: Nach Dimension der Messgröße Dimension eines Sensors ist dessen räumlicher Erfassungsbereich Messgrößen können direkten Bezug zum Messraum haben 0D = Punkt (kein Bezug), 1D = Strecke, 2D = Ebene, 3D = Raum Umsetzung der Dimension Integriert (z.b. CCD-Kamera) Kaskade von Sensoren Zeilenweise Anordnung Matrixweise Anordnung 43

44 Klassische Probleme: Sensorspezifische Einschränkungen Optische Sensoren Fremdlichteinfall Polarisationsfilter verringert Tastweite Verschmutzung Speziell bei Lichttastern Reflexivität des Objekts hat starke Auswirkungen auf Ansprechverhalten Problem mit glänzenden Oberflächen Induktive Sensoren Sehr kurzer Schaltabstand (<= 1,5cm) Beeinflussung durch starke EMF Kapazitive Sensoren Kurzer Schaltabstand (<=2,5cm) Einstellung auf das Material nötig Empfindlich gegenüber Luftfeuchte Mechanische Sensoren Prellen, d.h. ein mehrfaches Ein- und Ausschalten bei einfacher Betätigung (z.b. bei Endschaltern) Unterliegen stärkeren Verschleiß Ultraschallsensoren Ausrichtung gerader Oberflächen für ein gutes Echo nötig (+/- 3 ) Vergleichsweise lange Ansprechzeit (~0,1s) Änderung von Temperatur, Druck oder Feuchte verändert Messergebnis 44

45 Klassische Probleme: Übersprechen Übersprechen in der Sensortechnik bezeichnet das fehlerhafte Ansprechen eines Sensors auf die Signale eines benachbarten Sensors (Interferenz) Arten des Übersprechens Akustisch bei Ultraschallsensoren Optisch bei Lichtschranken oder PMD-Kameras Auch kapazitive und induktive Näherungssensoren können sich gegenseitig beeinflussen Lösungen Sensorspezifischen Abstand einhalten Multiplexen (z.b. Zeit, Frequenz) Bildquelle: Rockwell Automation 45

46 Klassische Probleme: Hysterese Bezeichnet die Differenz zwischen Abstand des Einschaltzeitpunkts zum Abstand des Ausschaltzeitpunkts, wenn sich ein Objekt auf einen Sensor zu bzw. weg bewegt Betroffene Sensoren Induktivsensor Mechanische Sensoren Magnetfeldsensoren Lichttaster Umgang: Beeinflusst die Genauigkeit der Sensorereignisse Berücksichtigung bei Auswertung der Ereignisse Bildquellen: Rockwell Automation, Johannes Bedenbender/wikipedia.de 46

47 Klassische Probleme: Messfehler Statistische Fehler Dabei handelt es sich um zufällige Messfehler, sogenannte Ausreißer Lassen sich i.d.r. nicht beheben Beispiel: Thermisches Rauschen eines Sensors Systematische Fehler Fehler, die dadurch entstehen, dass der Sensor falsch geeicht ist Äußern sich durch konstanten oder proportionalen Verschiebung der Messwerte Lassen sich durch Kalibrierung beheben Beispiel: Ultraschallsensor Einstellung der Schallgeschwindigkeit am Einsatzort mittels Referenzsensor Bildquelle: 47

48 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 48

49 Ansprechpartner Lehrstuhl für Förder- und Lagerwesen LogistikCampus Joseph-von-Fraunhofer-Str Dortmund Telefon: Fax: Prof. Dr. Michael ten Hompel Mojtaba Masoudinejad, M.Sc. Telefon: Lehrstuhl für Förder-und Lagerwesen Technische Universität Dortmund Prof. Dr. Michael ten Hompel 49