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Ute Dresdner
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1 Daten aus der Produktion Energieautarke drahtlose Sensorik in Werkzeugen und Maschinen Matthias Kassner

2 EnOcean Page 2

3 EnOcean - Energieautarke Sensorik Kinetische Energie Elektrodynamische Wandler Solare Energie Integrierte Funkmodule Thermische Energie Energieerzeugung durch Temperaturunterschiede Page 3

4 EnOcean Anwendungen in Gebäuden Example of Partners Connectivity to Building Automation System Page 4

5 EnOcean Alliance Page 5

6 Industrielle Sensoren Page 6

Prozessüberwachung (Detektion von Abweichungen) Schutz vor Berührung / Betreten Sicherstellung

7 Industrielle Sensoren Typische Anwendungsfelder industrieller Sensoren Prozesssteuerung und Qualitätssicherung Sicherheitsmaßnahmen Wartungsplanung Überwachung der Produktparameter Prozessüberwachung (Detektion von Abweichungen) Schutz vor Berührung / Betreten Sicherstellung korrekter Maschineneinstellung Überwachung kritischer Parameter an Maschinen Abschätzung benötigter Wartung Page 7

Sensoren in Maschinen Kritische Parameters sollten möglichst genau gemessen werden Sensoren müssen in möglichst geringer Distanz messen Integration in Maschinen ist wünschenswert / erforderlich

8 Sensoren in Maschinen Kritische Parameters sollten möglichst genau gemessen werden Sensoren müssen in möglichst geringer Distanz messen Integration in Maschinen ist wünschenswert / erforderlich Umsetzung mit drahtgebundenen Sensoren ist oftmals nicht möglich Relativbewegung zwischen Werkzeug und Umgebung (linear / Rotation) Erheblicher Platzbedarf und Installationsaufwand für Kabel Schwierig in isolierten Umgebungen (Vakuum etc.) Erheblicher Aufwand für mechanische Zuverlässigkeit Drahtlose Sensoren sind eine mögliche Alternative Einfach und vielseitig Kein Aufwand für Verkabelung Aber: Stromversorgung muss im Sensor vorhanden sein Batterielebensdauer > Nutzungsdauer oder Energieautarke Sensorik > Daten aus der Produktion > EnOcean > Matthias Kassner >

Überwachung des Produktionsprozesses Ziel: Minimierung

Produktionsschritte Korrekte Ausgangsmaterialien Korrektes

Sensorik: Detektion korrekter Positionierung von Komponenten

9 Überwachung des Produktionsprozesses Ziel: Minimierung menschlicher Fehler Korrekte Abarbeitung aller Produktionsschritte Korrekte Ausgangsmaterialien Korrektes Setup der Maschinen Erhebliche Verbesserungen durch einfache Sensorik: Detektion korrekter Positionierung von Komponenten Detektion korrekter Einstellungen Mögliche Datenquellen: Positionssensoren NFC / RFID Tags 9

Überwachung der Produktionsinfrastruktur Überwachung von

Systematische Überwachung ist oft schwierig Beispiel: Rohre,

Durchflussstörungen (Strom, Gase, Flüssigkeiten) Überhitzung

10 Überwachung der Produktionsinfrastruktur Überwachung von Produktionsanlagen Oftmals weit verzweigte Infrastruktur Systematische Überwachung ist oft schwierig Beispiel: Rohre, Speichertanks, Energieleitungen Typische Fehlerbilder: Durchflussstörungen (Strom, Gase, Flüssigkeiten) Überhitzung (Stromleitungen) Rost Mögliche Datenquellen: Temperatursensoren Korrosionssensoren Durchflusssensoren Page 10

Wartung Wartungsintervalle So oft wie nötig um unerwartete Ausfälle zu vermeiden So selten wie

Maschine Drahtlose Sensoren können die Vorhersage verbessern Basisvorhersage basierend auf

Verbesserung durch Sensordaten Mögliche Datenquellen: Temperatur (Verschleiß -> Reibung ->

11 Wartung Wartungsintervalle So oft wie nötig um unerwartete Ausfälle zu vermeiden So selten wie möglich um Stillstand / Kosten zu vermeiden Ideal: Vorhersage basierend auf dem Zustand der Maschine Drahtlose Sensoren können die Vorhersage verbessern Basisvorhersage basierend auf Nutzungsdauer etc. Verbesserung durch Sensordaten Mögliche Datenquellen: Temperatur (Verschleiß -> Reibung -> Temperaturzunahme) Vibration (Verschleiß -> höhere Toleranzen -> Vibration) Geräusche (Verschleiß -> Vibration -> Spezifische Geräusche) > Daten aus der Produktion > EnOcean > Matthias Kassner >

12 Energieautarke Drahtlose Sensoren Page 12

13 > Daten From Sensors aus der to Produktion Smart Home Architektur Energieautarker Sensoren > Daten aus der Produktion > EnOcean > Matthias Kassner >

14 > Daten From Sensors aus der to Produktion Smart Home Energiequellen Erzeugung der Energie für Sensoren aus der Umgebung Eliminiert Wartungsaufwand für Batterien Ermöglicht breiten Einsatz drahtloser Sensoren Typische Energiequellen Solar (Umgebungslicht) Schwierig wegen Verschmutzung und mechanischer Empfindlichkeit (Glas) Im Industriebereich nur für Spezialanwendungen Bewegung (Translation, Rotation, Vibration) Elektromagnetische oder piezoelektrische Wandlung Verschmutzung muss beachtet werden (mechanische Zuverlässigkeit/Effizienz) Thermisch (Temperaturunterschiede) Nutzung des Seebeck-Effekts (Temperaturunterschied elektrische Spannung) Keine bewegten Teile, unempfindlich gegen Verschmutzung Weniger typisch/geeignet Elektromagnetische Strahlung (von Radioquellen wie z.b. WiFi) 14

Anwendungsprofil wählen Amorph für Innenanwendungen Kristallin für Außenanwendungen Mechanische Stabilität und

15 Energiequellen Solar Energieerzeugung durch Solarzelle Stromquelle, Ausgangsstrom proportional zu Beleuchtung und Fläche Beispiel für amorphe Zellen: 1uA pro 200 Lux Beleuchtung und 1 cm 2 Fläche Zelltyp gemäß Anwendungsprofil wählen Amorph für Innenanwendungen Kristallin für Außenanwendungen Mechanische Stabilität und Verschmutzung beachten! EnOcean ECS 300 > Daten aus der Produktion > EnOcean > Matthias Kassner > Page 15

Bewegung Geschwindigkeitsabhängig Rotation (Dynamo) Langsame /

16 Energiequellen Kinetik Energieerzeugung durch mechanisch/elektrische Wandlung Elektromagnetische oder piezoelektrische Wandlung Laterale Bewegung Geschwindigkeitsabhängig Rotation (Dynamo) Langsame / schnelle Drehung Vibration (Bewegte Masse) Resonanzfrequenz EnOcean ECO 200 Page 16

5mV/K für Bismuttellurid) Paralelle Anordnung

17 Energiequellen Temperatur Energieerzeugung durch Peltier-Element Ausgangsspannung proportional zu T (0.5mV/K für Bismuttellurid) Paralelle Anordnung mehrerer Elemente für Erzeugung nutzbarer Spannung (>25mV) Page 17

18 Sensoren zur Datenerfassung (1) Gut geeignete Sensoren (kurze Messzeiten, geringe Stromaufnahme) Temperatur Direkte Messung durch analoge (PT100 etc.) oder digitale Sensoren Infrarot-basierte Messung für kontaktlose Temperaturerfassung Druck Luftdruck (80 120kPa) oder mechanischer Druck (0 1000kPa) Elektromechanische oder MEMS-basierte Systeme Zug Dehnmessstreifen Durchfluss Kombination aus Energiegewinnung (Rotation) und Messung Minimaldurchfluss erforderlich Feuchte und Korrosion Luftfeuchte über kapazitive Sensoren (analog oder digital) Korrosion über induktive oder resistive Messung Page 18

19 Sensoren zur Datenerfassung (2) Schwierig (aber nicht unmöglich) Lage (Kompass)/Beschleunigung MEMS-basierte Systeme Energiebilanz (Stromaufnahme / Latenz Power-up erster Messwert) beachten Vibration/Schall Erfassung einer längeren Messreihe notwendig Aufwand für Datenanalyse Radar/Sonar Stromverbrauch für Sender (insbesondere für höhere Distanzen) Aufwand für Datenanalyse Gasanalyse CO2, CO, NOx, Formaldehyd, Hohe Stromaufnahme bei den meisten Sensoren Page 19

20 Funkprotokoll UDP über IPv6: 40 Byte IPv6 Header + 8 Byte UDP Header + Payload EnOcean Telegramm: 7 Byte Header + Payload Page 20

21 Ausblick Page 21

Ausblick Energieautarke Industrielle Sensorik Der Markt für energieautarke Produkte wächst stark Energiegewinnung aus der Umgebung ermöglicht: Vollständige Eliminierung von Batterien in vielen

22 Ausblick Energieautarke Industrielle Sensorik Der Markt für energieautarke Produkte wächst stark Energiegewinnung aus der Umgebung ermöglicht: Vollständige Eliminierung von Batterien in vielen Anwendungsfällen Signifikante Verlängerung der Lebensdauer in Fällen, in denen Batterien benötigt werden Wachsendes Ökosystem mit neuen Anwendungsfeldern Industrie, Transport, Consumer, Studien erwarten 50% jährliches Wachstum Source: Yole Development Report Mehrere Millionen EnOcean-Sensorknoten heute in Betrieb EnOcean ist Pionier und Marktführer Stark wachsender Fokus im Industriemarkt Komplement (nicht Ersatz) zur traditionellen Sensorik Vielzahl neuer Applikationen möglich Flexibel, drahtlos, wartungsfrei Direkte Montage an bewegten Teilen Viele Kundenprojekte im Forschungs- / Prototypstadium Sprechen auch Sie uns an! Page 22

23 Vielen Dank! Matthias Kassner Product Marketing Director EnOcean GmbH Kolpingring 18a Oberhaching Germany Page 23

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Energy Harvesting - new approaches Christian Damm Fachbereich Informatik, Freie Universität Berlin 24.06.2011 Gliederung 1. Motivation 2. Grundlagen 3. Sensoren 4. Arten der Energiegewinnung 5. Zusammenfassung