Sensorik

Das Internet der Dinge beginnt mit einem Sensor

| Redakteur: Jan Vollmuth

Die Smart Factory ist vernetzt und Kern des ganzen sind Sensoren.
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Die Smart Factory ist vernetzt und Kern des ganzen sind Sensoren. (Bild: gemeinfrei / CC0)

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Am Anfang des Internet of Things steht immer ein Sensor, denn nur mit einem Sensor können Dinge Zustände erfassen und Aktionen ausführen. Zusammen mit der Verbindung zum Netz werden Gegenstände „intelligent“. Die Schweizer Keller AG für Druckmesstechnik ist ein wichtiger Partner für die Realisierung von IoT-Lösungen.

Das Internet der Dinge ist keine Zukunftsvision mehr, sondern bereits Alltag: Wird zum Beispiel die TV-Aufzeichnung oder das Licht zu Hause vom Smartphone gesteuert, reden wir von Smart Home; organisiert sich ein Unternehmen mit automatischen und personen-unabhängigen Prozessen, dann befinden wir uns in einer Smart Factory. Verwandte Begriffe lauten Industrie 4.0, Smart Energy‚ Smart Mobility oder Smart Health.

Vernetzte Sensoren liefern Datenbasis

Egal, wovon die Rede ist: Der Sensor fungiert jeweils als wichtigster Datenlieferant – und bildet somit das Herzstück des IoT-Prozesses. Wie sieht dieser Prozess aus? Verschiedene Sensoren, angebracht an einem Objekt, werden vernetzt und an lokale und globale Kommunikationsnetze angeschlossen. Der letzte Schritt des Prozesses ist die Analyse der Daten auf vernetzten Computern oder in einer Cloud.

IoT-Prozesse sind sehr individuell und entwickeln sich stetig weiter. Keller hat zusammen mit internationalen Unternehmen bereits viele „smarte‟, kundenspezifische Gesamtlösungen in diversen Branchen und Anwendungsgebieten entwickelt. Folgende Beispiele zeigen, wie ein IoT-Prozess gelöst werden kann.

Automatisierte Sturzflutwarnung

Sturzfluten kommen plötzlich und unvorhersehbar. Binnen Minuten schwellen die Fluten in den Bachläufen und auf den Straßen an, reißen Autos mit und verwüsten Häuser. Im schlimmsten Fall kommen dabei Menschen ums Leben.

Wetterdienste warnen in der Regel vor Unwettern, doch häufig sind die betroffenen Siedlungen nicht auf Sturzfluten vorbereitet. Dies ist erstaunlich, denn für die meisten Regionen Deutschlands existieren detaillierte Spezialkarten, in denen die Gefahrenzonen markiert sind, damit sich die gefährdeten Orte entsprechend vorbereiten können. Diese Karten befinden sich jedoch selten in Rathäusern, bei der Feuerwehr oder dem Katastrophenschutz, weshalb proaktive Maßnahmen größtenteils unterlassen werden. Zudem sind die Spezialkarten relativ grob gezeichnet, blockierende Gebäude oder kanalisierende Straßen tauchen teilweise nicht auf. Daher können mit diesen Karten nicht alle Probleme gelöst werden.

Automatisiert Alarm auslösen

Was tun? Eine IoT-Lösung kann helfen, die Gefahren frühzeitig zu erkennen und zuverlässig rund um die Uhr auf bevorstehende Fluten aufmerksam zu machen. Auf diese Weise werden in Sekundenbruchteilen die nötigen Stellen (bspw. Katastrophenschutz) automatisch alarmiert, was die zeitnahe Auslösung entsprechender Maßnahmen ermöglicht.

Die Fernübertragungseinheit GSM-2 von Keller ist ein Teil eines solchen Warnsystems. Das GSM-2 kombiniert einen autonomen Datenloggers mit einer Fernübertragungseinheit. Verbunden mit einem Drucktransmitter oder einer Pegelsonde übermittelt es zuverlässig Wasserstände und Druckdaten über das Mobilfunknetz GSM per SMS, E-Mail oder FTP an Verantwortliche, um rechtzeitig vor Fluten zu warnen.

Eine GSM-2-Lösung mit präzisen Pegelsonden(1), einer Fernübertragungseinheit(2) und einer kundenspezifischen Software(3) verwendet beispielsweise der nationale Wetterdienst US National Weather Service (NWS). Keller leistet zusätzlich technische Unterstützung bei der Einrichtung, Installation und Programmierung des Systems, über das die zuständigen Gemeindearbeiter bei steigendem Wasserpegel eine SMS-Benachrichtigung erhalten. Nach der Implementierung kann der Betrieb von manuell aufgestellten, mobilen Sperren umgestellt werden auf dauerhaft installierte Schwingtore, die schließen, wenn Sturzfluten eintreten.

Biertanks rechtzeitig wieder auffüllen

Eine Pegelmessung mit Fernübertragungseinheit ist nicht nur für die Gefahrenerkennung sehr sinnvoll, sondern auch für andere Pegel- oder Füllstandsanwendungen. Beispielsweise in einer Gastwirtschaft, wo ein leer werdender Biertank die „Gefahrenzone“ darstellt.

In dieser Anwendung arbeiten messen zwei Drucksensoren den Flüssigkeitsstand im Tank. Sinkt der Pegel unter ein definiertes Limit erfolgt mittels der Fernübertragungseinheit GSM-2, Mobilfunknetz und Internet eine Warnmeldung an die Brauerei per E-Mail. Bei der Brauerei wird damit ein automatischer Bestellvorschlag an den Wirt ausgelöst und dieser braucht die Nachbestellung nur noch zu bestätigen.

Diese automatisierte M2M-Lösung (Machine-to-Machine) reduziert den Stress für die Wirte und bewahrt die Brauereifahrer vor unrentablen „Notfallfahrten“ am Wochenende. Fehlerhafte Bestellerfassungen gehören damit der Vergangenheit an, Transporttouren lassen sich optimieren und die Wirte haben jederzeit ausreichend frisches Bier zur Verfügung.

Öltankverwaltung mit tagesaktuellen Preisen

Neben Wasser und Getränken sind Brennstoffe weitere Flüssigkeiten, die sich ideal für die Verwaltung mit automatisierten, „smarten‟ Prozessen eignen. Die Fernüberwachung der Füllstände bei Heizöl-, Diesel- und Benzintanks ist für Mineralölkonzerne wie auch für Tankstellenbesitzer und Immobilienverwalter eine große Unterstützung.

Keller entwickelte dazu in Zusammenarbeit mit einem Schweizer Mineralöllieferanten das Fernüberwachungssystem Easy Oil. Dieses System hat sich auf dem Markt gut etabliert und ist in 80% der Vertragsabschlüsse für Heizöllieferungen das entscheidende Kaufargument bei den Kunden.

Auf Explosionsgefahr eingestellt

Der Bestellprozess entspricht demselben wie beim Biertank: Der Druck bzw. der Ölstand wird an der untersten Stelle des Tanks gemessen, entsprechend der Tankform der aktuelle Inhalt in Liter berechnet und die Daten via GSM übermittelt. Eine Besonderheit dieser Anwendung ist die kundenspezifische Software. Sie enthält neben den gängigen Daten wie Füllstand, Verbrauchs- und Bestellhistorie zusätzlich Ölpreise, die zweimal täglich aktualisiert werden. Diese kombinierten Informationen ermöglichen einen optimierten Bestellprozess, denn so können Vorräte dann angelegt werden, wenn der Ölpreis niedrig oder der Tankwagen gerade in der Nähe ist. Bei der Füllstandsüberwachung an Tankstellen wird die Fernübertragungseinheit GSM-3 verwendet, die mit einer Box mit eingebauten Sicherheitsbarrieren erweitert wird.

An Tankstellen besteht die Gefahr, dass ein elektrischer Funke die gashaltige Atmosphäre explodieren lässt. Der Drucktransmitter, der in einer solchen Umgebung misst, muss deshalb eigensicher sein. Die Sicherheitsbarriere begrenzt die abgegebene elektrische Leistung des Messsystems innerhalb der explosionsgefährdeten Zone (Ex-Zone) und verunmöglicht auf diese Weise die Entstehung eines Funkens.

Füllstand von Chemikalien sicher messen

Explosionsgefahr ist auch ein wichtiges Thema bei Chemikalien. In den Lagern von Chemieherstellern und -distributoren befinden sich zahlreiche verschiedene Chemiefässer mit unterschiedlichsten explosiven und gesundheitsschädlichen Inhalten.

Der Füllstand von Chemiefässern wird in den meisten Fällen weder gemessen noch außerhalb des Fasses optisch angezeigt. Es besteht die Möglichkeit, einen medienverträglichen Schwimmer einzubauen, jedoch reicht dieser nicht aus, um einen sicheren Transport zu garantieren und die Tankinhalte währenddessen permanent zu kontrollieren. Eine permanente Kontrolle ist jedoch sehr wichtig, um eine normengerechte Lieferung zu garantieren.

Wird zusätzlich zum Füllstand der Innendruck im Fass gemessen, lässt sich kontrollieren, ob das Fass ordnungsgemäß verschlossen ist oder ob es während des Transportes geöffnet wurde. Zudem zeigt die Aufzeichnung, ob das Fass übermäßigen Beschleunigungen ausgesetzt wurde.

Zwei Sensoren im Einsatz

Der Füllstand wird auch in dieser Anwendung mit zwei Drucksensoren gemessen. Da das Fass unter Druck steht, wird der Differenzdruck zwischen dem Faßdeckel und dem Faßboden ermittelt, womit der Pegel berechnet werden kann. Keller hat eine Lösung entwickelt, die den Tank in seiner ursprünglichen Form belässt. Dazu wurden im Innenbereich des Fasses zwei kompakte Druckaufnehmer der Serie 7 LD eingebaut. Diese digitalen Sensoren bieten neben den oben genannten Vorteilen zusätzlich die Temperaturinformation, welche für die Überwachung von Chemikalien ebenfalls sehr hilfreich ist.

Schließlich übermittelt eine Fernübertragungseinheit die aufgezeichneten Daten. Mit der Anbindung an das Internet of Things können zusätzlich noch weitere Informationen zugänglich gemacht werden, wie beispielsweise der Standort des Fasses.

Veränderungen einer Brückenlast effizient überwachen

Nach zahlreichen Füllstandsüberwachungen ist die Kraftmessung an Bauwerken ein weiteres Gebiet, das mittels Sensoren „smart‟ beobachtet werden kann. Ein gutes Beispiel ist das Aufzeichnen der Lastverteilung von Brücken.

Der Verkehr auf der Straße ist keine konstante Größe und speziell der wachsende Anteil der LKWs belastet Brücken immer mehr. Aber auch das Gelände ist kein statisches Element, denn aufgrund von Plattentektonik bewegt sich so ziemlich alles auf unserer Erde und verändert täglich unseren Untergrund. Durch diese beiden beweglichen Einheiten muss damit gerechnet werden, dass sich die Lastverteilung einer Brücke verändert. Um hier Sicherheit zu gewährleisten, ist es notwendig, dass Veränderungen in der Lastverteilung permanent mit Sensoren überwacht und erkannt werden.

Mechanische Lösungen gehören der Vergangenheit an

In der Vergangenheit wurde die Brückenlast bei den Brückenlagern mit einem mechanischen Indikator dargestellt. Dieser musste vor Ort abgelesen werden. An diesem zentralen Kraftpunkt der Brücke hat Keller angesetzt und eine vernetzte Druckmesslösung im Brückenlager integriert. Die Brücke überträgt die Auflast auf ein Elastomerkissen (schwarze Schicht). Zwischen dem Drucksensor und dem Elastomer befindet sich eine Fettschicht (gelb), die als Druckübertragungsmedium einen lastabhängigen Innendruck messbar macht. Diese Druckveränderung wird mit einem Drucktransmitter bestimmt (am rechten vorderen Eck), dessen kundenspezifische Bauform sich perfekt ins Brückenlager integriert.

Das GSM-Modul (Kätchen am rechten hinteren Eck) liest die Daten direkt über eine digitale Schnittstelle aus und sendet, je nach Messwert, eine Warnmeldung an die Verantwortlichen. Der Einsatz von besonders langlebigen, edelstahlgekapselten Drucksensoren garantiert jahrzehntelange Messstabilität und Funktionssicherheit. Verbunden mit dem Internet of Things lassen sich so zuverlässig und permanent die Brücken überwachen und notfalls sofort sperren, sollte sich die Lastverteilung gefährlich verändern. (jv)

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