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Seite 1 Verbundprojekt MoSeS-Pro Modulare Sensorsysteme für Echtzeit-Prozesssteuerung und smarte Zustandsbewertung http://www.moses-pro.de Quelle: Oliver Dietze

Verbundprojekt MoSeS-Pro€¦ · Festo AG & Co. KG, Werk St. Ingbert (assoziiert) ... –self-sensing Antriebe: Servosteuerung sowie Zustandsbewertung mittels Spannungs-/Strommessung

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Verbundprojekt MoSeS-Pro

Modulare Sensorsysteme für

Echtzeit-Prozesssteuerung und

smarte Zustandsbewertung

http://www.moses-pro.de

Quelle: Oliver Dietze

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gefördert im Rahmen des Förderschwerpunktes „Sensorbasierte

Elektroniksysteme für Anwendungen für Industrie 4.0 – Selekt I4.0“

Laufzeit: 10/2015 – 9/2018

Projektvolumen 3,1 Mio. €, 73 % Förderanteil durch BMBF

Projektträger VDI/VDE Innovation + Technik, Berlin

Projektpartner

Bosch Rexroth AG, Werk Homburg (assoziiert)

Festo AG & Co. KG, Werk St. Ingbert (assoziiert)

CANWAY Technology GmbH, Ostbevern

ESR Pollmeier GmbH, Ober-Ramstadt

Lenord, Bauer & Co. GmbH, Oberhausen

Sensitec GmbH, Lahnau

Fraunhofer IMS, Duisburg

TU Kaiserslautern, AG ISE, Kaiserslautern

ZeMA gGmbH, Saarbrücken (Koordination)

Eckdaten und Konsortium

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Inhalte und Ziele im Überblick

Modularer, offener Sensorsystembaukasten für Montage-, Handhabungs- und

Verpackungsprozesse der Industrie 4.0

Neben verbesserter Sensorfunktion Erweiterung der Signalauswertung im

Hinblick auf Condition Monitoring

Sensorprinzipien

– primär magnetoresistive (XMR) Technologien mit Schwerpunkt TMR

weites Applikationsspektrum (Strom, Winkel, Weg, Position)

– Integration weiterer Sensorprinzipien im Baukasten

Vibration/Akustik, VIS/IR-Kameras, Druck, Ölqualität

– self-sensing Antriebe: Servosteuerung sowie Zustandsbewertung

mittels Spannungs-/Strommessung und modellgestützter Auswertung

Echtzeitfähige Funkschnittstelle sowie Energy Harvesting für flexible Integration

Laborerprobung des MoSeS-Baukastens an Hand exemplarischer Anwendungen

Demonstration des Baukastens in industriellen Prozessen

gemeinsam mit Festo und Bosch Rexroth (assoziierte Partner)

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Anwendungsszenarien I

elektromechanische Achsen für Montage- und Handhabungssysteme

– Erweiterung der vorhandenen Sensorik für verbesserte

Funktion sowie Zustandsbewertung durch

Verknüpfung von Sensorsignalen

(Strom, Winkel, Vibration)

– Einsatz in eigener Fertigungs-

Qualitätskontrolle sowie für

Zustandsbewertung

beim Kunden

– Etablierung

standardisierter

Formate für

Datenaustausch

Quelle: Festo

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Anwendungsszenarien II

Erweiterung der bestehenden Industrie-4.0-Montagelinie

– Erweiterung der Industrie-4.0-Systematik: vorgelagerte zerspanende Komponenten-

fertigung, Kühlschmierstoffüberwachung, Qualitätskontrolle der gefertigten Systeme

– deutliche Optimierung und Beschleunigung der Produktion durch frühzeitige

Fehlererkennung an Hand der Verknüpfung von Prozessdaten und Endprüfung

Quelle: Bosch Rexroth

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Anwendungsszenarien III

Sensoren und kompakte Stellantriebe mit integrierter Sensorik

– z.B. Formatversteller für

Verpackungsmaschinen:

Trend zu größerer Flexibilisierung

nur mit erweiterter Funktionalität

zuverlässig realisierbar

– primär partiell redundante

Winkel- sowie Strommessung

bietet sich für Zustands-

überwachung an

– auch Holzbearbeitungs-

bzw. Textilmaschinen

als weitere Anwendungen

Quelle: Lenord+Bauer

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Anwendungsszenarien IV

leistungsfähige und kompakte Antriebssysteme

– Servo-, Torque- oder Linearmotoren, Elektronik & Regler mit kundenspezi-

fischer Auslegung für Handhabungssysteme in der Produktion und in F&E.

– komplexer und sehr

leistungsfähiger

Prüfstand aus DFG-

Projekt (ZeMA)

Erprobung optimierter

Weg- und Strom-

messung sowie

insb. self-sensing

Antriebe

Kombination für

Condition Monitoring Quelle: ZeMA, AG Antriebstechnik

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Anwendungsszenarien V

Elektronikmodule auf DSP/FPGA-Basis für den MoSeS-Baukasten

– im Projekt für die Realisierung der Funktionsmuster und Demonstratoren

wichtige Komponente der Elektroniksysteme und Schnittstelle zum Prozess

– später Verbesserung eigener kundenspezifischer Messtechnik, z.B. Hardware-

in-the-Loop (HIL) Prüfstände für Automobilbau oder Vibrationsanalyse/Condition

Monitoring

erweiterter Sensorbaukasten auf XMR-Basis mit integrierter Elektronik

– industrielle Anwendungen, aber auch Automotive/Consumer-Anwendungen

– Realisierung Self-X-Funktionalität (Selbstdiagnose, -konfiguration, -adaptierung)

bessere Erfüllung bestehender Kundenwünsche im Hinblick auf

Funktionalität und Zuverlässigkeit

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Technologien I

XMR-Sensortechnologie: Basistechnologie im Projekt, Fokus auf TMR

– Besonders kleine, stromsparende Sensoren mit hoher Ortsauflösung

und großer Messbandbreite für Strom, Weg/Position, Winkel und Feld

– Ergänzung vorhandener Sensorelemente durch Self-X-Komponenten

Integration von Selbstüberwachung und Selbstkorrektur nah am Sensor

– Vereinfachung und Beschleunigung der Datenverarbeitung auf Systemebene

zuverlässige, geprüfte Sensordaten, zusätzliche Kontrollroutinen entfallen

– Untersuchung des anwendungsspezifischen Miniaturisierungspotenzials

AMR-Streifen GMR-Schichtstapel TMR-Schichtstapel

Pinned Layer

Spacer Free Layer

NiFe

Pinned Layer

Antiferromagnet

Free Layer Cu

CoFe

NiFe

PtMn

MnO Barrier Layer

Pinned Layer

Antiferromagnet

Free Layer

Quelle: Sensitec

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Technologien II

Self-X-Sensorelektronik: generische, rekonfigurierbare Sensorelektronik

– Verbesserte Flexibilität als auch

Eigenüberwachung und -korrektur

– Einbindung existierender Module bzw.

Schaltkreise in den MoSeS-Baukasten

als unterste Hardware-Schicht der

Informationsverarbeitungsarchitektur

– Erweiterung der digitalen DSP/FPGA-

Funktionalität um analoge Funktionalität

mit rekonfigurierbaren Bausteinen

(Field-Programmable-Analog-Arrays, FPAA)

Demonstration der Modularität und Offenheit durch Einbindung weiterer

Sensorprinzipien (Vibration/Akustik, VIS/IR-Kameras, Druck, Ölqualität)

Quelle: ISE, TU-KL

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Technologien III

Soft-Sensor Zustandsüberwachung elektrischer Maschinen

– Direct Flux Control (DFC) Verfahren ermöglicht Zustandsüberwachung ohne

separate Sensoren bzw. mit lediglich einem schnellen Stromsensor

– Überwachung von magnetischem Gesamtflussvektor, Rotorlage, Strömen und

Drehmomenten sowie mechanischer Exzentrizität in Echtzeit

Basis für Regelungsvorgänge und Selbstdiagnose

– Multisensorfunktion erfordert

lediglich Strom- und

Spannungsmessung

nach Digitalisierung modell-

basierte Datenverarbeitung im

DSP/FPGA-Modul

AG

Antriebs-

technik

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Technologien IV

Condition Monitoring mit statistischer Datenanalyse

– Potenzial einer systemübergreifenden Sensorsignalauswertung für

Hydraulikanlage demonstriert

– Verfahren nur gestützt auf vorhandene Prozessdaten (Druck, Temperatur,

Durchfluss, Antriebsleistung, Ventilposition, …)

– Kompensation von

Sensorausfällen möglich,

ohne Zustandsüberwachung

zu verschlechtern

größere Robustheit der

Gesamtanlage, höhere

Kundenakzeptanz

– Im Projekt Erweiterung auf

Sensorsignale mit deutlich

größerer Bandbreite

sensornahe Signalvor-

verarbeitung notwendig

AG Mess-

technik

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Technologien V

Drahtlose Kommunikation/Energy Harvesting Technologien

– Hohe Flexibilität gefordert

drahtlose Echtzeit-Datenübertragung ergänzend zu leitungsgebundenen

Signalübertragung (voraussichtlich IO-Link wireless)

Realisierung einer autarken Energieversorgung

– Sichere Datenübertragung

(Safety und Security)

– Referenz: Self-Sustaining

Wireless Sensor (Überwachung

von Kühlmedien im Stahlwerk)

(Qu

elle

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: IO

-Lin

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Technologien VI

DSP/FPGA-basierte Elektronikmodule

– Leistungsfähige Signalerfassung, -vorverarbeitung und Merkmalsextraktion

nah am Sensor, insbesondere für periodische Signale

Bindeglied zwischen Sensor und Prozess

– Modularität im Hinblick auf Signale, Datenraten und Schnittstelle

– Anschließend Überführung der Elektronikdemonstratoren in Serienprodukte

Quelle: Canway Technology

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Self-X-Sensorelektronik: Umsetzungskette

Self-sensing Antriebstechnik: Kernpartner

Condition Monitoring: Umsetzungskette

Projektkonsortium: Schnittstellen und Untergruppen

AG Antriebstechnik

+ X?

AG Messtechnik

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Übersicht über die geplanten Arbeiten, Meilensteine

1. Meilenstein (Monat 6): MoSeS Baukasten und Schnittstellen definiert

2. Meilenstein (Monat 15): erste Generation Sensor-, Elektronik- und Softwaremodule

3. Meilenstein (Monat 27): zweite Generation Sensor-, Elektronik- und Softwaremodule,

erste Generation der integrierten Sensorsysteme

4. Meilenstein (Monat 36): Laborerprobung & prozessnahe Demonstrationen abgeschlossen

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Methodik: Definition applikationsspez. Messketten

Messgröße Messdaten

Antrieb

Last

Spindel

Umgebung

Beispiel: Applikation Festo

Prüfstandsspezifische

Sensorik (hellgrau)

Angestrebte Sensorik

(blau)

Optionale Sensorik

(dunkelgrau)

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Beispiel: Applikation Festo

Methodik: Ableitung Messgrößen und Datenraten

Temperaturen

(3-5x)

IR-Emission

(2-3x)

Vibration (7x)

Magnetfeld (1x)

Ultraschall (1x)

Motorströme (3x)

Encodersignale (2x)

(Weg/Winkel)

~1 Hz

~ 100 Hz

~ 50 kHz

~ 500 kHz

~ x MHz

fs

< 500 S/s <100 kS/s < 5 MS/s

Rohdate

naufk

om

men

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Projekt MoSeS-Pro Modulare Sensorsysteme für Echtzeit-

Prozesssteuerung und smarte

Zustandsbewertung

Koordination:

Prof. Dr. Andreas Schütze, ZeMA, AG Messtechnik

Kontakt: [email protected]

http://www.moses-pro.de