Smarte Sensoren

Die wichtigsten Messgrößen in der Lebensmittelindustrie sind Druck, Temperatur, Durchfluss und Füllstand. Die Anforderungen an diese Sensoren sind denen in der allgemeinen Prozessindustrie sehr ähnlich. Zusätzlich ist aber ein hygienisches Design in vielen Fällen unabdingbar. Auch die Möglichkeit, Sensoren in explosionsgefährdeten Bereichen einzusetzen, ist in manchen Anwendungen gefordert. Der Sensorikspezialist ifm electronic bietet hierfür die passenden Sensoren an. Dabei ist ein großer Teil des Lieferprogramms auch in hygienischer Ausführung für den Lebensmittelbereich erhältlich. Ein aktuelles Beispiel ist der Füllstandsensor LR, der mit einer geführten Mikrowelle arbeitet. Der Sensor, der am oberen Ende eines Behälters senkrecht montiert wird, sendet ein Mikrowellensignal aus, das sich entlang eines Sondenstabs nach unten ausbreitet. Trifft die Mikrowelle auf die Oberfläche des Mediums, wird sie zurück in Richtung des Sensors reflektiert. Aus der Laufzeit des Signals bestimmt der Sensor die Entfernung zur Oberfläche und damit den Füllstand im Behälter. Dieses Messprinzip vermeidet gleich zwei Schwierigkeiten, die bei der Füllstandmessung mit anderen Sensortypen auftreten können. Zum einen ist der Sensor unempfindlich gegenüber Anhaftungen an der Behälterwand oder am Sondenstab. Selbst bei pastösen Medien, breitet sich die Mikrowelle trotz Anhaftungen ungehindert entlang des Sondenstabs aus. Zum anderen stellen Flüssigkeiten, die an der Oberfläche Schaum bilden, die Füllstandmessung vor Probleme. Doch auch bei solchen Anwendungen kann der Füllstandsensor den Füllstand fehlerfrei bestimmen. Das durch Schaum beeinflusste Füllstandsignal wird durch den Sensor ausgewertet und der Abstand zur Oberfläche der Flüssigkeit sicher erkannt.

Bei der Variante für den Lebensmittelbereich besteht der Sondenstab aus V4A-Stahl. Auch die übrigen Teile des Sensors haben ein hygienisches Design und erfüllen die Anforderungen gemäß EHEDG. Der Anwender kann den Sondenstab sehr einfach wechseln und so den Messbereich anpassen. Der Hersteller bietet die Stäbe in verschiedenen Längen von 150 bis 2000 mm an. Bei Bedarf kann der Sondenstab aber auch vom Anwender auf die passende Länge gekürzt werden. Wie alle neuen Sensoren von ifm ist auch der Füllstandsensor LR mit IO-Link-Schnittstelle erhältlich.

Der Kommunikation kommt in Zeiten von Industrie 4.0 eine immer größere Bedeutung zu. Eine Kommunikation mit den Sensoren ist der erste Schritt, um eine durchgängige Kommunikation hinauf zur Unternehmensebene zu gewährleisten. Als Schnittstelle in der Sensorebene setzt der Messtechnikhersteller auf IO-Link. Dieses digitale Protokoll ergänzt bei allen neuen Sensoren die herkömmlichen analogen Schnittstellen wie 4…20 mA. Im Vergleich zu der analogen Übertragung von Messwerten kann der Messwert nicht durch Störungen auf der Leitung verfälscht werden. Zudem lassen sich auch verschiedene Messgrößen eines einzigen Sensors gleichzeitig übertragen (siehe Kasten) und bieten dem Anwender damit einen weiteren Mehrwert.

Auch bei Wartungs- und Reparaturaufgaben profitiert der Anwender von Sensoren mit IO-Link-Schnittstelle. Da sich die Sensoren über IO-Link konfigurieren lassen, kann beispielsweise bei einem Gerätetausch die Konfiguration direkt auf den neuen Sensor übertragen werden. Ein aufwendiges Einstellen des Sensors vor Ort kann so entfallen. Die Unterbrechung der Produktion ist dadurch sehr kurz. Über IO-Link kann der Anwender auch auf Selbstdiagnosedaten der Sensoren zugreifen. Ein fehlerhafter Sensor kann so schnell gefunden werden. Auch hierdurch steigt die Produktivität der Anlage.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der digitalen Kommunikation der Sensoren ist die Möglichkeit, Sensordaten zusätzlich für übergeordnete ERP-Systeme auf Unternehmensebene zu verwenden. ifm setzt für solche Aufgaben den sogenannten Linerecorder ein. Der Linerecorder Agent Connectivity Port ist beispielsweise ein Software-Gateway, das eine bidirektionale Kommunikation zwischen einer großen Anzahl unterschiedlicher Schnittstellen erlaubt. Damit ist eine Kommunikation zwischen ERP-Systemen auf der einen Seite und den Daten der Geräte aus der Feld-, Steuerungs- und Leitebene andererseits möglich. Der Linerecorder-Sensor ermöglicht die Erfassung und Übertragung sämtlicher Daten speziell für IO-Link-Sensoren. Die Daten können mit diesem System direkt in Richtung ERP-System übertragen werden, ohne dass die SPS in der Automatisierungslösung zusätzlich belastet wird. Diesen direkten Weg der Sensordaten unter Umgehung der Steuerungsebene bezeichnet der Sensorlieferant als Y-Kommunikation, da die Daten wie in den beiden Armen des Buchstabens Y einmal zur SPS gelangen und auf der anderen Seite direkt in die Unternehmensleitebene. Diese Lösung bietet Möglichkeiten, die mit herkömmlichen Sensoren mit analogen Schnittstellen kaum zu realisieren sind. Datenlogging, zustandsorientierte Wartung und Steigerung der Energieeffizienz sind nur einige davon.

Smarte Sensoren bieten in vielen Anwendungen in der Lebensmittelindustrie große Vorteile und tragen dazu bei, die Kosten zu senken. Auch wenn heute noch viele Automatisierungslösungen analoge Sensorsignale verarbeiten, nimmt die Verbreitung von Sensoren mit IO-Link-Schnittstelle stark zu. Der Mehrwert, den diese Sensoren auf verschiedenen Ebenen bieten, überzeugt immer mehr Anwender davon, auf die digitale Kommunikation zu setzen.

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Ein typisches Beispiel für einen Sensor, der dem Anwender einen Mehrwert bietet, ist der Temperatursensor TAD. Dieser ist mit zwei unterschiedlichen und unabhängig voneinander arbeitenden Sensorelementen ausgestattet. Dabei haben die beiden Sensorelemente – ein Pt1000 und ein NTC-Thermistor – eine entgegenläufige Temperaturcharakteristik. Ein in den Temperatursensor integrierter Mikroprozessor wertet die Signale der beiden Sensorelemente aus und überprüft den gemessenen Temperaturwert auf Plausibilität. Das Ergebnis der internen Driftüberwachung gibt der TAD an einem separaten Diagnoseausgang aus. Die beiden Temperaturmesswerte, der Differenzwert und der Diagnosewert können auch über IO-Link übertragen werden. Mit diesem Sensor kann die sonst vorgeschriebene regelmäßige Kalibrierung von Temperatursensoren entfallen. Gerade in der Lebensmittelindustrie, wo es bei einigen Prozessen auf eine exakte Einhaltung einer vorgegebenen Temperatur ankommt, lassen sich so Kosten für eine externe Kalibrierung einsparen.

Fachjournalist