- IT&Production - https://www.it-production.com -

Batterieloser Funk für Industrie und Produktion

Batterieloser Funk für Industrie und Produktion

Batterielose Funklösungen auf Basis von Energy Harvesting lassen sich unter anderem bei der Steuerung und Überwachung großer Industrieanlagen genauso einsetzen wie in der Serienfertigung. Der große Vorteil der Technologie besteht in der Reduktion von Wartungs- und Verkabelungsaufwand.

Bild: SEMD

Mithilfe von Energy Harvesting lassen sich ungenutzte Energiequellen in der Umgebung erschließen, um zum Beispiel Funksensoren oder -schalter batterielos mit Strom zu versorgen. Wie der Begriff ‚Harvesting‘ schon sagt, ‚ernten‘ dabei so genannte Energiewandler kleine Mengen Energie und wandeln diese in nutzbaren Strom um. Die dazu benötigte Energie findet sich quasi überall – in der Bewegung von Türen und Fenstern, der Vibration von Motoren, dem Betätigen von Schaltern, in Licht, Druck oder auch Wärme.

Auch Industrie und Produktion machen sich dieses Prinzip deshalb immer häufiger zunutze. Insbesondere bei der Steuerung und Überwachung großer Industrieanlagen kommen zunehmend batterielose Funklösungen zum Einsatz, die einen effizienten und reibungslosen Betrieb unterstützen. Im Gegensatz zu verdrahteten oder batteriebetriebenen Geräten lassen sich Anlagen, Gebäude und Systeme mithilfe von Energy Harvesting-Funklösungen einfacher und flexibler vernetzen: Sie arbeiten ohne Kabel oder Batterien und sind in dieser Hinsicht wartungsfrei.

Die Einsatzmöglichkeiten reichen dabei von Fenster- oder Türsensoren, über Industrieschalter und Funk-Positionsschalter bis hin zu Funktransmittern für Zugangsdaten. Für den Einsatz in Industrie und Produktion eignen sich vor allem Lösungen mit einem mechanischen Energiewandler, der aus einem Tastendruck genug Energie erzeugt, um ein Funksignal zu senden.

Energiewandler für Industrieanwendungen

Ein mechanischer Energiewandler setzt Bewegung in elektrische Energie um und stellt diese unmittelbar für das Senden eines Funksignals zur Verfügung. Um möglichst vielseitig einsetzbar zu sein, benötigt der Energiewandler bestimmte Eigenschaften. Zunächst spielen eine kleine Bauform, niedrige Kosten und eine hohe Lebensdauer eine wichtige Rolle. Zudem sollte er einen guten Wirkungsgrad haben, um Bewegungen sowie kleine Kräfte effizient zu nutzen und dabei gleichzeitig möglichst keine Energie zu verschwenden. Mit dem ECO 200 hat Enocean aktuell die dritte Generation ihrer mechanischen Energiewandler für batterielose Funkschalter als Serienprodukt auf den Markt gebracht, die diese unterschiedlichen Forderungen vereinbart.

Ein kleiner, aber sehr starker Magnet treibt einen magnetischen Fluss durch zwei magnetisch leitende Ankerbleche. Dieser schließt sich in einem U-förmigen Kern, um den eine Induktionsspule gewickelt ist. Der durch die Spule führende U-förmige Kern ist beweglich und kann zwei Positionen einnehmen, in denen er die jeweils gegenüberliegenden Ankerbleche berührt. Dabei ist der magnetische Fluss im U-Kern in jeder Endstellung entgegengesetzt. Diese Konstruktion liefert eine maximale magnetische Flussänderung durch die Spule mit einer minimalen Bewegung des Kerns – und damit eine hohe Effizienz. Die Energieabgabe ist dabei unabhängig von der Geschwindigkeit der Betätigung. Dafür sorgt ein mechanischer Energiespeicher in Form einer Blattfeder. Sobald der Federmechanismus einen Umschlagpunkt erreicht, wird der Magnetfluss durch eine Spule schlagartig umgepolt.

Jede Betätigung liefert somit einen kleinen elektrischen Impuls, der sofort für den kurzzeitigen Betrieb elektronischer Schaltungen genutzt werden kann. Die Anzahl der Schaltzyklen, die der Wandler bietet, hängt von der Präzision der Anregung ab. Bei den maximal erlaubten Schaltwegen von 1,2 Millimetern sind weitaus mehr als 300.000 Schaltzyklen möglich. Mit kleineren Schaltwegen und unter optimalen Bedingungen lassen sich sogar mehr als eine Million Schaltzyklen umsetzen. Damit lässt sich ein Schalter über mehr als 25 Jahre täglich 100-mal betätigen.

In Kombination mit dem Funksendemodul PTM 330 entsteht ein Komplettsystem, das alle Komponenten und Funktionen des batterielosen Funks umfasst und sich damit insbesondere für Industrieanwendungen wie batterielose Handsender, Ventilsteuerungen oder Funk-Positionsschalter eignet. Über Federkontakte lässt sich der Sender lötfrei mit dem Harvesting-Modul verbinden und in passende Plastikgehäuse einrasten. Damit bildet das Paar die Basis, auf der Entwickler allein mit mechanischem Wissen schnell und einfach individuelle, energieautarke Schaltlösungen umsetzen können.

Aufbau einer Energy-Harvesting-Lösung am Beispiel des ECO 200:
1 = Klammer, 2 = Blattfeder, 3 = Ankerblech, 4 = Spule, 5 = Magnet,
6 = U-Kern, 7 = Spulenkörper
(Bild: Enocean)

Reduktion von Wartungs- und Verkabelungsaufwand

Die Systemkombination befindet sich bereits bei zahlreichen Produkten im Einsatz. So hat beispielsweise die Rottendorfer Firma Semd für die Automobilproduktion eine Lösung für eine verdrahtungsfreie Kabelbaumprüfung entwickelt. Anstatt herkömmlicher Verkabelungstechnik nutzt das Unternehmen batterielose Funksensoren und hat für seine Kabelbaum-Lösung das Harvesting-Komplettsystem in kleine Funkschalter integriert.

Die Schalterbetätigung erzeugt dabei genug Energie, um die Position der Anbauelemente im Kabelbaum an das Qualitätssicherungssystem zu senden. Das vereinfacht den Prüfprozess erheblich und sorgt gleichzeitig für eine wesentliche Reduktion der klassischen Verkabelung. Neben der Produktionszeit lassen sich so auch die Produktionskosten bei der Kabelherstellung um 35 bis 48 Prozent verringern. Ein weiterer Vorteil: Das im Netzwerk integrierte System lässt sich per PC steuern und überwachen. Zudem hat der Anbieter mit den gleichen energieautarken Elementen einen kleinen, batterielosen Handsender entwickelt, mit dem sich beispielsweise Tore steuern lassen.

Ein weiteres Einsatzgebiet der batterielosen Funktechnologie ist die Überwachung und Steuerung großer Industrieanlagen. Hier erfassen die Sensoren beispielsweise bei der Zustandsüberwachung von Maschinen Daten zu Verbrauch, Verschleiß oder nötigen Wartungsintervallen und melden Abweichungen oder Unregelmäßigkeiten. Die Lösungen lassen sich unabhängig vom zugrundeliegenden Material an nahezu beliebiger Stelle anbringen und auch wieder versetzen, beispielsweise an beweglichen Maschinenteilen. Dadurch erhalten Anlagenbetreiber zuverlässige Werte, um etwa Produktionsausfällen vorbeugen zu können. Darüber hinaus eignet sich die energieautarke Technik zur Entriegelung von Toren, Kontrolle von Schranken und Überwachung von Kühlketten oder dem Zustand von Containertüren während des Transports.

Interoperabler Funkstandard

Alle Produkte auf Basis der batterielosen Funktechnologie nutzen den von Enocean mitentwickelten, internationalen Funkstandard ISO/IEC 14543-3-10. Er ist speziell für Anwendungen mit Energy Harvesting ausgelegt. Über dieses offene Kommunikationsprotokoll können Anlagenbetreiber die Sensoren und Schalter mit Industriesteuerungen und Empfängern verschiedener Anbieter kombinieren. Inzwischen haben mehr als 300 Unternehmen weltweit über 1.000 interoperable Produkte auf Basis des batterielosen Funks auf den Markt gebracht. Dadurch erschließen sich auch immer weitere Anwendungsfelder für diese Technologie in Gebäuden, Transport oder Industrie. Als Plattform für den Austausch zwischen Produktanbietern und Systemplanern dient die Enocean Alliance. Die Organisation hat sich das Ziel gesetzt, die batterielose Funktechnologie für die Anforderungen internationaler Märkte zu erschließen und die Interoperabilität von OEM-Produkten sicherzustellen.

 

Stichwort: Energy Harvesting

(Bild: Enocean)

Energieautarke Schalter und Sensoren mit batterieloser Funktechnologie wie der hier zusammen mit dem Funksendemodul PTM 330 abgebildete ECO 200 beziehen den benötigten Strom zum Senden von Informationen über miniaturisierte Energiewandler wie Bewegungs- und Thermowandler oder miniaturisierte Solarzellen. Mithilfe dieser Technologie können die Module aus der Umgebung, also aus einem Tastendruck, Licht oder auch Wärme, kleinste Energiemengen gewinnen und für die Funkkommunikation nutzen. Zusammen mit besonders effizient arbeitender Elektronik und einem Funksignal mit kurzen Datentelegrammen entstehen so Automations-Lösungen, die allein mit Umgebungsenergie ohne Stromkabel oder Batterien und damit weitgehend wartungsfrei arbeiten.