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

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Text of Verbundprojekt MoSeS-Pro€¦ · Festo AG & Co. KG, Werk St. Ingbert (assoziiert) ......

  • Seite 1

    Verbundprojekt MoSeS-Pro

    Modulare Sensorsysteme für

    Echtzeit-Prozesssteuerung und

    smarte Zustandsbewertung

    http://www.moses-pro.de

    Quelle: Oliver Dietze

  • Seite 2

    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

  • Seite 3

    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)

  • Seite 4

    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

  • Seite 5

    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

  • Seite 6

    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

  • Seite 7

    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

  • Seite 8

    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

  • Seite 9

    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

  • Seite 10

    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

  • Seite 11

    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

  • Seite 12

    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

  • Seite 13

    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

    : F

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  • Seite 14

    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

  • Seite 15

    Self-X-Sensorelektronik: Umsetzungskette

    Self-sensing Antriebstechnik: Kernpartner

    Condition Monitoring: Umsetzungskette

    Projektkonsortium: Schnittstellen und Untergruppen

    AG Antriebstechnik

    + X?

    AG Messtechnik

  • Seite 16

    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

  • Seite 17

    Methodik: Definition applikationsspez. Messketten

    Messgröße Messdaten

    Antrieb

    Last

    Spindel

    Umgebung

    Beispiel: Applikation Festo

    Prüfstandsspezifische

    Sensorik (hellgrau)

    Angestrebte Sensorik

    (blau)

    Optionale Sensorik

    (dunkelgrau)

  • Seite 18

    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

  • Seite 19

    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