Sensorlos sensibel – Saarbrücker Ingenieure bringen dem Motor das Fühlen bei

Intelligente Motoren, die ganz ohne Sensoren selbst wissen, ob sie noch rundlaufen, die sich effizient ansteuern lassen und sich mit anderen Antrieben abstimmen: Matthias Nienhaus und sein Team von der Universität des Saarlandes machen den Motor selbst zum Sensor. Allein mit Motordaten, die während des normalen Betriebs anfallen, berechnen die Forscher, was sonst die Sensoren messen. Und sie bringen dem Antrieb bei, dieses Wissen zu nutzen. Mit Projektpartnern erforschen und testen sie dafür derzeit verschiedene Verfahren. Ziel ist, die Produktion kostengünstiger und flexibler zu machen, und Maschinen permanent auf Störungen oder Verschleiß hin zu überwachen.

Auf der Hannover Messe zeigen die Forscher ihre Arbeiten vom 25. bis 29. April am saarländischen Forschungsstand (Halle 2, Stand B 46).

Sensoren sind heute allgegenwärtig. Im Auto etwa stecken Dutzende der winzigen künstlichen Sinnesorgane, die warnen, wenn ihnen etwas zu nah kommt, Kühlwasser zu heiß oder der Tank zu leer ist. Aber die empfindlichen Minifühler können auch defekt sein und ihren Dienst versagen – dann kann der Wagen schon mal am Straßenrand stehen bleiben. Was fürs Auto gilt, trifft auch für Maschinen und Anlagen aller Art zu – dort kann ein schadhafter Sensor zu Produktionsausfällen und Verlustgeschäft führen.

An einer neuen Art Sensor, die ganz ohne Sensoren auskommt, forscht der Antriebstechniker Professor Matthias Nienhaus von der Saar-Uni. „Wir entwickeln eine wichtige neue Sensorkategorie: den Motor selbst“, sagt er. Der Vorteil: Die Ingenieure greifen Messdaten ab, die im normalen Betrieb sowieso anfallen. „Das macht das Verfahren sehr kostengünstig, weil keine weiteren Sensoren eingebaut werden müssen. Wir erforschen, wie wir aus dem Motor elegant Daten herausziehen, die wir für die Ansteuerung und Prozessüberwachung nutzen. Hierzu entwickeln wir mit Partnern auch das Design von Kleinantrieben weiter und bauen Motoren so, dass sie uns möglichst viel Informationen liefern“, erklärt Nienhaus. Sein Spezialgebiet sind Miniatur-Systeme und elektromagnetische Klein- und Mikroantriebe mit einer Leistung von 0,1 bis zu einigen hundert Watt.

Wie ein Arzt aus Blutwerten Rückschlüsse auf den Gesundheitszustand eines Patienten zieht, lesen Nienhaus und sein Team aus den Motordaten, wie es um den Motor steht. „Wir ermitteln hierzu, welcher Motorzustand mit welchen Messwerten zusammenhängt, welcher Messwert sich wie verändert, wenn nicht mehr alles rund läuft“, erläutert er. Gerade auch die Signale des normalen Betriebs sind für die Forscher aufschlussreich: Desto mehr Daten sie über den Motor kennen, umso effizienter können sie ihn ansteuern. Die Forscher identifizie¬ren aus der Datenmasse die Signalmuster, die hierfür aussagekräftig sind, oder bei bestimmten Veränderungen auftreten, etwa bei Fehlern oder Verschleiß. Für die verschiedenen Zustände des Motors wie auch Fehler- und Verschleißgrade entwickeln sie mathematische Modelle.

Mit diesen Ergebnissen füttern sie einen Microcontroller, das Gehirn des Systems, in dem die Daten ausgewertet werden: Verändern sich die Signale, kann der Controller sie einer bestimmten Fehlfunktion zuordnen und dann auch entsprechend reagieren. Über ein Netzbetriebssystem können die so sensibilisierten Motoren auch zusammen im Verbund agieren, was neue Möglichkeiten für Wartung, Qualitätssicherung und Produktion eröffnet: Denkbar wäre etwa, dass ein anderer Motor automatisch übernimmt, wenn einer ausfällt.

Um die Daten aus dem Motor zu lesen, betrachten Nienhaus und sein Team, wie genau im Motor die Stärke des magnetischen Feldes verteilt ist. Fließt etwa bei einem Kleinantrieb Strom durch die Spulen, die um sich drehende Permanentmagneten angeordnet sind, wird ein spezifisches elektromagnetisches Feld erzeugt. Die Forscher erfassen, wie sich dieses magnetische Feld verändert, wenn der Motor sich dreht. Anhand dieser Daten können sie sowohl die Lage des Rotors berechnen, als auch weitere Schlüsse ziehen, mit denen der Motor sehr effizient angesteuert oder Fehler erkannt werden können.

Im Rahmen des Projektes „Modulare Sensorsysteme für Echtzeit-Prozesssteuerung und smarte Zustandsbewertung“ (MoSeS-Pro: s.u. Hintergrund), an dem unter anderem Firmen wie Bosch, Festo, Sensitec, Pollmeier, CANWAY sowie Lenord, Bauer & Co. beteiligt sind, testet Nienhaus derzeit verschiedene Verfahren daraufhin, welche sich am besten eignen, um Daten aus dem Motor zu gewinnen. Hierbei ermitteln die Forscher auch, welcher Drehzahlbereich die besten Daten liefert oder welcher Motor sich am besten eignet. Das Bundesforschungsministerium fördert dieses Projekt.

Hintergrund:
Im Rahmen des Projektes „Modulare Sensorsysteme für Echtzeit-Prozesssteuerung und smarte Zustandsbewertung“ (MoSeS-Pro) forscht an der Universität des Saarlandes und am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik ZeMA in Saarbrücken die Arbeitsgruppe von Professor Matthias Nienhaus gemeinsam mit dem Team des Messtechnikers Professor Andreas Schütze, der das Gesamtprojekt Moses-Pro federführend koordiniert.
Ziel des Forschungsprojekts ist ein Baukasten aus Hard- und Software-Modulen: Dieser soll es erleichtern, Sensorsysteme für die Überwachung und Steuerung von Antrieben und Positionierungssystemen zu entwickeln, und so schnelle und präzise Fertigungsprozesse ermöglichen, deren Ablauf in Echtzeit überwacht und angepasst werden kann. Partner sind die Festo AG (Werk Rohrbach) und die Bosch Rexroth AG (Werk Homburg) als assoziierte Partner sowie die Firmenpartner Sensitec GmbH, Lenord, Bauer & Co. GmbH, ESR Dipl.-Ing. Pollmeier GmbH und CANWAY Technology GmbH. Als Forschungspartner sind neben dem ZeMA das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS und die TU Kaiserslautern, Lehrstuhl Integrierte Sensorsysteme eingebunden.
Das Bundesforschungsministerium fördert diese Forschung insgesamt mit 3,1 Millionen Euro in der Ausschreibung „Sensorbasierte Elektroniksysteme für Anwendungen für Industrie 4.0 (SElekt I4.0)“ über den Projektträger VDI/VDE-IT. Rund 540.000 Euro davon fließen an die Saar-Universität.

Weitere Informationen: www.uni-saarland.de

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