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Die Erfindung betrifft ein modulares Sensormodul, insbesondere für die Ermittlung des Zustands eines Fertigungsprozesses.
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Im Rahmen der sogenannten Industrie 4.0 wird eine stärkere Verzahnung zwischen der Produktion von Erzeugnissen und Informationstechnologie erfolgen. Dazu werden Sensormodule benötigt, mit denen Sensordaten bezüglich der Zustände eines Fertigungsprozesses erfasst und zur Auswertung an eine Datenverarbeitungseinheit weitergeleitet werden können.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe ein kosteneffizientes und flexibles Sensormodul bereitzustellen, das insbesondere in Produktionsanlagen zur Ermittlung der Zustände eines Fertigungsprozesses verwendet werden kann.
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Die Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Sensormodul beschrieben, das eine Leiterplatte umfasst, auf der unterschiedliche elektronische Komponenten montiert und elektrisch leitend miteinander verbunden werden können. Die Leiterplatte weist bevorzugt eine Fläche von 100 mm2 oder weniger auf, so dass ein Sensormodul mit relativ kleinen Abmessungen bereitgestellt werden kann. Die ein oder mehreren elektronischen Komponenten (insbesondere ein oder mehrere Sensoren) des Sensormoduls können auf einer ersten Seite der Leiterplatte angeordnet sein. Andererseits können an einer gegenüberliegenden, zweiten Seite der Leiterplatte mehrere Kontaktelemente (z.B. Pins) zur Kontaktierung des Sensormoduls angeordnet sein. Über die Kontaktelemente kann z.B. elektrische Energie für den Betrieb des Sensormoduls bereitgestellt werden. Des Weiteren können über die Kontaktelemente Übertragungsdaten von dem Sensormodul an einen Empfänger (z.B. an einen Server zur Auswertung der Übertragungsdaten) gesendet werden.
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Das Sensormodul umfasst zumindest einen auf der Leiterplatte angeordneten Sensor, der eingerichtet ist, Sensordaten bezüglich einer Messgröße zu erfassen. Der zumindest eine Sensor kann umfassen: einen Beschleunigungssensor, insbesondere einen Drei-Achsen-Beschleunigungssensor; einen Temperatursensor; einen Stromsensor; einen Drehzahlsensor; einen Füllstandsensor; einen Drucksensor; und/oder einen Luftfeuchtigkeitssensor.
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Außerdem umfasst das Sensormodul eine auf der Leiterplatte angeordnete Kommunikationseinheit, die eingerichtet ist, von den Sensordaten abhängige und/oder abgeleitete Übertragungsdaten an einen Empfänger außerhalb des Sensormoduls zu senden. Die Kommunikationseinheit kann dabei einen Transceiver für ein Bussystem, insbesondere für ein LIN (Local Interconnect Network)-Bussystem, umfassen. Über das Bussystem kann ggf. auch elektrische Energie für den Betrieb des Sensormoduls bereitgestellt werden.
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Das Sensormodul umfasst weiter ein Gehäuse zur Aufnahme der Leiterplatte (mit den ein oder mehreren elektronischen Komponenten). Des Weiteren umfasst das Sensormodul ein oder mehrere Systembau-kompatible Fixierungselemente, die eingerichtet sind, das Sensormodul an einem Systembau-Element zu befestigen. Dabei umfasst der Systembau einen Baukasten mit einer Vielzahl von Systembau-Elementen, die in standardisierter Weise miteinander verbunden werden können, um z.B. eine Produktionsanlage (oder Teile davon) aufzubauen. Der Systembau kann dabei insbesondere einen ITEM, Bosch, Vario und/oder mk-group Baukasten umfassen.
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Durch die Bereitstellung eines (modularen) Sensormoduls mit Fixierungselementen, die eine Fixierung an einem Systembau-Element ermöglichen, wird eine effiziente Montage von Sensormodulen ermöglicht, insbesondere eine Fixierung an einer Produktionsanlage.
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Das Sensormodul kann eine Verarbeitungseinheit umfassen, die eingerichtet ist, die Sensordaten zu verarbeiten, um die Übertragungsdaten bereitzustellen. Durch die Verarbeitungseinheit kann eine Signalverarbeitung der Sensordaten erfolgen. So kann die Menge an Übertragungsdaten reduziert werden. Des Weiteren kann so der Verarbeitungsaufwand für einen Empfänger der (verarbeiteten) Sensordaten reduziert werden.
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Das Sensormodul kann eine Mehrzahl von Sensoren zur Erfassung von Sensordaten bezüglich einer entsprechenden Mehrzahl von Messgrößen umfassen. So kann ein einheitliches Sensormodul bereitgestellt werden, das (ggf. durch Parametrierung) für unterschiedliche Anwendungsfälle und/oder zur Messung von unterschiedlichen Messgrößen genutzt werden kann. Durch die Bereitstellung eines einheitlichen Sensormoduls können die Stückzahlen eines zu produzierenden Sensormoduls erhöht und die Kosten eines Sensormoduls reduziert werden.
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Das Sensormodul kann einen RFID (Radio Frequency Identification)-Tag umfassen, der Konfigurationsdaten in Bezug auf das Sensormodul anzeigt. Beispielsweise kann der RFID-Tag anzeigen, welche ein oder mehreren elektronischen Komponenten auf der Leiterplatte zu integrieren sind. So kann eine flexible und kosteneffiziente Fertigung des Sensormoduls ermöglicht werden.
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Das Sensormodul kann ein NFC (Near Field Communiation)-Modul umfassen, das es einem Nutzer ermöglicht, Daten für eine Parametrierung und/oder Wartung des Sensormoduls mit dem Sensormodul auszutauschen. Durch die Bereitstellung eines Sensormoduls mit einem NFC-Modul wird eine effiziente Parametrierung und/oder Wartung des Sensormoduls ermöglicht.
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Das Sensormodul kann eine Speichereinheit zur Speicherung von Sensordaten umfassen. Mittels einer Speichereinheit können z.B. eine Zwischenspeicherung von Sensordaten bzw. Übertragungsdaten und/oder eine gebündelte Übertragung von Übertragungsdaten ermöglicht werden, was wiederum eine Reduzierung des Energieverbrauchs des Speichermoduls ermöglicht.
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Das Sensormodul kann einen Spannungswandler umfassen, der eingerichtet ist, elektrische Energie zum Betrieb des Sensormoduls bereitzustellen. Die elektrische Energie kann dabei ggf. in effizienter Weise über ein Bussystem zur Übertragung der Übertragungsdaten bezogen werden.
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Des Weiteren kann das Sensormodul einen auf dem Gehäuse angeordneten maschinenlesbaren Code, insbesondere einen QR-Code, umfassen, der einen Link zu Dokumentation in Bezug auf das Sensormodul anzeigt. So werden auch im Betrieb des Sensormoduls eine effiziente Wartung und Verwendung des Sensormoduls ermöglicht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein System beschrieben (z.B. eine Produktionsanlage), das das in diesem Dokument beschriebene Sensormodul zur Ermittlung von Information in Bezug auf einen Zustand des Systems umfasst.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1a eine erste Seite einer Leiterplatte des Sensormoduls;
- 1b eine gegenüberliegende, zweite Seite der Leiterplatte des Sensormoduls; und
- 2 ein an einem Systembau-Element befestigtes Sensormodul.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Bereitstellung eines Sensormoduls für die Überwachung eines Fertigungsprozesses. Im Zuge der Industrie 4.0 soll die Produktion mit moderner Informations- und Kommunikationstechnik verzahnt werden. Die technische Grundlage sollen dabei sogenannte cyber-physische und intelligente, technische Systeme bilden. Derartige System erfordern intelligente Sensoren, die in der Lage sind, nicht nur einer eigentlichen Messaufgabe nachzukommen, sondern auch im gleichen Gehäuse eine Signalverarbeitung von Sensordaten durchzuführen (sogenannte „Smart Sensoren“). Solche Sensoren können eine digitale Kommunikationsschnittstelle (z.B. Modbus, CAN, CANopen, LIN, Profinet, Profibus, IO-Link, Ethernet und/oder integrierter Mobilfunk) zur Kommunikation mit übergeordneten Systemen aufweisen. Zu sogenannten Smart Connected Sensoren (SCS) gehört typischerweise eine spezielle (Cloud-) Serviceplattform, an die der Sensor Übertragungsdaten weitergeben kann, ohne dass zusätzliches Engineering erforderlich wird. In der Cloud kann ein virtuelles Datenabbild des Sensors geschaffen und mit aktuellen Daten des Sensors versorgt werden. So lassen sich wertvolle Zusatzfunktionen realisieren, zum Beispiel der Abgleich des von einem Sensor angezeigten Messwertes einer Messgröße mit einer IT-Datenbank, um den Messwert in einen Anwendungskontext zu setzen und bei Bedarf einen Alarm oder eine Benachrichtigung zu verschicken. Dabei können die SCS einer Maschine nur bei Bedarf mit den verarbeiteten Daten aus der Cloud belastet werden.
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Prozessdaten sind analoge oder digitale Werte, die aus einem technischen Prozess mittels solcher Sensoren gewonnen werden können und die den aktuellen Zustand des Prozesses repräsentieren (z.B. Temperatur, Feuchtigkeit, Vibrationen). Anhand der Prozessdaten (d.h. der Übertragungsdaten) von ein oder mehreren Sensoren kann eine Prozessüberwachung erfolgen. Zur Prozessüberwachung gehören die vorbeugende Schadensvermeidung, die Instandhaltung und die Sicherstellung eines einwandfreien Betriebes („Condition Monitoring“).
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Es können mehrere verschiedene Prozessüberwachungssensoren (Beschleunigungssensoren, Temperatursensoren, Feuchtigkeitssensoren, etc.) zusammen in einem SCS-Sensormodul 100 zusammengefasst werden (siehe 1a). Das Sensormodul 100 kann dann Prozessdaten (in diesem Dokument auch als Übertragungsdaten bezeichnet) an eine Cloud zur Auswertung übertragen. Dabei kann je nach Messaufgabe der jeweilige On-Board Sensor 107, 108, 109 des Sensormoduls 100 angesprochen werden, d.h. das Sensormodul 100 kann mittels Parameteränderung (ohne Hardwareänderung) universell für verschiedene Messzwecke verwendet werden. Es können somit unterschiedliche Sensorfunktionen in einem Gehäuse 200 (siehe 2) kompakt vereinigt werden (z.B. mittels SMD (surface mounted device) Bauweise).
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Das Sensormodul 100 kann darüber hinaus analoge und digitale Eingänge 120 zur Aufnahme von Signalen externer Messwertaufnehmer aufweisen. Die Kommunikation mit anderen Geräten (SPS, etc.) kann über ein oder mehrere standardisierte Schnittstellen bzw. Kommunikationseinheiten 102 herstellerunabhängig ermöglicht werden.
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Ggf. kann exakt eine Variante eines Sensormoduls 100 bereitgestellt werden, die alle möglichen (Sensor-)Funktionen abdeckt. So können eine geringe Produktionskomplexität und eine daraus resultierende Senkung der Stückkosten erreicht werden. Es kann somit eine Integralbauweise mehrerer Sensoren 107, 108, 109 auf einem Modul 100 erfolgen.
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Aufgrund der vereinheitlichten elektronischen Hardwarekomponenten kann individuell für unterschiedliche Anwendungszwecke ein Gehäuse 200 gestaltet werden (z.B. ein Gehäuse 200 zur Integration in einen Profilbaukasten, insbesondere dem Baukasten der Firma Item). Dies ist aufgrund einer vereinheitlichen Hardware des Sensormoduls 100 auch bei relativ kleinen Stückzahlen wirtschaftlich.
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Durch einen in dem Sensormodul 100 integrierten RFID-Speicher 103 kann es im Rahmen der Produktion des Sensormoduls 100 ermöglicht werden, dass das Sensormodul 100 den Herstellungsvorgang des Sensormoduls 100 selbst vorgibt. So können Produktionskosten weiter gesenkt werden.
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Das Sensormodul 100 lässt sich somit insbesondere aufgrund von standardisierter Hardware und einem individuell gestaltbaren Außengehäuse 200 günstig produzieren und insbesondere aufgrund unterschiedlicher integrierter Sensoren 107, 108, 109 an unterschiedliche Anwendungsfälle anpassen. Durch die Bereitstellung einer Verarbeitungseinheit 101 (insbesondere eines Prozessors) mit relativ hoher On-Board Rechenleistung können die Sensordaten vor der Übermittlung an die Cloud bearbeitet werden. Dies ermöglicht z.B. eine Fourier-Transformation oder eine ähnliche Signalverarbeitung auf dem Sensormodul 100, so dass Cloud-Server entlastet werden.
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Das Sensormodul 100 umfasst z.B. ein Gehäuse 200 und eine Leiterplatte 110 mit elektronischen Hardware-Komponenten 101-109. Das Gehäuse 200 kann additiv, zerspanend oder per Vakuumguss hergestellt werden. Letzteres Verfahren bietet den Vorteil, dass bei vollständig eingegossener Elektronik eine Abschirmung von der Umwelt erreicht wird. Bei den anderen beiden genannten Verfahren werden typischerweise jeweils zunächst Gehäusehälften hergestellt, die anschließend zusammengefügt, insbesondere geklebt, werden.
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Durch Konzentration sämtlicher elektronischer Komponenten 101-109 auf einer Leiterkarte 110 (z.B. mit einer Fläche von 10×10mm) ist eine von der mechanischen Gesamtkonzeption unabhängige Sensor-Lösung gegeben. Durch einen geringen Bauraum, z.B. von 10 × 10 × 3 mm, kann das Modul 100 vielfältig eingesetzt werden. Es ist zum Beispiel möglich, das Modul 100 in einen Klemmkasten eines Elektromotors, an Führungen oder Achsen von Werkzeugmaschinen , an den Handlings von Industrierobotern, an Produktionsvorrichtungen, an Rollbahnen in der Fördertechnik, an Hebestationen in der Fördertechnik, an unterschiedlichen Industrieanlagen, an Flurförder-Fahrzeugen, an Transportmitteln, an Kraftfahrzeugen, an landwirtschaftlichen Geräten, an industrieller Verfahrenstechnik, an allgemeiner Produktionstechnik und/oder an militärischer Technik zu montieren.
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Durch den Verguss der Leiterplatte 110 und der Hardware-Komponenten 101-109 mit Epoxydharz bzw. Plastik in eine der jeweiligen Verwendung dienlichen Form bzw. Art kann das Modul 100 auch relativ hohen mechanischen Ansprüchen gerecht werden. Dies ermöglicht insbesondere den Einsatz des Sensormoduls 100 in Anlagen aus Systembau-Profilen 210 (Baukasten Produkte) wie z.B. ITEM, Bosch, Vario und/oder Produkte der mk-group. Durch das Herstellen eines Gehäuses 200 in einer Form, die der Verwendung mit einem Baukastensystem dienlich ist, kann das Sensormodul 100 nahtlos in bestehende Anlagen, Systeme, Bauwerke und/oder Maschinen integriert werden.
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Beispielsweise kann das Sensormodul 100, wie in 2 dargestellt, ein oder mehrere Fixierungselemente 201 (z.B. Bolzen und/oder Schrauben) umfassen, die an dem Gehäuse 200 des Sensormoduls 100 fixiert sind. Die Fixierungselemente 201 können an einem Systembau-Element 210 befestigt werden. Beispielsweise kann das Systembau-Element 210 eine Nut 212 aufweisen. Ein Fixierungselement 201 kann dann mittels eines Nutsteins 211 an dem Systembau-Element 210 fixiert werden.
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Das Sensormodul 100 kann insbesondere folgende elektronischen Komponenten 101-109 aufweisen:
- • eine Speichereinheit 105, z.B. einen EEPROM-Speicher mit 32 kByte Flash-Speicher und/oder 1kB OTP-Speicher;
- • eine Verarbeitungseinheit 101, z.B. einen Mikrocontroller etwa 32 Bit ARM Cortex 2kB RAM, 32kB Flash, Echtzeituhr, CRC Hardware;
- • einen Spannungswandler 106, z.B. zur Wandlung einer Spannung 5,5V bzw. 28V aus einer Busleitung auf eine 3.3 V Systemspannung zur Versorgung der Komponenten 101-109 des Sensormoduls 100;
- • ein oder mehrere Sensoren 107, 108, 109, z.B. einen Drei-Achsen-Beschleunigungssensor für Vibration; einen Temperatursensor; einen non-intrusiven Stromsensor; einen Hall-Effekt Drehzahl-Sensor; einen kapazitiven Füllstandsensor; einen Luftfeuchte- und/oder Druck-Sensor; und/oder Sensorik zur Erfassung von weiteren Umweltgrößen und/oder physikalischen Größen;
- • einen RFID-Tag 103 für eine intelligente Fertigung und/oder für eine Parametrierung im Feld bzw. im Vorfeld;
- • eine NFC Bridge 104; dabei können z.B. Daten mit einem Smartphone ausgelesen werden. Außerdem ermöglicht die NFC-Bridge 104 eine Leistungsversorgung (z.B. für eine Parametrisierung oder Wartung ohne angestecktes Kabel);
- • einen QR-Code auf dem Gehäuse 200, um einem Nutzer via Smartphone im Feld einen Zugang zu relevanten Dokumenten zu ermöglichen (Stichwort „Computer Vision Ready“);
- • einen LIN-Bus Transreceiver 102 zur Kommunikation mit einem an die Cloud angebundenen IPC (Industrie-PC).
- • mehrere Kontaktteile 120 zur Kontaktierung des Sensormoduls 100 mit der Umgebung, z.B. mit der Cloud.
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Das in diesem Dokument beschriebene Sensormodul 100 ermöglicht eine Vielzahl von Vorteilen: das Sensormodul 100 stellt eine standardisierte, herstellerunabhängige Schnittstelle zur Kommunikation zur Verfügung; das Sensormodul 100 ermöglicht einen flexiblen Einsatz für unterschiedliche Messaufgaben mit einem einzigen Sensormodul 100; das Sensormodul 100 stellt Industriestandard-Anschlüsse und eine entsprechende Belegung bereit; eine kompakte Bauform der Elektronik ermöglicht eine flexible Gehäusegestaltung; durch eine Integration in Systembau können Montagekosten reduziert werden; durch eine „Vorfeld“ Parametrierung via Smartphone können Integrationskosten reduziert werden; eine NFC-Data Bridge 104 ermöglicht in Verbindung mit einem Speicher 105 Langzeitmessungen mit einem anschließenden Download via Smartphone im Feld; eine modulare Bauweise ermöglicht eine wirtschaftliche Fertigung von relativ kleinen Serien; die modulare Bauform ermöglicht das Produzieren, Testen und Lagern der Elektronik unabhängig von der eigentlichen Anwendung (so wird eine relativ große Chargen Produktion ermöglicht); die Wartung, Instandhaltung oder Reparatur eines Sensormoduls 100 kann mit dem Smartphone im Feld erfolgen; eine „Vorfeld Parametrierung“ eines Sensormoduls 100 kann im Montagebereich oder in der Werkstatt mit einem Smartphone erfolgen; das Sensormodul 100 kann ggf. mit nur einem Kabel angeschlossen werden; zur Datenübertragung in die Cloud können ggf. nur effektive Nutzdaten (d.h. Übertragungsdaten) übertragen werden, da bereits eine Analyse der Sensordaten auf dem Sensormodul 100 erfolgen kann; das Sensormodul 100 wird bevorzugt kabelgebunden verbunden, um das kabellose Datenvolumen in der Umgebung des Sensormoduls 100 nicht einzuschränken; das Sensormodul 100 kann eingerichtet sein, die Übertragungsdaten deterministisch oder gepuffert an eine Zwischenstation zur Cloud zu übermitteln (insbesondere bei einer gepufferten Übertragung kann der Stromverbrauch substantiell reduziert werden); durch ein robustes Gehäuse 200 wird ein langlebiger und sicherer Betrieb im Feld ermöglicht; und/oder bei Ausfall ist das Sensormodul 100 durch eine einfache Montage/Demontage an einem Systembau-Element 210 schnell ersetzbar bzw. erneuerbar.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
