DE102023111575A1

DE102023111575A1 - System und Energieversorgungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102023111575A1
Application number: DE102023111575.8A
Authority: DE
Inventors: Halim Takhedmit
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2023-05-04
Filing date: 2023-05-04
Publication date: 2024-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (100) zur Erfassung von Sensordaten (370) an einer sich bewegenden Baugruppe einer Maschine oder einer Produktionsanlage, umfassend eine Energiegewinnungseinheit (200), eine Sensoreinheit (300), eine Kommunikationseinheit (400) und eine Datenverarbeitungseinrichtung (500); wobei die Energiegewinnungseinheit (200) eine Luftturbine (210) mit einer Drehwelle, einen elektrischen Generator (230) und ein Energiespeichermodul (250) umfasst und ausgebildet ist, die Sensoreinheit (300) mit Energie zu versorgen; wobei die Luftturbine (210) ausgebildet ist, durch die sich bewegende Baugruppe in Rotation versetzt zu werden und die Drehbewegung der Drehwelle auf den elektrischen Generator (230) zu übertragen; wobei der elektrische Generator (230) ausgebildet ist, die Rotationsenergie in elektrische Energie umzuwandeln und an das Energiespeichermodul (250) weiterzuleiten; wobei das Energiespeichermodul (250) ausgebildet ist, die elektrische Energie zu speichern und bei Bedarf an die Sensoreinheit (300) weiterzugeben; wobei die Sensoreinheit (300) Sensoren (350) umfasst und ausgebildet ist, Sensordaten (370) von Messparametern der sich bewegenden Baugruppe zu erfassen; und wobei die Kommunikationseinheit (400) ausgebildet ist, die Sensordaten (370) an die Datenverarbeitungseinrichtung (500) zur weiteren Verarbeitung weiterzuleiten.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Versorgung einer Verbrauchereinheit und ein Verfahren zur Erfassung von Sensordaten an einer sich bewegenden Baugruppe einer Maschine oder einer Produktionsanlage, eine Energieversorgungsvorrichtung, eine Walze und ein Computerprogrammprodukt.
Bewegliche Baugruppen einer Maschine oder einer Produktionsanlage, wie beispielsweise eine rotierende Walze, sind üblicherweise mit Sensoreinheiten versehen, um mittels der Erfassung von Sensorsignalen den Zustand der beweglichen Baugruppe bzw. der Maschine oder der Produktionsanlage und deren Umgebung zu überwachen. Eine solche Sensoreinheit umfasst zudem ein Kommunikationsmodul, um die erfassten Daten der Sensorsignale an eine Datenverarbeitungseinrichtung weiterzuleiten, in der die Sensordaten analysiert und ausgewertet werden.
Die Sensoreinheit muss allerdings für die Erfassung der Sensordaten mit Energieversorgt werden. Aufgrund der Bewegung der beweglichen Baugruppe der Maschine oder der Produktionsanlage ist jedoch eine drahtgebundene Energieversorgung nur schwierig zu realisieren bzw. häufig nicht möglich.
Es ist daher bekannt, thermoelektrische Materialien zu verwenden, die aufgrund des Seebeck-Effekts Wärme direkt in elektrische Energie umwandeln können. Wenn zwischen den beiden Enden eines solchen Materials ein Temperaturunterschied besteht, entsteht ein elektrisches Feld und Strom kann fließen. Allerdings ist die erzeugte Energiemenge gering, so dass die Anzahl der von der Sensoreinheit durchgeführten Messungen eingeschränkt ist und daher nur wenige Messdaten zur Verfügung stehen.
Des Weiteren ist es bekannt, eine Batterie zu verwenden. Auch wenn die Batterie beispielsweise während der Wartung der Maschine oder der Produktionsanlage aufgeladen werden kann, ist jedoch die zur Verfügung stehende Energiemenge begrenzt, so dass eine Überwachung eines Parameters der Maschine bzw. der Produktionsanlage häufig nur zu bestimmten Zeitpunkten und nicht permanent möglich ist.
Die WO 2019/029981 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur drahtlosen Energieversorgung einer Sensoreinheit, wobei die Sensoreinheit fest mit einer beweglichen Einheit einer Maschine verbunden ist. Die Vorrichtung umfasst eine Primäreinheit, die beabstandet von der beweglichen Einheit angeordnet ist, sowie zwei Sekundäreinheiten, die fest mit der beweglichen Einheit verbunden sind. Die Sekundäreinheiten sind parallel verschaltet, wobei eine elektrische Energie zur Energieversorgung der Sensoreinheit und der Sekundäreinheiten drahtlos von der Primäreinheit übertragbar ist. Zwar kann die Energieversorgung aufgrund der Anordnung der sekundären Einheiten beim Bewegen der beweglichen Einheit permanent erfolgen, aber es handelt sich um ein induktives System, dessen Installation aufwendig und kostenintensiv ist.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht nun darin, Möglichkeiten einer drahtlosen Energieversorgung für eine Sensoreinheit oder einen andere Verbrauchereinheit an einer sich bewegenden Baugruppe einer Maschine oder einer Produktionsanlage zu schaffen, die sich einfach implementieren lassen und eine permanente Energieversorgung der Sensoreinheit für eine zuverlässige Erfassung von Sensorsignalen sicherstellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich eines Systems durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, hinsichtlich eines Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 9, hinsichtlich einer Energieversorgungsvorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 11, hinsichtlich einer Walze durch die Merkmale des Anspruchs 13, und hinsichtlich eines Computerprogrammproduktes durch die Merkmale des Anspruchs 15 gelöst. Die weiteren Ansprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
Durch die vorliegende Erfindung wird die Bewegung einer sich bewegenden Baugruppe, die insbesondere als rotierende Walze ausgebildet ist, ausgenutzt, um eine Drehwelle einer Luftturbine in Rotation zu versetzen. Die Bewegungsenergie der Drehwelle wird auf einen Generator übertragen, der die Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Die elektrische Energie wird entweder direkt verbraucht, oder in einem Energiespeichermodul, das insbesondere als Batterie oder Kondensator ausgebildet ist, gespeichert und kann von einer Verbrauchereinheit, insbesondere einer Sensoreinheit abgerufen werden, z.B. für die Erfassung von Sensorsignalen von Messparametern der sich bewegenden Baugruppe. Hierdurch ist eine einfache und effiziente Energiegewinnung ermöglicht, bei der die durch die Bewegung der Baugruppe entstehende Luftströmung zum Antrieb einer Luftturbine verwendet wird.
Gemäß einem Aspekt stellt die Erfindung ein System zur Versorgung einer Verbrauchereinheit an einer sich bewegenden Baugruppe einer Maschine oder einer Produktionsanlage dar. Das System umfasst eine Energiegewinnungseinheit, eine Verbrauchereinheit, wobei die Energiegewinnungseinheit eine Luftturbine mit einer Drehwelle, einen elektrischen Generator und insbesondere ein Energiespeichermodul umfasst und ausgebildet ist, die Verbrauchereinheit mit Energie zu versorgen. Die Luftturbine ist dazu ausgebildet, durch die sich bewegende Baugruppe in Rotation versetzt zu werden und die Drehbewegung der Drehwelle auf den elektrischen Generator zu übertragen; wobei der elektrische Generator ausgebildet ist, die Rotationsenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Die elektrische Energie kann dann entweder direkt an die Verbrauchereinheit weitergegeben werden. In einer vorteilhaften Ausführung kann die elektrische Energie auch ein Energiespeichermodul weitergeleitet werden, wobei das Energiespeichermodul ausgebildet ist, die elektrische Energie zu speichern und bei Bedarf an die Verbrauchereinheit weiterzugeben. Die Verbrauchereinheit kann dabei einen oder mehrere Verbraucher umfassen.
Als Verbrauchereinheit kann eine Vielzahl elektrischer Verbraucher zum Einsatz kommen. So können zum Beispiel elektrische Aktuatoren, wie z.B. Stellmotoren auf diese Weise mit Strom versorgt werden. Alternativ oder zusätzlich können auch optische und/oder akustische Warnsignale als Verbrauchereinheit auf diese Weise mit Strom versorgt werden. Auch der Betrieb kleinerer Pumpen ist vorstellbar.
Eine sehr wichtige Anwendung ist allerdings die Verwendung von Sensoreinheiten als Verbrauchereinheit. Daher wird im Folgenden die Erfindung auch am Beispiel dieser Sensoreinheiten weiter erläutert.
Das Energiespeichermodul ist für die vorliegende Erfindung nicht zwingend erforderlich. Der erzeugte Strom kann auch direkt von der Verbrauchereinheit konsumiert werden. Da durch ein Energiespeichermodul aber eine Vergleichmäßigung des Stroms erreicht werden kann, ist ein solche Energiespeichermodul, insbesondere bei der Verwendung von Sensoreinheiten sehr vorteilhaft.
Auch wenn die Erfindung am Beispiel einer einzelnen Luftturbine beschrieben wird, ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass in dem System mehrere, insbesondere zwei, drei oder vier Luftturbinen zum Einsatz kommen. Diese können dann jede einen eigenen Verbraucher versorgen -ggf. über ein eigenes Energiespeichermodul. Alternativ können aber auch mehrere Luftturbinen zur Versorgung desselben Verbrauchers, bzw. desselben Energiespeichermoduls eingesetzt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein System zur Erfassung von Sensordaten an einer sich bewegenden Baugruppe einer Maschine oder einer Produktionsanlage bereit. Das System umfasst eine Energiegewinnungseinheit, eine Sensoreinheit, eine Kommunikationseinheit und eine Datenverarbeitungseinrichtung. Die Energiegewinnungseinheit umfasst eine Luftturbine mit einer Drehwelle, einen elektrischen Generator und ein Energiespeichermodul und ist ausgebildet, die Sensoreinheit mit Energie zu versorgen. Die Luftturbine ist ausgebildet, durch die sich bewegende Baugruppe in Rotation versetzt zu werden und die Drehbewegung der Drehwelle auf den elektrischen Generator zu übertragen. Der elektrische Generator ist ausgebildet, die Rotationsenergie in elektrische Energie umzuwandeln und an das Energiespeichermodul weiterzuleiten. Das Energiespeichermodul ist ausgebildet, die elektrische Energie zu speichern und bei Bedarf an die Sensoreinheit weiterzugeben. Die Sensoreinheit umfasst ein oder mehrere Sensoren und ist ausgebildet, Sensordaten von Messparametern der sich bewegenden Baugruppe zu erfassen. Die Kommunikationseinheit ist ausgebildet, die Sensordaten an die Datenverarbeitungseinrichtung zur weiteren Verarbeitung weiterzuleiten.
In einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die sich bewegende Baugruppe insbesondere als rotierende Walze ausgebildet ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Luftturbine zylinderförmig ausgebildet ist. Der Durchmesser der Luftturbine kann dabei beispielsweise zwischen 3cm und 30cm, bevorzugt zwischen 5cm und 20cm, insbesondere zwischen 7cm und 12cm betragen.
Die Höhe der Luftturbine kann zwischen 1 cm und 5cm, insbesondere zwischen 2cm und 3 cm betragen.
Dadurch wird eine kompakte Bauform möglich.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Energiespeichermodul als Batterie oder Kondensator ausgebildet ist.
Vorteilhafterweise erfasst zumindest ein Sensor der Sensoreinheit den Druck und/oder die Temperatur der sich bewegenden Baugruppe der Maschine bzw. der Produktionsanlage.
Insbesondere ist zumindest ein Sensor als Drucksensor, Temperatursensor, Schwingungssensor für die Aufnahme von Schwingungsfrequenzen, Geschwindigkeitssensor und/oder Beschleunigungssensor ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet ist, Ausgabedaten aus den Sensordaten zu generieren, wobei die Ausgabedaten in Form von Bildern, Grafiken, Diagrammen, Hologrammen, Zahlenreihen, Power Point-Präsentationen und/oder Audiosequenzen wie akustischen Warnsignalen oder Sprachnachrichten ausgebildet sein können.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Datenanalyseeinrichtung eine Softwareapplikation mit Algorithmen der künstlichen Intelligenz für die Analyse und Bearbeitung der Sensordaten verwendet, wobei die Algorithmen der künstlichen Intelligenz Deep Learning mit neuronalen Netzwerken und/oder Transformern mit Encodern und Decodern und/oder Lernverstärkungs-Agenten (LV - Reinforcement Learning Agent) umfassen.
Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Erfassung von Sensordaten an einer sich bewegenden Baugruppe einer Maschine oder einer Produktionsanlage bereit. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

- Generieren von Energie mittels einer Energiegewinnungseinheit, wobei die Energiegewinnungseinheit eine Luftturbine mit einer Drehwelle, einen elektrischen Generator und ein Energiespeichermodul umfasst, wobei die Luftturbine durch die sich bewegende Baugruppe in Rotation versetzt wird und die Drehbewegung der Drehwelle auf den elektrischen Generator übertragen wird, wobei der elektrische Generator die Rotationsenergie in elektrische Energie umwandelt und an das Energiespeichermodul weiterleitet, und wobei das Energiespeichermodul die elektrische Energie speichert;
- Versorgen einer Sensoreinheit mit Energie aus dem Energiespeichermodul;
- Erfassen von Sensorsignalen von Messparametern der sich bewegenden Baugruppe durch ein oder mehrere Sensoren der Sensoreinheit;
- Weiterleiten der Sensordaten von einer Kommunikationseinheit an eine Datenverarbeitungseinrichtung;
- Verarbeiten der Sensordaten in der Datenverarbeitungseinrichtung.

In einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die Luftturbine zylinderförmig ausgebildet ist; dass das Energiespeichermodul als Batterie oder Kondensator ausgebildet ist; dass zumindest ein Sensor der Sensoreinheit den Druck und/oder die Temperatur der sich bewegenden Baugruppe der Maschine bzw. der Produktionsanlage erfasst; und dass zumindest ein Sensor als Drucksensor, Temperatursensor, Schwingungssensor für die Aufnahme von Schwingungsfrequenzen, Geschwindigkeitssensor und/oder Beschleunigungssensor ausgebildet ist.
Gemäß einem dritten Aspekt stellt die Erfindung eine Energieversorgungsvorrichtung zur Energieversorgung für eine Sensoreinheit mit zumindest einem Sensor zur Erfassung von Sensordaten an einer sich bewegenden Baugruppe einer Maschine oder einer Produktionsanlage, insbesondere einer rotierenden Walze, bereit. Die Energieversorgungsvorrichtung umfasst ein Gehäuse, in dem eine Energiegewinnungseinheit, eine Sensoreinheit und/oder eine Schnittstelle zum Anschluss einer Sensoreinheit, und eine Kommunikationseinheit angeordnet sind. Die Energiegewinnungseinheit umfasst eine Luftturbine mit einer Drehwelle, einen elektrischen Generator und ein Energiespeichermodul und ist ausgebildet, die Sensoreinheit mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Luftturbine ist ausgebildet, durch die sich bewegende Baugruppe in Rotation versetzt zu werden und die Drehbewegung der Drehwelle auf den elektrischen Generator zu übertragen. Der elektrische Generator ist ausgebildet, die Rotationsenergie in elektrische Energie umzuwandeln und an das Energiespeichermodul weiterzuleiten. Das Energiespeichermodul ist ausgebildet, die elektrische Energie zu speichern und bei Bedarf an die Sensoreinheit weiterzugeben.
In einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die Luftturbine zylinderförmig ausgebildet ist, und dass das Energiespeichermodul als Batterie oder Kondensator ausgebildet ist.
Gemäß einem vierten Aspekt stellt die Erfindung eine Walze für eine Maschine, insbesondere eine Faserstoffmaschine bereit. Die Walze umfasst zumindest eine Sensoreinheit mit zumindest einem Sensor und die Sensoreinheit ist ausgebildet, mit der Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem dritten Aspekt verbindbar zu sein.
In einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die Walze einen Identifikationscode aufweist, der von einer Ausleseeinheit der Energieversorgungsvorrichtung und/oder einer Benutzerschnittstelle auslesbar ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Identifikationscode als Transponder mit einem RFID-Chip bzw. NFC-Chip (Near Field Communication) oder als QR-Code ausgebildet ist.
Gemäß einem fünften Aspekt stellt die Erfindung ein Computerprogrammprodukt bereit, das einen ausführbaren Programmcode umfasst, der das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt ausführt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems;
2 eine perspektivische Darstellung einer Außenansicht auf ein Gehäuse mit einer erfindungsgemäßen Energiegewinnungseinheit;
3 eine perspektivische Darstellung einer Innenansicht des Gehäuses aus 2;
4 eine perspektivische Darstellung einer Luftturbine der Energiegewinnungseinheit;
5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung;
6 ein Flussdiagramm zur Erläuterung der einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens;
7 eine schematische Darstellung eines Computerprogrammprodukts.

Zusätzliche Kennzeichen, Aspekte und Vorteile der Erfindung oder ihrer Ausführungsbeispiele werden durch die ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen ersichtlich.
Wie in 1 dargestellt, umfasst das erfindungsgemäße System 100 zur Erfassung von Sensordaten 370 an einer sich bewegenden Baugruppe einer Maschine oder einer Produktionsanlage eine Energiegewinnungseinheit 200, eine Sensoreinheit 300, eine Kommunikationseinheit 400, eine Datenverarbeitungseinrichtung 500 und ein Ausgabemodul 700. Bei der Maschine handelt es sich insbesondere um eine Faserstoffmaschine zur Behandlung von Faserbahnen wie Papierbahnen mit Baugruppen wie Walzeneinheiten mit rotierenden Walzen für die Durchführung der Papierbahnen.
Die Energiegewinnungseinheit 200, die Sensoreinheit 300, die Kommunikationseinheit 400 und die Datenverarbeitungseinrichtung 500 können jeweils mit einem Prozessor und/oder einer Speichereinheit versehen sein. Die Datenverarbeitungseinrichtung 500 kann als selbstständige Rechnereinheit oder als cloudbasierte Lösung in einer Cloud-Computing-Infrastruktur 570 ausgebildet sein.
Unter einem „Prozessor“ kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise eine Maschine oder eine elektronische Schaltung verstanden werden. Bei einem Prozessor kann es sich insbesondere um einen Hauptprozessor (engl. Central Processing Unit, CPU), einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller, beispielsweise eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung oder einen digitalen Signalprozessor, möglicherweise in Kombination mit einer Speichereinheit zum Speichern von Programmbefehlen, etc. handeln. Der Prozessor kann aber auch als virtualisierter Prozessor, virtuelle Maschine oder Soft-CPU ausgebildet sein. Es kann sich beispielsweise auch um einen programmierbaren Prozessor handeln, der mit Konfigurationsschritten zur Ausführung des genannten erfindungsgemäßen Verfahrens ausgerüstet wird oder mit Konfigurationsschritten derart konfiguriert ist, dass der programmierbare Prozessor die erfindungsgemäßen Merkmale des Verfahrens, der Entität, der Module, oder anderer Aspekte und/oder Teilaspekte der Erfindung realisiert. Insbesondere kann der Prozessor hochparallele Recheneinheiten und leistungsfähige Grafikmodule enthalten.
Unter einer „Speichereinheit“ oder einem „Speichermodul“ und dergleichen kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise ein flüchtiger Speicher in Form eines Arbeitsspeichers (engl. Random-Access Memory (RAM)) oder ein dauerhafter Speicher wie eine Festplatte oder ein Datenträger oder z. B. ein wechselbares Speichermodul verstanden werden. Es kann sich bei dem Speichermodul aber auch um eine cloudbasierte Speicherlösung handeln.
Die Energiegewinnungseinheit 200 dient zur Energieversorgung der Sensoreinheit 300 mit Energie und umfasst eine Luftturbine 210 mit einer Drehwelle, einen elektrischen Generator 230 und ein Energiespeichermodul 250. Insbesondere ist die Energiegewinnungseinheit 200 mit zumindest einem Prozessor für die Steuerung der verschiedenen Komponenten versehen. Die Energiegewinnungseinheit 200, die Sensoreinheit 300 und die Kommunikationseinheit 400 sind an der sich bewegenden Baugruppe, die insbesondere als rotierende Walze bzw. Walzeneinheit einer Maschine, insbesondere einer Faserstoffmaschine, ausgebildet ist, angeordnet. Durch die Bewegung der Baugruppe, insbesondere einer Rotation, strömt Luft in die Luftturbine 210 ein und versetzt die Drehwelle in eine Drehbewegung. Die Drehwelle der Luftturbine 210 ist mit dem elektrischen Generator 230 verbunden. Die Drehbewegung der Drehwelle wird in dem elektrischen Generator 230 in elektrische Energie umgewandelt, die in dem Energiespeichermodul 250 gespeichert wird. Das Energiespeichermodul 250 kann insbesondere als Batterie oder Kondensator ausgebildet sein. Das Energiespeichermodul 250 versorgt die Sensoreinheit 300 und die Kommunikationseinheit 400 mit elektrischer Energie.
Die Sensoreinheit 300 umfasst einen oder mehrere Sensoren 350, die Sensordaten 370 von Messparametern wie dem Druck und der Temperatur der sich bewegenden Baugruppe der Maschine bzw. der Produktionsanlage erfassen. Die Sensoreinheit 300 weist einen Prozessor auf oder ist mit einem Prozessor verbunden zur Steuerung der Sensoreinheit 300 wie der Berechnung des erforderlichen Energiebedarfs für die Durchführung der Messungen mit den Sensoren 350. Ein oder mehrere der Sensoren 350 können insbesondere als Drucksensor, Temperatursensor, Schwingungssensor für die Aufnahme von Schwingungsfrequenzen, Geschwindigkeitssensor und/oder Beschleunigungssensor ausgebildet sein. Insbesondere können die Sensoren 350 als faseroptische Sensoren, die beispielsweise ein Bragg-Gitter, eine Lichtquelle und einen Lichtempfänger umfassen, ausgebildet sein, wobei aus den reflektierten Lichtsignalen in Abhängigkeit von den ausgesendeten Lichtsignalen beispielsweise der Druck und/oder die Temperatur der sich bewegenden Baugruppe abgeleitet werden kann. Die Sensoreinheit 300 mit den Sensoren 350 kann, wie in der 3 dargestellt, innerhalb eines Gehäuses 850 angeordnet sein. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass einige der Sensoren 350 der Sensoreinheit 300 außerhalb des Gehäuses 850 an verschiedenen Positionen der sich bewegenden Baugruppe angeordnet sind, wie beispielsweise an verschiedenen Stellen am Umfangsmantel einer Walze. Die Sensoren 350 sind dann über entsprechend ausgebildeten Verbindungsdrähte mit der Sensoreinheit 300 verbunden. Da sich die Temperatur von Walzen einer Faserstoffmaschine während des Betriebs um mehrere Grad Celsius ändern kann, ist insbesondere die Überwachung der Temperatur wichtig für die Sicherstellung einer hohen Produktionsqualität.
Die Kommunikationseinheit 400 umfasst zumindest ein Datenübertragungsmodul 450, das für eine Datenübertragung mittels einer Nahfeldkommunikationsverbindung wie Bluetooth^®, Ethernet, NFC (near field communication) und/oder Wi-Fi® oder als Mobilfunkmodul für eine Mobilfunkverbindung ausgebildet ist. Die Kommunikationseinheit 400 ist mit der Sensoreinheit 300 verbunden und sendet die von der Sensoreinheit 300 gemessenen Sensordaten 370 an die Datenverarbeitungseinrichtung 500.
Die Datenverarbeitungseinrichtung 500 kann ein oder mehrere Softwareapplikationen 550 zur Verarbeitung der Sensordaten 370 umfassen. Insbesondere verwendet die Softwareapplikation 550 ein oder mehrere Berechnungsalgorithmen, um aus den Sensordaten 370 Ausgabedaten 770 zu erstellen, die beispielsweise ein zeitliches Temperaturprofil der sich bewegenden Baugruppe darstellen.
Insbesondere kann die Softwareapplikation 350 Algorithmen der künstlichen Intelligenz wie Deep Learning mit beispielsweise neuronalen Netzwerken und/oder Transformern mit Encodern und Decodern und/oder Lernverstärkungs-Agenten (LV - Reinforcement Learning Agent) umfassen.
Ein neuronales Netzwerk besteht aus Neuronen, die in mehreren Schichten angeordnet und unterschiedlich miteinander verbunden sind. Ein Neuron ist in der Lage, an seinem Eingang Informationen von außerhalb oder von einem anderen Neuron entgegenzunehmen, die Information in einer bestimmten Art zu bewerten und sie in veränderter Form am Neuronen-Ausgang an ein weiteres Neuron weiterzuleiten oder als Endergebnis auszugeben. Hidden-Neuronen sind zwischen den Input-Neuronen und Output-Neuronen angeordnet. Je nach Netzwerktyp können mehrere Schichten von Hidden-Neuronen vorhanden sein. Sie sorgen für die Weiterleitung und Verarbeitung der Informationen. Output-Neuronen liefern schließlich ein Ergebnis und geben dieses an die Außenwelt aus. Durch die Anordnung und die Verknüpfung der Neuronen entstehen verschiedene Typen von neuronalen Netzwerken wie vorwärtsgekoppelte Netzwerke (engl. Feedforward Neural Network, FNN), rückgekoppelte Netzwerke (engl. Recurrent Neural Network, RNN) oder gefaltete neuronale Netzwerke (engl. Convolutional Neural Network, CNN). Die Netzwerke lassen sich durch unbeaufsichtigtes oder überwachtes Lernen trainieren.
Des Weiteren können von der Softwareapplikation 550 Berechnungsverfahren wie Mittelwerte, Minimal- und Maximalwerte, Lookup Tabellen, Modelle zu Erwartungswerten, lineare Regressionsverfahren, Gauß-Prozesse, Fast Fourier Transformationen, Integral- und Differentialrechnungen, Markov-Verfahren, Wahrscheinlichkeitsverfahren wie Monte Carlo-Verfahren, Temporal Difference Learning, erweiterte Kalman-Filter, radiale Basisfunktionen und/oder Datenfelder verwendet werden.
Die Ausgabedaten 770 können an das Ausgabemodul 700 weitergeleitet werden oder von dem Ausgabemodul 700 abgerufen werden, beispielsweise aus der Cloud-Computing-Infrastruktur 570. Die Ausgabedaten 770 können insbesondere in Form von Bildern, Grafiken, Diagrammen, Hologrammen, Zahlenreihen, Power Point-Präsentationen und/oder Audiosequenzen wie akustischen Warnsignalen oder Sprachnachrichten ausgebildet sein, so dass sie von einem Nutzer einfach interpretierbar sind. Wenn sich beispielsweise die Temperatur einer Walze über einen kritischen Schwellenwert geändert hat, kann ein entsprechendes Warnsignal ausgegeben werden. Das Ausgabemodul 700 kann in einem Computer, einem Tablet, einem Smartphone, etc. integriert sein und eine Benutzerschnittstelle 750 zur Eingabe von Daten insbesondere zur Steuerung der Energiegewinnungseinheit 200 und der Sensoreinheit 300 aufweisen. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Datenverarbeitungseinrichtung 500 in dem Ausgabemodul 700 integriert ist, so dass die Sensordaten 370 direkt an das Ausgabemodul 700 gesendet werden.
In den 2 und 3 ist ein beispielhaftes Gehäuse 850 dargestellt, in dem die Energiegewinnungseinheit 200, die Sensoreinheit 300 und die Kommunikationseinheit 400 angeordnet sind. Das Gehäuse 850 weist eine Ausnehmung auf, in der die Luftturbine 210 angeordnet ist. Wie in der 4 dargestellt, ist die Luftturbine zylinderförmig ausgebildet und eine obere Hälfte erstreckt sich entlang einer Oberseite des Gehäuses 850 und eine untere Hälfte taucht in den Innenraum des Gehäuses 850 ein. Das Gehäuse 850 hat die Kontur eines Ausschnitts eines Teilkreises, so dass eine Anbringung an einen kreisförmigen stirnseitigen Endbereich einer Walze einfach möglich ist. Bevorzugt ist der Teilkreis ein Halbkreis oder kleiner, da bei größeren Teilkreisen die Montage an der Stirnseite der Walze schwieriger wird. Insbesondere kann das Gehäuse 850 die Kontur eines Viertelkreises oder eines Drittelkreises haben. Im Rahmen der Erfindung sind jedoch auch andere Gestaltungen des Gehäuses 850 denkbar, um eine einfache Montage an eine sich bewegende Baugruppe zu ermöglichen.
Das Gehäuse 850 kann lösbar mit der sich bewegenden Baugruppe, die insbesondere als Walze ausgebildet ist, verbunden werden, so dass ein einfacher Austausch möglich ist. Insbesondere kann das Gehäuse 850 als mobiles Messgerät ausgebildet sein, das temporär für die Messung von verschiedenen Parametern mit einer sich bewegenden Baugruppe einer Maschine bzw. einer Produktionsanlage verwendet wird.
In der 5 ist eine Energieversorgungsvorrichtung 800 dargestellt, die ein Gehäuse 850 mit einer Energiespeichereinheit 200, eine Sensoreinheit 300 und/oder ein oder mehrere Schnittstellen 255 für die Verbindung mit einer Sensoreinheit 300, und eine Kommunikationseinheit 400 umfasst. Insbesondere ist das Energiespeichermodul 250 der Energiespeichereinheit 200 mit einer oder mehreren Schnittstellen 255 versehen, an die eine Sensoreinheit 300 bzw. verschiedene Sensoren 350, die fest in einer sich bewegenden Baugruppe installiert ist/sind, angeschlossen werden kann/können. Das Energieversorgungsvorrichtung 800 kann lösbar mit der sich bewegenden Baugruppe, insbesondere einer Walze, verbunden werden. Wenn an der sich bewegenden Baugruppe Messungen durchgeführt werden sollen, können die in der Baugruppe fest installierten Sensoreinheiten 300 auf einfache Weise mit Energie versorgt werden. Die erfassten Sensordaten 370 können mittels der Kommunikationseinheit 400 einfach auf ein mobiles Endgerät eines Nutzers übertragen werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die sich bewegende Baugruppe, insbesondere eine Walze, einen Identifikationscode wie einen Transponder mit einem RFID-Chip bzw. NFC-Chip (Near Field Communication) oder einen QR-Code aufweist. In dem Gehäuse 850 der Energieversorgungsvorrichtung 800 kann eine Ausleseeinheit vorgesehen sein, mit der der Identifikationscode ausgelesen werden kann. Es kann aber auch die Benutzerschnittstelle 750 des Ausgabemoduls 700, beispielsweise in Form eines mobilen Endgerätes wie eines Mobiltelefons oder Tablets, zum Auslesen verwendet werden. Von der Datenverarbeitungseinrichtung 500 kann dann eine Zuordnung zwischen den erfassten Sensordaten 370 und dem Identifikationscode der jeweiligen Baugruppe vorgenommen werden. Zudem kann vorgesehen sein, dass die Datenverarbeitungseinrichtung 500 aus einer Datenbank, insbesondere die Cloud-Computing-Infrastruktur 570, weitere Daten wie historische Messwerte, Zielvorgaben, digitale Konstruktionsdaten wie digitale Zwillinge der jeweiligen Baugruppe, Spezifikationen der Sensoren 350, etc. abruft, die für die jeweilige Baugruppe unter dem jeweiligen Identifikationscode gespeichert sind.
6 stellt schematisch die Verfahrensschritte zur Erfassung von Sensordaten 370 an einer sich bewegenden Baugruppe einer Maschine oder einer Produktionsanlage dar.
In einem Schritt S10 wird Energie mittels einer Energiegewinnungseinheit 200 generiert, wobei die Energiegewinnungseinheit 200 eine Luftturbine 210 mit einer Drehwelle, einen elektrischen Generator 230 und ein Energiespeichermodul 250 umfasst, wobei die Luftturbine 210 durch die sich bewegende Baugruppe in Rotation versetzt wird und die Drehbewegung der Drehwelle auf den elektrischen Generator 230 übertragen wird, wobei der elektrische Generator 230 die Rotationsenergie in elektrische Energie umwandelt und an das Energiespeichermodul 250 weiterleitet, und wobei das Energiespeichermodul 250 die elektrische Energie speichert.
In einem Schritt S20 wird eine Sensoreinheit 300 mit Energie aus dem Energiespeichermodul 250 versorgt.
In einem Schritt S30 werden Sensorsignale 370 von Messparametern der sich bewegenden Baugruppe durch ein oder mehrere Sensoren 350 der Sensoreinheit 300 erfasst.
In einem Schritt S40 werden die Sensordaten 370 von einer Kommunikationseinheit 400 an eine Datenverarbeitungseinrichtung 500 weitergeleitet.
In einem Schritt S50 werden die Sensordaten 370 von der Datenverarbeitungseinrichtung 500 verarbeitet.
7 stellt schematisch ein Computerprogrammprodukt 900 dar, das einen ausführbaren Programmcode 950 umfasst, der das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ausgeführt.
Bei dem System, dem Verfahren und der Energieversorgungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Bewegung einer sich bewegenden Baugruppe, die insbesondere als rotierende Walze ausgebildet ist, ausgenutzt, um eine Drehwelle einer Luftturbine in Rotation zu versetzen. Die Bewegungsenergie der Drehwelle wird auf einen Generator übertragen, der die Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Die elektrische Energie wird in einem Energiespeichermodul, das insbesondere als Batterie oder Kondensator ausgebildet ist, gespeichert und kann von einer Sensoreinheit abgerufen werden für die Erfassung von Sensorsignalen von Messparametern der sich bewegenden Baugruppe. Hierdurch ist eine einfache und effiziente Energiegewinnung ermöglicht, bei der die durch die Bewegung der Baugruppe entstehende Luftströmung zum Antrieb einer Luftturbine verwendet wird. Da somit während des gesamten Betriebes der Baugruppe Energie erzeugt werden kann, steht der Sensoreinheit genügend Energie zur Verfügung, um verschiedene Messungen an in der sich bewegenden Baugruppe permanent durchführen zu können. Insbesondere kann die Energieversorgungsvorrichtung als mobile Vorrichtung ausgebildet sein, die mit unterschiedlichen Baugruppen, die insbesondere als rotierende Walzen eine Faserstoffmaschine ausgebildet sind, verbindbar ist. Hierdurch ist eine hohe Flexibilität gegeben und zudem können Kosten eingespart werden, da nicht für jede Baugruppe eine separate Energieversorgungsvorrichtung bereitgestellt werden muss.
Bezugszeichen

100: System
200: Energiegewinnungseinheit
210: Luftturbine
230: elektrischer Generator
250: Energiespeichermodul
255: Schnittstelle
300: Verbrauchereinheit, Sensoreinheit
350: Sensoren
370: Sensordaten
400: Kommunikationseinheit
450: Datenübertragungsmodul
500: Datenverarbeitungseinrichtung
550: Softwareapplikation
570: Cloud-Computing-Infrastruktur
700: Ausgabemodul
750: Benutzerschnittstelle
770: Ausgabedaten
800: Energieversorgungsvorrichtung
850: Gehäuse
900: Computerprogrammprodukt
950: Programmcode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2019029981 A1 [0006]

Claims

System (100) zur Versorgung einer Verbrauchereinheit (300) an einer sich bewegenden Baugruppe einer Maschine oder einer Produktionsanlage, umfassend eine Energiegewinnungseinheit (200), eine Verbrauchereinheit (300), wobei die Energiegewinnungseinheit (200) eine Luftturbine (210) mit einer Drehwelle, einen elektrischen Generator (230) und insbesondere ein Energiespeichermodul (250) umfasst und ausgebildet ist, die Verbrauchereinheit (300) mit Energie zu versorgen; wobei die Luftturbine (210) ausgebildet ist, durch die sich bewegende Baugruppe in Rotation versetzt zu werden und die Drehbewegung der Drehwelle auf den elektrischen Generator (230) zu übertragen; wobei der elektrische Generator (230) ausgebildet ist, die Rotationsenergie in elektrische Energie umzuwandeln und insbesondere an das Energiespeichermodul (250) weiterzuleiten; wobei das Energiespeichermodul (250) ausgebildet ist, die elektrische Energie zu speichern und bei Bedarf an die Verbrauchereinheit (300) weiterzugeben; wobei die Verbrauchereinheit (300) ein oder mehrere Verbraucher (350) umfasst.
System (100) zur Erfassung von Sensordaten (370) an einer sich bewegenden Baugruppe einer Maschine oder einer Produktionsanlage, umfassend eine Energiegewinnungseinheit (200), eine Sensoreinheit (300), eine Kommunikationseinheit (400) und eine Datenverarbeitungseinrichtung (500); wobei die Energiegewinnungseinheit (200) eine Luftturbine (210) mit einer Drehwelle, einen elektrischen Generator (230) und ein Energiespeichermodul (250) umfasst und ausgebildet ist, die Sensoreinheit (300) mit Energie zu versorgen; wobei die Luftturbine (210) ausgebildet ist, durch die sich bewegende Baugruppe in Rotation versetzt zu werden und die Drehbewegung der Drehwelle auf den elektrischen Generator (230) zu übertragen; wobei der elektrische Generator (230) ausgebildet ist, die Rotationsenergie in elektrische Energie umzuwandeln und an das Energiespeichermodul (250) weiterzuleiten; wobei das Energiespeichermodul (250) ausgebildet ist, die elektrische Energie zu speichern und bei Bedarf an die Sensoreinheit (300) weiterzugeben; wobei die Sensoreinheit (300) ein oder mehrere Sensoren (350) umfasst und ausgebildet ist, Sensordaten (370) von Messparametern der sich bewegenden Baugruppe zu erfassen; und wobei die Kommunikationseinheit (400) ausgebildet ist, die Sensordaten (370) an die Datenverarbeitungseinrichtung (500) zur weiteren Verarbeitung weiterzuleiten.
System (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die sich bewegende Baugruppe insbesondere als Walze ausgebildet ist.
System (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Luftturbine (210) zylinderförmig ausgebildet ist.
System (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Energiespeichermodul (250) als Batterie oder Kondensator ausgebildet ist.
System (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest ein Sensor (350) der Sensoreinheit (300) den Druck und/oder die Temperatur der sich bewegenden Baugruppe der Maschine bzw. der Produktionsanlage erfasst, und wobei zumindest ein Sensor (350) als Drucksensor, Temperatursensor, Schwingungssensor für die Aufnahme von Schwingungsfrequenzen, Geschwindigkeitssensor und/oder Beschleunigungssensor ausgebildet ist.
System (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung (500) ausgebildet ist, Ausgabedaten (770) aus den Sensordaten (370) zu generieren, wobei die Ausgabedaten (770) in Form von Bildern, Grafiken, Diagrammen, Hologrammen, Zahlenreihen, Power Point-Präsentationen und/oder Audiosequenzen wie akustischen Warnsignalen oder Sprachnachrichten ausgebildet sein können.
System (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Datenanalyseeinrichtung (500) eine Softwareapplikation (550) mit Algorithmen der künstlichen Intelligenz für die Analyse und Bearbeitung der Sensordaten (370) verwendet, wobei die Algorithmen der künstlichen Intelligenz Deep Learning mit neuronalen Netzwerken und/oder Transformern mit Encodern und Decodern und/oder Lernverstärkungs-Agenten (LV - Reinforcement Learning Agent) umfassen.
Verfahren zur Erfassung von Sensordaten (370) an einer sich bewegenden Baugruppe einer Maschine oder einer Produktionsanlage, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: - Generieren (S10) von Energie mittels einer Energiegewinnungseinheit (200), wobei die Energiegewinnungseinheit (200) eine Luftturbine (210) mit einer Drehwelle, einen elektrischen Generator (230) und ein Energiespeichermodul (250) umfasst, wobei die Luftturbine (210) durch die sich bewegende Baugruppe in Rotation versetzt wird und die Drehbewegung der Drehwelle auf den elektrischen Generator (230) übertragen wird, wobei der elektrische Generator (230) die Rotationsenergie in elektrische Energie umwandelt und an das Energiespeichermodul (250) weiterleitet, und wobei das Energiespeichermodul (250) die elektrische Energie speichert; - Versorgen (S20) einer Sensoreinheit (300) mit Energie aus dem Energiespeichermodul (250); - Erfassen (S30) von Sensorsignalen von Messparametern der sich bewegenden Baugruppe durch ein oder mehrere Sensoren (350) der Sensoreinheit (300); - Weiterleiten (S40) der Sensordaten (370) von einer Kommunikationseinheit (400) an eine Datenverarbeitungseinrichtung (500); - Verarbeiten (S50) der Sensordaten (370) in der Datenverarbeitungseinrichtung (500).
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Luftturbine (210) zylinderförmig ausgebildet ist; wobei das Energiespeichermodul (250) als Batterie oder Kondensator ausgebildet ist; wobei zumindest ein Sensor (350) der Sensoreinheit (300) den Druck und/oder die Temperatur der sich bewegenden Baugruppe der Maschine bzw. der Produktionsanlage erfasst; und wobei zumindest ein Sensor (350) als Drucksensor, Temperatursensor, Schwingungssensor für die Aufnahme von Schwingungsfrequenzen, Geschwindigkeitssensor und/oder Beschleunigungssensor ausgebildet ist.
Energieversorgungsvorrichtung (800) zur Energieversorgung für eine Verbrauchereinheit (300) mit zumindest einem Verbraucher (350), insbesondere eine Sensoreinheit (300) mit zumindest einem Sensor (350) zur Erfassung von Sensordaten (370) an einer sich bewegenden Baugruppe einer Maschine oder einer Produktionsanlage, insbesondere einer rotierenden Walze, umfassend ein Gehäuse (850), in dem eine Energiegewinnungseinheit (200), eine Verbrauchereinheit (300) und/oder eine Schnittstelle (255) zum Anschluss einer Verbrauchereinheit (300), und insbesondere eine Kommunikationseinheit (400) angeordnet sind; wobei die Energiegewinnungseinheit (200) eine Luftturbine (210) mit einer Drehwelle, einen elektrischen Generator (230) und ein optionales Energiespeichermodul (250) umfasst und ausgebildet ist, die Verbrauchereinheit (300) mit elektrischer Energie zu versorgen; wobei die Luftturbine (210) ausgebildet ist, durch die sich bewegende Baugruppe in Rotation versetzt zu werden und die Drehbewegung der Drehwelle auf den elektrischen Generator (230) zu übertragen; wobei der elektrische Generator (230) ausgebildet ist, die Rotationsenergie in elektrische Energie umzuwandeln und an die Verbrauchereinheit (300) oder das Energiespeichermodul (250) weiterzuleiten; wobei das Energiespeichermodul (250) ausgebildet ist, die elektrische Energie zu speichern und bei Bedarf an den die Verbrauchereinheit (300) weiterzugeben.
Energieversorgungsvorrichtung (800) nach Anspruch 11, wobei die Luftturbine (210) zylinderförmig ausgebildet ist, und wobei das Energiespeichermodul (250) als Batterie oder Kondensator ausgebildet ist.
Walze für eine Maschine, insbesondere eine Faserstoffmaschine, wobei die Walze zumindest eine Sensoreinheit (300) mit zumindest einem Sensor (350) umfasst und die Sensoreinheit (300) ausgebildet ist, mit der Energieversorgungsvorrichtung (800) nach Anspruch 11 oder 12 verbindbar zu sein.
Walze nach Anspruch 13, wobei die Walze einen Identifikationscode aufweist, der von einer Ausleseeinheit der Energieversorgungsvorrichtung (800) und/oder einer Benutzerschnittstelle (750) auslesbar ist.
Computerprogrammprodukt (900), umfassend einen ausführbaren Programmcode (950), der das Verfahren nach Anspruch 9 oder 10 ausführt.