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Mit modularen Lösungen zum Feuermelder 4.0

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Wie ein Feuermelder für Industrie 4.0 unter Verwendung modularer Lösungen aussehen kann, erfahren Sie in diesem Beitrag am Beispiel eines auf das IIoT abgestimmten multifunktionalen Warnsystems.

Lösungen inklusive: Rutronik System Solutions kombiniert die am besten geeigneten Produkte, basierend auf ihren Eigenschaften und Leistungen, damit Kunden erfolgversprechende Entwicklungen kreieren können.
Lösungen inklusive: Rutronik System Solutions kombiniert die am besten geeigneten Produkte, basierend auf ihren Eigenschaften und Leistungen, damit Kunden erfolgversprechende Entwicklungen kreieren können.
(Bild: Rutronik)

Zukunftsfähig bedeutet im Kontext der Industrie 4.0 vor allem die Realisierung wirtschaftlicher wie ökologischer Effizienz, Genauigkeit, Funktionalität und Komfort sowie Sicherheit. Die Möglichkeiten, die mit spezifizierten State-of-the-Art-Komponenten umsetzbar werden, werden so umfangreich wie die Zahl der Bauteile selbst. Was passt zusammen, was macht in Kombination Sinn und vor allem: was macht den Unterschied auf dem Markt?

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Die Beantwortung all dieser Fragen erfordert ein tiefgehendes Verständnis für das Gesamtsystem einer geplanten Applikation. Je smarter Anwendungen werden, umso mehr Zeit beansprucht der Entwicklungsprozess, bis eine tatsächliche Marktreife erreicht wird. Rutronik setzt hier an und kombiniert unter Rutronik System Solutions die am besten geeigneten Produkte, basierend auf ihren Eigenschaften und Leistungen, um innovative Ansätze zu schaffen.

Proof-of-Concept mittels modularer Lösungen realisieren

Wie ein Proof-of-Concept unter Verwendung modularer Lösungen wie dem RDK2-, dem RAB1-Sensorfusion-Board und dem Adapter-Board Text To Speech aussehen kann, erfahren Sie in diesem Beitrag am Anwendungsbeispiel eines auf das IIoT abgestimmten multifunktionalen Warnsystems. Das Smart Environment Surveillance & Analytics System (SESAS) erkennt Gefahren in der Umgebungsluft so schnell wie sicher und kommuniziert gleichzeitig die nötigen Gegenmaßnahmen.

Diese Sicherheit ist beispielsweise in der Batteriefertigung, in Chemieanlagen, der Montanindustrie oder überall essenziell, wo schädliche, flüchtige Stoffe, etwa flüchtige organische Verbindungen (Volatile Organic Compounds, VOCs) entstehen können bzw. verarbeitet werden.

Ausgangspunkt für dieses mögliche Proof-of-Concept ist das Development Kit RDK2: Eine platzsparende Komplettlösung für Firmware- und Hardwareentwickler, die auf dem PSoC62 von Infineon Cypress basiert. Dieser Mikrocontroller verfügt über eine Dual-Core-CPU und eignet sich ideal für sicheres Edge Computing und Cloud-Anwendungen.

Der PSoC62 hat einen integrierten Power-Management-IC für SMPS für unterschiedliche Möglichkeiten bei der Strom- und Spannungsversorgung. Mit der Mikrocontroller-Familie PSoC 6 bietet Infineon eine Plattform für IoT-Applikationen an, die Konnektivität, erhöhte Rechenleistung sowie Sicherheit mit geringem Stromverbrauch und Kosten verbindet. Diese Eigenschaften sind für fest installierte Warnsysteme entscheidend, denn sie erfordern eine hohe Wartungsfreiheit und müssen höchstverlässlich funktionieren. Ein Ausfall könnte Mitarbeiter einer Chemiefabrik erheblichen gesundheitlichen Gefahren aussetzen.

Das Sensorfusion-Board RAB1 optimiert ein Gesamtsystem

Herkömmliche Rauch- oder Feuermelder konzentrieren sich lediglich auf eine Funktion: das relativ frühzeitige Erkennen von Rauchentwicklung und dem damit zumeist verbundenen Ausbruch eines Feuers. In industriellen Umgebungen kann die Anforderung an eine solche Sicherheitsinstallation deutlich komplexer sein, was bislang zusätzliche Geräte erforderte.

Denn Rauch ist eben nicht gleich Rauch und bedeutet auch nicht zwangsläufig Feuer. Eine detaillierte Zustandsanalysefunktion in einen Standardrauchmelder zu integrieren war bislang zu komplex, entwicklungsintensiv und benötigte zu viel Platz, um in einem Gerät zur Marktreife gebracht zu werden. Die Verbindung von RDK2 und dem Machine Learning möglich machenden Sensorfusion-Board RAB1 bringt hier den entscheidenden Vorteil. Denn das Board schlägt bereits eine vielfältige Sensorik vor, die unkompliziert und schnell an die individuellen Bedürfnisse angepasst werden kann.

Auch ermöglicht es eine umfangreichere Analyse eines komplexen Gesamtsystems, da durch die Sensorfusion sensorische Daten aus verschiedenen physikalischen oder chemischen Messgrößen zusammengeführt und in ihrer Gesamtheit analysiert werden können. Die flexible Kombinationsfähigkeit des Sensorfusion-Boards ist der entscheidende Faktor für die Realisierung von SESAS.

Genaue Messungen dank hochwertiger Sensoren

Hochwertige Temperatursensoren sorgen für eine absolute Temperaturmessung. Das hat den Vorteil, dass das System genau unterscheiden kann, ob es sich um einen besonders warmen Luftzug handelt oder um einen ungewöhnlich hohen Anstieg der Umgebungstemperatur – wie es bei einem Brand der Fall wäre – der wiederum Gegenmaßnahmen erfordert. Gerade in der Fertigung sensibler Komponenten beeinflussen Schwankungen in der Außentemperatur die Qualität der Produkte. Integriert ist dafür der DPS310 von Infineon, ein miniaturisierter, digitaler, barometrischer Luftdrucksensor mit einer hohen Genauigkeit und einem geringen Stromverbrauch, der sowohl Druck als auch Temperatur messen kann.

Das Drucksensorelement basiert auf einem kapazitiven Messprinzip und garantiert eine hohe Präzision bei Temperaturänderungen. Eine Besonderheit liegt hier bei seinem internen Signalprozessor, der den Ausgang des Druck- und Temperatursensorelements in 24-Bit-Ergebnisse umwandelt. Dabei wird jede Einheit individuell kalibriert und die errechneten Koeffizienten in den Kalibrierungsregistern gespeichert. So sind besonders präzise Messergebnisse möglich.

Alternativ oder auch ergänzend kommt der Feuchtigkeitssensor SHT41-AD1B-R2 von Sensirion zum Einsatz, bei dem digitale Feuchte- und Temperatursensoren eine konstante Temperaturgenauigkeit über einen großen Messbereich hinweg liefern. Dieser Sensor benötigt extrem wenig Energie, ist durch die sehr geringen Abmessungen seines QFN-Gehäuses mit 1,5 mm x 1,5 mm x 0,5 mm sehr platzsparend und bestens für handliche Warnsysteme geeignet. Die Funktionsfähigkeit in industrieller Umgebung ist durch den breiten Betriebsbereich mit 0 bis 100 Prozent relativer Feuchtigkeit und –40 bis 125 °C sichergestellt.

Um genau feststellen zu können, welche gasförmigen Stoffe in der Umgebung vorhanden sind, werden Gassensoren wie der BME688 von Bosch SE benötigt. Dieser Sensor ist eine 4-in-1-Lösung, die hochlineare und hochgenaue Druck-, Feuchte- und Temperatursensoren mit Künstlicher Intelligenz in sich vereint. Durch seine justierbare Gasscannerfunktion in Bezug auf Empfindlichkeit, Selektivität, Datenrate und Stromverbrauch ist es möglich, flüchtige organische Verbindungen (VOCs), flüchtige Schwefelverbindungen (VSCs) und andere Gase wie Kohlenmonoxid und Wasserstoff im ppb-Bereich zu erkennen.

Der Sensirion SGP40-D-R4 ist ein zusätzlicher VOC-Gassensor auf dem Sensorfusion-Board. Dieser Luftqua­litätssensor für Innenräume ist ein integriertes CMOSens-Sensorsystem auf einem einzigen Chip, basierend auf einem Metalloxid-Sensor. Durch die verwendete MOXSens-Technologie überzeugt dieser Sensor durch seine langfristige Stabilität hinsichtlich Empfindlichkeit und Anschwingzeit. Die Verwendung spezieller Materialien und der Mikro-Hotplate-Technologie macht den Sensor extrem energieeffizient.

Messergebnisse klar und deutlich kommunizieren

Für eine niedrigschwellige Mensch-Maschine-Interaktion des Warnsystems und damit für mehr Sicherheit, Barrierefreiheit, leichtere Handhabung und Steigerung der Effizienz sorgt Rutroniks Adapterboard Text-to-Speech. Meldet das SESAS per Audioausgabe ein konkretes Risikoszenario inklusive Gegenmaßnahmen, können diese dann bereits frühzeitig eingeleitet werden. Wichtig dabei ist in jedem Fall die Verwendung von klarer Sprache, die eindeutig zu verstehen ist. Für eine qualitativ hochwertige Sprachausgabe wurden bislang individuelle Studioaufnahmen mit professionellen Sprechern vorgenommen, was ein äußerst kosten- und zeitintensives Vorgehen ist.

PC-basierende Sprachausgabe statt teuerer Studioaufnahmen

Einen wirtschaftlich interessanten Lösungsansatz bietet Epson mit der Nutzung einer PC-basierenden Text-to-Speech-Entwicklungsumgebung für die Sprachausgabe und in Kombination mit dem Standalone-Speech-IC S1V3G340. Rutronik hat diesen Chip auf dem Adapter-Board Text To Speech integriert. Dadurch wird es möglich, über eine SPI-Schnittstelle mit dem PSoC62 des RDK2s zu kommunizieren und die Messergebnisse der Sensoren bzw. die vorab definierten Warnungen und Maßnahmen entweder über platzsparende elektromagnetische und piezoelektrische Buzzer oder über einen Lautsprecher in jeder benötigten Sprache auszugeben.

Manipulationsdetektion für zugängliche Bereiche

Damit die korrekte Funktionsweise des SESAS sichergestellt ist, registriert die inertiale Messeinheit (IMU) für intuitive Gesten-, Kontext- und Aktivitätserkennung, der MEMS-Sensor BMI 270 von Bosch SE, Veränderungen in der Lage. Würde beispiels­weise ein Automated Guided Vehicle (AGV) versehentlich das Gerät berühren, registriert das die Ultra-Low-Power-IMU. Auch eine absichtliche Manipulation durch Dritte wird hiermit erkannt, sodass Gegenmaßnahmen, z. B. eine erste Warnung über Lautsprecher, ergriffen werden. Sie arbeitet äußerst effizient und ermöglicht dadurch eine längere Lebensdauer der Systembatterie. Möglich ist das durch die Unabhängigkeit vom Hauptprozessor des Systems, die dennoch mehrere Funk­tionen erlaubt. Speziell leistungsstarke und präzise Gesten- sowie Aktivitätserkennungsfunktionen laufen im Ultra-Low-Power-Bereich. Der Stromverbrauch von nur 30 μA erlaubt Nutzern längere Akkuladeintervalle.

Flexibles, intelligentes Warnsystem

Das Zusammenspiel der modularen Lösungen RDK2-, RAB1-Sensorfusion-Board und Adapter-Board Text To Speech ergibt einen intelligenten Lösungsansatz für ein multifunktionales Warnsystem. Dank hochwertiger Sensoren lassen sich bereits geringste Veränderungen wahrnehmen und je nach Definition der Schwellenwerte über die Sprachausgabe inklusive Gegenmaßnahmen kommunizieren. Dabei ist es je nach Einsatzgebiet exakt und individuell auf dort möglicherweise auftretende Gefahren einstellbar, was die Arbeitsplatzsicherheit sowie den Schutz der Umgebung deutlich verbessert.

Die uneingeschränkten Kombinationsmöglichkeiten miteinander und Erweiterungen über die leicht zugänglichen Arduino-Anschlüsse des RDK2 sorgen zudem für noch mehr Möglichkeiten bei der Entwicklung weiterer Lösungsansätze in anderen Bereichen. Die vom Distributor Rutronik bereitgestellten Beispiel-Soft- bzw. Firmware ermöglichen es Entwicklern, sofort mit den ersten eigenen Schritten zu starten und bieten somit wichtige Zeitersparnis in der Vorentwicklung. Natürlich sind auch sämtliche Bauteile, die für die Boards verwendet werden, im Portfolio von Rutronik erhältlich.

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