ConSens Condition- und Energiemonitoring mittels innovativer ultra-verlässlicher drahtloser Sensornetze

ConSens zielt auf neuartige drahtlose Sensornetze (Wireless Sensor Networks (WSN)) insbesondere für Energie- und Condition-Monitoring (EM und CM) in Energie- und Produktionssystemen ab, die verlässlich, kostengünstig, skalierbar und energieautark sind. Sie können auf die jeweilige Anwendung flexibel angepasst werden (z.B. hohe oder niedrige Datenraten mit einer Lösung). Erreicht wird dies durch Sensorknoten, die neben dem Sensor mit einer Kombination neuartiger Funkschnittstellen wie Ultra-Wideband (UWB), LoRa und 4G/5G ausgerüstet sind und Energie aus der Umgebung mit verschiedenen Energy-Harvesting Methoden gewinnen können. Dies erfordert die vernetzte Optimierung von Netzwerkkommunikation (QoS-Behandlung, MAC, Routing, Energieeffizienz), Funktechnologie, Sensorik, Energiemanagement und Energy Harvesting. In ConSens soll dazu ein WSN für Use Cases in EM/CM als laborartiger Testaufbau realisiert werden, um eine Proof-of-Concept Untersuchung an Anwendungsfällen bei Windkraftanlagen und in der Produktion durchzuführen.

Ausgangssituation

Konzepte des Internet-of-Things (IoT) mit sensorbasierten Monitoringlösungen haben enormes Potential die Energie- und Produktionsindustrie energie- und ressourceneffizienter zu gestalten und damit einen wesentlichen Beitrag zu großen gesellschaftlichen Herausforderungen wie Dekarbonisierung und Klimaschutz zu leisten.
Beispiele für o.g. Sensorsysteme sind Vibrations-, Temperatur-, Strom-/Spannungssensoren für z.B. Energie(verbrauchs)monitoring und Condition Monitoring (EM bzw. CM). Anwendung finden solche Monitoringsysteme heute schon in Komponenten der Energieerzeugung (Turbinen, Generatoren, Windkraftanlagen, Solarkraftwerken, etc.) des Energietransports (Transmissions- und Verteilnetze, etc.) als auch bei Verbrauchern (Produktionsanlagen, Mobilitätssysteme, Gebäuden, etc.). Die Informationen aus Energie- und Condition Monitoring-Systemen werden dazu verwendet fehlerhafte Systeme und „Energiefresser“ zu identifizieren und mit entsprechenden (Instandhaltungs-)maßnahmen Nominalzustände herzustellen. Der Einfluss auf die Ressourceneffizienz hinsichtlich Stromverbrauch, Material- und Betriebsmitteleinsatz kann dabei beträchtlich sein.
Der überwiegende Teil dieser Monitoringsysteme arbeitet heute mit verkabelten Sensoren. Ein großer Teil solcher Sensoren muss in bestehende Anlagen nachgerüstet werden. Dabei scheuen viele Unternehmen die hohen Installationskosten, die mit Verkabelungen verbunden sind. Dadurch bleiben viele Potentiale zur Energie- und Ressourceneinsparung ungenutzt. Der Bedarf an kostengünstigen und günstig nachrüstbaren Sensoren ist gegeben.
Drahtlose Sensoren bzw. Sensornetze sind vergleichsweise einfacher nachzurüsten und bei Bedarf schneller umzurüsten, ohne teure Verkabelungsinstallation. Damit unterstützen sie die Flexibilität und Wandlungsfähigkeit der Energie- und Produktionssysteme. Manche Systemkomponenten, die beweglich sind (z.B. Wellen oder Transportshuttles), kann man nicht verkabeln. Mit Kabeln einhergehende Steckverbindungen sind auch häufige Fehlerquellen, die zu Fehlinterpretationen bei der Datenanalyse führen. Im Bereich Condition Monitoring gibt es vereinzelt drahtlose Systeme welche z.B. auf WirelessHART oder WLAN IEEE 802.11 beruhen. Ersteres erlaubt nur geringe Datenübertragungsraten, während letzteres zu viel Energie benötigt wodurch ein dauerhafter autarker Betrieb nicht möglich erscheint. Auch stehen den zugrundeliegenden Funkstandards nur wenige schmale Frequenzbänder (z.B. 2,4GHz ISM Band) zur Verfügung, was gegenseitige Störung und beschränkte Skalierbarkeit im Bezug auf die Anzahl der Sensorknoten nach sich zieht. Die Durchdringung der Energiesysteme und der Fabrik der Zukunft mit drahtlosen Sensoren wird sich im Zuge von IoT-Konzepten aber wesentlich steigern. Daher müssen für industrietaugliche drahtlose Monitoringsysteme völlig neue Konzepte untersucht und entwickelt werden, die Verlässlichkeit, Sicherheit und eine hohe Datenqualität gewährleisten. Zudem sollten sie kostengünstig, wartungsarm und energieautark betrieben werden können.