Der Raspberry Pi gilt allgemein als günstige Hardware für Bastler. Er kommt aber immer öfter auch in professionellen Projekten zum Einsatz, wie etwa zur Maschinenüberwachung in der Industrie.
Das Start-up-Unternehmen HCP Sense [1] verwendet den Raspberry Pi für die professionelle Messdatenerfassung in einem innovativen neuen Projekt. Dabei geht es darum, die Kräfte zu messen, die in Wälzlagern auftreten. Solche Lager kommen fast überall dort zum Einsatz, wo sich etwas dreht. Um eine Überbelastung oder auch einen vorzeitigen Verschleiß festzustellen, kann man die Lösung von HCP Sense verwenden.
Die Grundidee ist ebenso einfach wie effizient. Sie erfordert keine zusätzliche Technik im Lager, weil das Lager selbst als Sensor fungiert. Es müssen lediglich Elektroden angebracht werden, um die Impedanz (siehe Kasten “Impedanz”) des Lagers zu messen. Sie lässt Rückschlüsse auf den aktuellen Belastungszustand zu.
Abbildung 1 zeigt den Ausschnitt eines Kugellagers mit seinem elektrischen Ersatzschaltbild. Das Bild zeigt, dass ein Wälzlager elektrisch gesehen aus einer Ansammlung von vielen Einzelkondensatoren besteht. Unter Belastung verändern diese Kondensatoren ihre Werte.
Abbildung 1: Ein Ausschnitt eines Wälzlagers mit darübergelegtem elektrischem Ersatzschaltbild.
Impedanz
Als Impedanz bezeichnet man den Wechselstromwiderstand von elektronischen Bauelementen. Die Impedanz eines Bauteils hängt von der Frequenz der anliegenden Wechselspannung ab. Normale ohmsche Widerstände besitzen keine Impedanz. Mit steigender Frequenz erhöht sich die Impedanz von Spulen, bei Kondensatoren nimmt sie hingegen ab. Außerdem hängt die Impedanz eines Bauteils von seinem physikalischen Aufbau ab. Bei einem Kondensator wirkt sich zum Beispiel der Abstand der Kondensatorplatten auf seine Kapazität und somit auch auf seine Impedanz aus.
Der Raspberry Pi
Wie kommt hier der Raspberry Pi ins Spiel? Der Prototypenaufbau arbeitet mit drei Lagern, die überwacht werden müssen, um Ausfällen vorzubeugen (Abbildung 2). An jedem dieser Lager ist eine Messeinrichtung montiert. Da diese Messboxen sehr klein, mechanisch robust und vor Umwelteinflüssen geschützt sein müssen, können sie nur die rohen Messwerte bereitstellen. Der Raspberry Pi sammelt diese Messwerte ein und bereitet sie mithilfe künstlicher Intelligenz auf.
Abbildung 2: Ein Testaufbau mit Sensoren für eine Messung der Lagerabnutzung.
Danach sendet der RasPi die Messwerte in die Cloud. Dort lassen sich beliebige Dienste verwenden, um die Daten auszuwerten und die wichtigsten Informationen bequem in einem Dashboard zusammenzustellen. Der Raspberry Pi wurde hier ausgewählt, da er eine einfache und schnelle Lösung für das technische Problem der Datensammlung und Datenübermittlung darstellt. Auf dem Mini-Rechner läuft Debian als Betriebssystem.
HCP Sense
Die Idee, Lagerkräfte elektrisch zu messen, entstand bereits 2017. Nach vier Jahren Forschung und Entwicklung war es dann 2021 so weit, das Start-up HCP Sense GmbH wurde gegründet. Die neuartige Messmethode wurde patentiert und ein erster Prototyp gebaut. In den nächsten Jahren möchte sich HCP Sense zum führenden Anbieter von IoT-Lagern entwickeln. Der Pioneer Fund der TU Darmstadt und der Exist-Forschungstransfer stellen Fördergelder bereit, sodass sich die vier Vollzeitmitarbeiter voll auf die Weiterentwicklung des Produkts konzentrieren können.
Die Anwendung
Nun stellt sich die Frage, was es bringt, die Kräfte in einem Kugellager zu kennen. Das Rätsel ist schnell gelöst. Aktuell werden Lager in Anlagen oder Maschinen nach unterschiedlichen Strategien gewechselt.
Da ist zum einen der pessimistische Ansatz. Dabei tauscht der Betreiber Lager lange vor dem Ende ihrer potenziellen Laufzeit aus, um einen Ausfall sicher ausschließen zu können. Dieses Verfahren ist teuer und verursacht häufige Wartungspausen. Viele Lager werden gewechselt, obwohl sie noch perfekt funktionieren.
Dem steht als anderes Extrem der optimistische Ansatz gegenüber: Lager werden erst dann gewechselt, wenn sie sich festgefressen haben. Die Kosten sind auf den ersten Blick geringer, aber man kann die Wartungen nicht mehr planen. Zudem besteht hier das Risiko, dass das defekte Lager auch noch andere Teile der Maschine zerstört.
So wirklich smart erscheint keiner der beiden Wege. Reale Lösungsansätze schwanken denn auch zwischen diesen beiden Extremen, haben aber alle eins gemeinsam: Den optimalen Zeitpunkt für den Lagerwechsel treffen sie eher selten. Anders sieht das bei der Lösung von HCP Sense aus: Hier weiß der Betreiber jederzeit genau, in welchem Zustand sich ein Lager befindet. So kann er die maximal mögliche Laufzeit ausnutzen und überraschende Defekte ausschließen.
Im Zusammenhang mit Industrie 4.0 werden immer mehr Maschinen digitalisiert. Da liegt es auf der Hand, auch die Lager einer Maschine zu überwachen, um eine optimale Steuerung der Wartungsprozesse zu erreichen und auf diese Weise die Produktivität einer Anlage zu steigern. Am Ende des Tages werden Prozesse ressourcenschonender, was nicht zuletzt auch besser für die Umwelt ist.
Ein weiteres interessantes Einsatzgebiet für den Sensor von HCP Sense sind Riemenantriebe, bei denen es auf die optimale Spannung des Riemens ankommt. Ist er zu locker, rutscht er durch. Ist er zu fest, verschleißt er vorzeitig. Der Sensor wird hier einfach in die Spannrolle integriert, und schon kann man den Riemen optimal einstellen. Man würde an einer Veränderung der Lagerkraft natürlich auch feststellen können, wann es Zeit ist, den Riemen zu wechseln.
