Die digitale Erfassung von Ressourcenverbräuchen erfordert im Vorfeld eine Auseinandersetzung mit den Möglichkeiten der verfügbaren Messmethoden, -techniken und Sensorarten.

„Die Aufgabe der Messtechnik ist [dabei] die objektive, reproduzierbare und quantitative Erfassung einer physikalischen Größe. Dabei bedeutet: 

• objektiv von den Sinnesorganen des Menschen unabhängig,
• reproduzierbar wiederholbar und kontrollierbar
• quantitativ mit einer Zahl versehen.“* Mühl, T. (2022): Elektrische Messtechnik – Grundlagen, Messverfahren, Anwendungen. 6., überarb. Auflage 2022, Springer Fachmedien Wiesba-den GmbH; Springer Vieweg, Wiesbaden, ISBN 978-3-658-29115-0, S.1.

Die Weiterverarbeitung des mittels Messgeräts digital erzeugten Messwerts in anderen Systemen, erfolgt anschließend über eine geeignete Schnittstelle.

Messgröße

Zur Auswahl der richtigen Messtechnik, um den Ressourcenverbrauch zu ermitteln gilt es zunächst zu klären, welche Messgrößen zur Analyse der Ressourceneffizienz von Interesse sind. In der Produktion bezieht sich die Messung des Ressourcenverbrauchs auf Material, Energie und Wasser. Die Darstellung der Ressourcenmenge ist abhängig von der Ressourcenart und dem Aggregatzustand, beispielsweise:

• Material und Wasser: Stückzahl, Masse (z. B. kg), Stoffmenge (z. B. Mol), Volumen (z. B. m³), Konzentration (z. B. kg/m³) oder Massen-, Stoffmengen- und Volumenströme (z. B. kg/h, mol/min, m³ /h)
• Energie: thermische Energiemenge (z. B. kJ, kWh) oder elektrische Leistung (z. B. kW)

Einige Messgrößen erlauben eine direkte Bestimmung der Ressourcenmenge, d. h. die entsprechenden Messwerte lassen unmittelbar auf die Ressourcenmenge und folglich den Ressourcenverbrauch schließen. Andere Messgrößen erlauben lediglich eine indirekte Bestimmung der Ressourcenmenge bzw. des -verbrauchs durch Umrechnung.* Frerichs, T. und Saulich, K. (2022): Kurzanalyse 32: Technologien zur digitalen Erfassung von Ressourcenverbräuchen. VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH, Berlin (abgerufen am: 08.11.2024).

Anforderungen und Rahmenbedingungen

Nachdem die erforderliche Messgröße definiert wurde, müssen im nächsten Schritt weitere Anforderungen geklärt werden, um einen geeigneten Sensor für die jeweilige Messaufgabe zu identifizieren. Bei der Festlegung der Anforderungen müssen besonderes im produzierenden Gewerbe Randbedingungen, die durch den Einsatzort gegeben sind (z.B. Temperaturgradient, Schmutz und Feuchtigkeit) sowie Details zur Messgröße und zulässige Fehlertoleranzen, definiert werden. Darüber hinaus muss die Signalverarbeitung und die Art der Weiterverarbeitung festgelegt werden. Bei der Signalverarbeitung wird zwischen analogen und digitalen Messmethoden unterschieden.* Helbig, W. (2021): Grundbegriffe in der Messtechnik. In: Helbig, W., Hg. Praxiswissen in der Messtechnik: Arbeitsbuch für Techniker, Ingenieure und Studenten, Springer Vieweg, Wiesbaden, S. 1–23. ISBN 978-3-658-27801-4.

Ein analoges Signal stellt kontinuierliche Werte dar. Das bedeutet, dass die Messgröße durch ein kontinuierlich veränderliches Signal abgebildet wird, das jeden beliebigen Zwischenwert annehmen kann. Analoge Signale eignen sich daher besonders für Anwendungen, bei denen genaue, kontinuierliche Werte benötigt werden. Zur Weiterverarbeitung in anderen Systemen oder zur Speicherung müssen analoge Signale jedoch zuerst in digitale Signale umgewandelt werden.

Im Gegensatz dazu arbeitet ein digitales Signal mit diskreten Werten. Das bedeutet, dass ein digitales Signal Stufen oder bestimmte Schritte verwendet und keine Zwischenwerte möglich sind. Digitale Signale sind robuster gegenüber Störungen und lassen sich einfacher über große Entfernungen übertragen.

Bei der Festlegung des Messintervalls stellt sich die Frage, ob die Erfassung der Messgröße in großen (diskontinuierlich) oder in kleinen Zeitabständen (kontinuierlich) erfolgen soll. Diese Entscheidung hat erhebliche Auswirkungen auf die Qualität und Quantität der erhobenen Daten und wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, u. a. von der Art der Messgröße, der Messaufgabe und dem Messziel. 

• Diskontinuierliche Erfassung: Eine diskontinuierliche Erfassung birgt das Risiko eines möglichen Informationsverlusts, insbesondere wenn der Abstand zwischen den Messungen zu groß gewählt wird. Bei zu seltenen Messungen können wichtige Veränderungen übersehen werden, was zu verzerrten Ergebnissen führen kann.
• Kontinuierliche Erfassung: Eine kontinuierliche Erfassung gewährleistet eine lückenlose Datenaufzeichnung, kann jedoch zu einem erheblichen Datenaufkommen führen, das entsprechend verwaltet und ausgewertet werden muss.* Parthier, R. (2020): Messtechnik – Vom SI-Einheitensystem über Bewertung von Messergebnissen zu Anwendungen der elektrischen Messtechnik. 9., überarbeitete und erweiterte Auflage, Springer Vieweg, Wiesbaden, Germany, Lehrbuch, ISBN 978-3-658-27130-5.

Sensoren

Sensoren sind wesentliche Bestandteile eines Messgerätes, die sich je nach Art der direkt oder indirekt zu messende Ressourcen unterscheiden. In der nachfolgenden Abbildung sind verschiedene Sensortypen zu den jeweiligen Messgrößen aufgelistet. 

Die Funktionsweise von Sensoren basiert auf der Umwandlung chemischer, physikalischer oder biologischer Größen in elektrische Signale. Dabei besteht in den meisten Fällen ein linearer Zusammenhang zwischen den gemessenen Größen und den erzeugten Signalen. Typische Aufgaben im produzierenden Gewerbe sind neben der Erfassung des Ressourcenverbrauchs die Qualitätssicherung und die Prozesskontrolle. Sensoren in der produzierenden Industrie sollten hohe Messsicherheit, Langzeitstabilität, vielseitige Temperaturbeständigkeit, kompakte Bauweise, direkte Prozesskopplung, niedrigen Energiebedarf und standardisierte Schnittstellen aufweisen.* Tränkler, H.-R. und Reindl, Leonard M. (2014): Sensortechnik – Handbuch für Praxis und Wissenschaft. 2., völlig neu bearb. Aufl., Springer Vieweg, Berlin, ISBN 978-3-642-29941-4.

© Eigene Darstellung auf Basis von Fleischer, J.; Klee, B.; Spohrer, A. und Merz, S. (2018): Leitfaden Sensorik für Industrie 4.0 - Wege zu kostengünstigen Sensorsystemen. VDMA Forum Industrie 4.0; Karlsruher Institut für Technologie (KIT) - wbk Institut für Produktionstechnik.

Neben der Auswahl geeigneter Sensoren ist auch die Auswahl geeigneter Schnittstellen von entscheidender Bedeutung, um eine Verbindung zwischen anderen Systemen, Maschinen oder Menschen herzustellen. Die Übertragung über die Schnittstellen ist eine notwendige Voraussetzung für die Speicherung und die Auswertung der erfassten Daten.

In der nachfolgenden Abbildung wird der grundlegende Auswertungsprozess dargestellt. Der Prozess wird anhand einer sensorischen Messung, eines Bussystems sowie einer Auswerteeinheit veranschaulicht.

© VDI ZRE

Die im ersten Schritt definierten physikalischen Größen werden im Anschluss von den ausgewählten Sensoren erfasst. Die empfangenen Signale werden in digitale Signale umgewandelt und anschließend über ein Bus-System an die nachfolgende Verarbeitungseinheit weitergeleitet. Ein Bus-System ermöglicht es mehreren Sensoren, über dieselbe Leitung kommunizieren zu lassen. Damit die Signale eindeutig zugeordnet werden können, werden sie in den entsprechenden Protokollen codiert.

Da die Daten bei der Übertragung zwischen den verschiedenen Erfassungs-, Speicher- und Verarbeitungseinheiten umgewandelt werden müssen, kann es, wie exemplarisch in Abbildung 2 dargestellt, an den Schnittstellen zu Datenverlusten kommen. Um unerwünschten Datenverlusten vorzubeugen, ist es ratsam, sich zunächst mit den Schnittstellen und den Übertragungsformaten auseinanderzusetzen. So können mögliche Schnittstellenkonflikte identifiziert und als Grundlage für notwendige Anpassungen genutzt werden.* Hottinger Brüel & Kjaer GmbH (2022): Schnittstellen und Bussysteme (online) – Die richtige Kommunikation im industriellen Bereich, 12.07.2022 (abgerufen am: 12.09.2024).

Hardwareschnittstellen 

• Hardwareschnittstellen ermöglichen die physische Verbindung zwischen verschiedenen Geräten, wie Sensoren, Aktoren oder Computern, und gewährleisten die Kommunikation zwischen diesen Komponenten. 

Softwareschnittstellen 

• Softwareschnittstellen (APIs) ermöglichen den Datenaustausch und die Interaktion zwischen verschiedenen Softwareanwendungen. Sie definieren, wie Programme miteinander kommunizieren und Daten austauschen können. 

Netzwerkschnittstellen 

• Netzwerkschnittstellen ermöglichen den Zugang zu lokalen Netzwerken (LAN) oder dem Internet, um Daten zwischen Geräten und Systemen auszutauschen.

Benutzerschnittstellen

• Benutzerschnittstellen sind die Schnittstellen, über die Menschen mit einem technischen System, einer Maschine oder einer Software interagieren. Dazu zählen unter anderem grafische Elemente, Texteingaben, Schaltflächen sowie weitere visuelle oder physische Bedienelemente, die eine Kommunikation zwischen Mensch und Maschine ermöglichen.

Schnittstellen üben einen maßgeblichen Einfluss auf die Datenqualität und -quantität aus. Um die gewünschte Datenqualität und -quantität für Unternehmen konstant zu gewährleisten, ist eine ganzheitliche Betrachtung des Mess- und Erfassungssystems sowie eine individuelle Anpassung im Detail erforderlich. Die Auswahl eines geeigneten Sensors, einer adäquaten Übertragungstechnologie sowie eines zweckdienlichen Auswertungssystems erfolgt auf Basis des angestrebten Datensatzes, da dieser den Dateninhalt definiert.

Neben kabelbasierten Bus-Systemen besteht die Möglichkeit der Datenübertragung auch mittels WPAN (Wireless Personal Area Network). WPANs stellen eine Möglichkeit zur drahtlosen Übertragung von Daten dar. Sie verfügen häufig lediglich über eine geringe Reichweite (bis zu 10 m) und finden insbesondere im Bereich des Internet of Things (IoT) Anwendung.* Grasreiner, S. (04.02.2022): WPAN (Wireless Personal Area Network) (online), 04.02.2022 (abgerufen am: 12.09.2024).