Modulare intelligente Prozess-Analytik für Industrie 4.0

Prozess-Analytik-System mittels Spektroskopie
© Fraunhofer IOSB
Blick in eine virtuelle Fabrik, in der die Spektroskopie zur Analytik von Produkten aus dem Lebensmittelbereich prozessübergreifend eingesetzt werden kann

Die Erzeugnisse kleiner und mitteständiger Unternehmen müssen heute den gleichen Qualitätsanforderungen gerecht werden wie Produkte aus der vollautomatisierten Großindustrie. Oftmals verhindern jedoch zu hohe Kosten, fehlende Anpassungsmöglichkeiten sowie eine mangelnde Expertise in der Datenanalyse seitens der Anwender den Einsatz von moderner Prozessmesstechnik und Inline-Spektroskopie zur Qualitäts- und Prozesskontrolle. Das Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB hat ein modulares und intelligentes Prozess-Analytik-System zur Erfassung qualitätsrelevanter Materialparameter mittels optischer Spektroskopie entwickelt. Durch die Konzeption als Systembaukasten können individuelle Lösungen zur Qualitäts- und Prozesskontrolle einfach und kostengünstig realisiert werden. Dafür kommen insbesondere kompakte Spektralsensoren in Frage, die heute dank der enormen Fortschritte in der Miniaturisierung optischer Systeme zu weitaus geringeren Preisen als traditionelle Prozessspektrometer verfügbar sind.

Integration von Prozessanalytik in die Industrie 4.0 durch offenen Kommunikationsstandard OPC-UA

Die Integration unterschiedlicher spektroskopischer Sensormodule erfolgt über die offene Kommunikationsschnittstelle OPC-UA (Open Platform Communications Unified Architecture), die einen durchgängigen und interoperablen Daten- und Informationsaustausch innerhalb und zwischen unterschiedlichen Automatisierungsebenen im Sinn der Industrie 4.0 sicherstellt. Durch die umfangreiche Erfassung und Auswertung spektroskopischer Messdaten sowie den Austausch produktionsrelevanter Informationen können Produktionsprozesse optimiert, die Qualität gesteigert und Ressourcen eingespart werden.

Analyse der Messdaten auf Sensorebene durch eingebettete KI

Die Auswertung der spektroskopischen Messdaten erfolgt durch eingebettete KI (Künstlicher Intelligenz) auf Sensorebene, sodass kalibrierte Qualitäts- und Materialparameter direkt an die Prozess- und Anlagensteuerung übergeben werden können. Dadurch entfällt die komplexe und aufwändige Entwicklung der notwendigen Kalibrierungsmodelle für den Anwender.

Branchenübergreifende Anwendungsmöglichkeiten

Die Anwendungsgebiete optischer Spektroskopie reichen von der Lebensmittelherstellung und landwirtschaftlichen Produktion (z. B. die Reifegradbestimmung oder Überwachung der Pflanzengesundheit) über die Chemie- und Pharmaindustrie bis hin zur Identifikation von Kunststoffen für ein sortenreines Recycling. Darüber hinaus kann die Technologie auch zur Realisierung handgetragener Analysesysteme für Atline-Messungen im Produktionsumfeld oder Wareneingang eingesetzt werden. Je nach Anwendungsfall und Produkt kommen dafür unterschiedliche Spektralbereiche in Frage, die durch den modularen Systemansatz durch entsprechende spektroskopische Sensormodule, beginnend im UV-Bereich bis hin zum kurzwelligen Infrarotbereich, realisiert werden können.

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Dr. Robin Gruna

Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB
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