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Kraftmesstechnik für Silos Funksensoren plus IIoT sorgen für effizientere Logistikprozesse

Von Dr.-Ing. Markus Heidl, WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG

Auf dem Weg zum klimaneutralen CO2-Ausstoß zählt jeder Schritt. Einer davon ist die Reduzierung von Kraftfahrzeugabgasen durch ­effizientere Logistikprozesse. Wie dies funktioniert, zeigen zwei Beispiele. Hier schaffen Kraftmesstechnik mit Funksensoren und IIoT-Infrastruktur die notwendige Voraussetzung.

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Wird der Füllstand in Silos online kontrolliert, lässt sich die Logistik bedarfsorientiert steuern.
Wird der Füllstand in Silos online kontrolliert, lässt sich die Logistik bedarfsorientiert steuern.
(Bild: Wika stocksolutions - stock.adobe.com)

Über Deutschland allein verteilen sich schätzungsweise 500.000 Silos, in denen Zement, Kunststoffgranulate, Getreide, Futtermittel und anderes Gut bereitgestellt wird. Täglich sind Flotten von Lkw mit Nachschub für die Silos unterwegs. Der Fahrzeugeinsatz ließe sich wesentlich verringern, würden die Depots intelligent befüllt. Doch das trifft aktuell nur für den kleinsten Teil zu.

Die Mehrheit der Silos wird immer noch aufgrund eines vorab errechneten Bedarfs und nach festgelegten Intervallen angefahren. Ist der Verbrauch geringer ausgefallen als angenommen, kehrt ein Teil der Ladung wieder zum Lieferanten zurück. Die Fahrt − und damit der Energieverbrauch und der Schadstoff-Ausstoß − war letztlich nicht notwendig. Obendrein muss die Retoure in manchen Fällen aufgrund von Vorschriften noch entsorgt werden. In der Landwirtschaft kommt es darüber hinaus vielfach zu außerplanmäßigen Eillieferungen.

Würde die Füllstandskontrolle in den Silos per Online-Monitoring erfolgen, ließe sich die gesamte Logistik rein bedarfsorientiert planen und steuern. Die Betreiber erhalten einen kontinuierlichen Überblick über den Verlauf der Füllstände in den Silos, nicht nur Grenzwerte. Warnschwellen machen rechtzeitig auf eine Nachfüllung aufmerksam.

Verbrauchsprognosen, erstellt anhand der Daten aus dem Monitoring, erweitern den Spielraum zur Optimierung von Fahrtrouten und Ladekapazität. Der Einsatz der Lieferflotten wird somit effizienter und verursacht folglich weniger CO2.

Um den Füllstand in Silos zu erfassen, stehen den Betreibern mehrere Methoden zur Verfügung. Die gravimetrische Variante arbeitet unabhängig von der Konsistenz des jeweiligen Schüttguts und dessen Verteilung im Silo. Die Messstelle befindet sich außerhalb des Behälters. Das Medium bleibt somit vom Messgerät unberührt und kann es umgekehrt auch nicht verunreinigen und in seiner Aufgabe beeinträchtigen.

Zur Erfassung der Gewichtseinwirkung dienen zwei Gerätearten, die beide ohne Kontakt mit dem Siloinhalt eine kontinuierliche Füllstandsmessung ermöglichen. Biege- oder Scherstäbe, die sich durch eine hohe Genauigkeit auszeichnen, müssen in die Füße der Silo-Stützen eingebaut werden. Damit kommen sie in erster Linie nur für die Instrumentierung künftiger Silos in Frage.

Mit Dehnungsaufnehmern hingegen lassen sich sowohl neue als auch bereits existierende Behälter ausstatten. Die Messgeräte sind einfach zu installieren: Sie werden an die Stützen der Silos geschraubt und sind aus diesem Grund zudem eine wirtschaftliche Lösung.

Messwerte in der Cloud

Zum Aufbau eines IIoT-basierten Monitoringsystems für Silo-Betreiber hat Wika einen Dehnungsaufnehmer mit Funkmodul entwickelt. Typ F98W übermittelt seine Messwerte über den LoRaWAN-Standard. Die Signale aller in das System eingebundenen Sensoren münden in ein Gateway mit Internetanbindung oder SIM-Card, je nach Infrastruktur. Von dort aus werden die gebündelten Informationen zur Auswertung und zur Visualisierung auf einem Dashboard in eine Cloud übertragen. Das System, das Wika kundenspezifisch umsetzt, ist skalierbar. Die Betreiber können jederzeit weitere Silos ohne großen Aufwand eingliedern.

Ein vergleichbares Kontrollnetz ließe sich auch über eine Verkabelung knüpfen. Der technische Aufwand an den Silos selbst wäre jedoch ungleich höher. Zu den Sensoren und den Kabeln kämen noch Summierboxen, Verstärker und Sendeeinheiten hinzu. Entsprechend kostenträchtig wäre die Montage der Instrumentierung.

Die Dehnungsaufnehmer hingegen sind nach dem Anbringen auf den Stützen und dem Einrichten per App via Bluetooth sofort betriebsbereit, die Konfiguration erfolgt über die Cloud. Typ F98W wird mit vier Schrauben befestigt, um eine für die Messung optimale Auflage zu erzielen. Er erfasst Dehnungen bis 1.000 µε (die international gebräuchliche Einheit Microepsilon entspricht der Angabe Mikrometer pro Meter = µm/m). Bei dem Gerät handelt es sich um einen mit Dehnungsmessstreifen beklebten Sensor, der die Dehnung in ein elektrisches Signal umwandelt (Wheatstone' sche Brückenschaltung).

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Einfache Nachrüstung

Das Nachrüsten bestehender Silos mit dem Funkmessgerät erfolgt idealerweise, wenn die Behälter voll oder leer sind. Die Geräte lassen sich dann ausgehend vom Maximal- bzw. Minimalwert einrichten. Auf diese Weise ergibt sich eine Linearität des Signals mit einer Abweichung kleiner gleich zwei Prozent Fnom. Zum Vergleich: Bei einer derartigen Anwendung liegt die geforderte Genauigkeit üblicherweise bei fünf Prozent Fnom. Die Dehnungsaufnehmer können selbstverständlich auch bei laufendem Silo-Betrieb angebracht werden. Sie messen dann zwar mit einer größeren Abweichung, liefern aber dennoch ein belastbares Ergebnis. Die Geräte können später per App nachjustiert werden.

Eine Instrumentierung mit einem Sensor pro Stütze sorgt dafür, dass sich Änderungen bei der Verteilung der Behälterladung nicht signifikant auf die Genauigkeit der Messung auswirken. Sollte es wider Erwarten zum Ausfall eines Dehnungsaufnehmers kommen, übermitteln die übrigen Geräte genügend Daten für eine aussagekräftige Information.

Der Sensortausch braucht aus diesem Grund auch nicht ad hoc zu erfolgen. Dieser kann bei der nächsten regulären Fahrt zum Standort mit eingeplant werden. Das erhöht die Betriebseffizienz und verbessert die Ökobilanz. Für die Schadensreparatur sind zudem keine Fachkräfte erforderlich: Der Betreiber oder der Nutzer des Silos kann das Ersatzgerät mit dem spezifischen Anziehdrehmoment selbst festschrauben und per App in Betrieb nehmen.

Online-Kontrolle der Erdkräfte

Ein kraftmesstechnisches Monitoringsystem wie bei der Silo-Füllstandskontrolle lässt sich auch für die Überwachung neuralgischer Punkte in der Topographie, zum Beispiel Erdhänge, Berge, Dämme und Tunnel, verwirklichen. Zur Sicherung solcher Orte werden Erdanker in Kombination mit Ringkraftaufnehmern als Messgerät eingesetzt.

Mit dem neuen Ringkraftaufnehmer Typ F6xW mit LoRaWAN-Modul hat Wika jetzt die sensorische Voraussetzung für ein Monitoringsystem mit entsprechender IIoT-Infrastruktur geschaffen. Bereits installierte Ringkraftaufnehmer können ohne großen Aufwand gegen das neue Gerät ausgetauscht werden, das wie der Dehnungsaufnehmer über App und Bluetooth einsatzbereit gemacht wird.

Da das Abfahren der einzelnen Messstellen zwecks Ablesen der Messwerte immer noch weit verbreitet ist, würde ein Monitoringsystem solche Touren vollständig ersetzen. Zudem kommt es immer häufiger es zu Extremwettern. Ein Monitoringsystem mit Datenverarbeitung und Prognoseerstellung verbessert die Gefahrenerkennung an kritischen Stellen.

Ein solches System fußt auf der Ankerkraftmessung. Der am Erdanker angebaute Ringkraftaufnehmer wird dazu auf die Mitte der Nennlast vorgespannt. Der Funksensor F61W zum Beispiel ist für Kräfte bis 6.000 kN ausgelegt, was ein breites Nennlasten-Spektrum abdeckt. Die kontinuierlich erfassten Messwerte lassen auf einen Blick erkennen, ob und wie viel das Erdreich drückt oder sich zurückzieht. So können die zuständigen Behörden in Abstimmung mit Geologen frühzeitig zusätzliche Sicherungsmaßnahmen ergreifen oder gar eine Evakuierung von Menschen anordnen.

Fazit: Kraftmesstechnik mit Funksensoren für ein Online-Monitoring und IIoT-Infrastruktur leistet einen Beitrag, die CO2-Emissionen des Fahrzeugverkehrs zu drosseln. Außerdem ermöglicht sie bei Schüttgut-Silos eine intelligente Befüllung. Eine vergleichbare Lösung bietet sich auch für die Überwachung kritischer Punkte in der Topographie mittels Erdankern an. Diese könnte die noch immer weit verbreiteten aufwendigen Kontrollfahrten ersetzen.

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