Kalibrier- und Prüfanlage für Infrarot-Temperatursensoren von Fluke: 40 Sensoren je Charge
EPSIA realisierte für Fluke Process Instruments eine Kalibrier- und Prüfanlage für unterschiedliche Infrarot-Temperatursensoren des Herstellers. Die Anlage verarbeitet bis zu 40 Sensoren je Charge in rund 1,5 Stunden. Unterschiedliche Sensortypen werden über ihre hinterlegten Prozessparameter konfiguriert, ohne die Anlage für jeden Typ mechanisch umrüsten zu müssen.
EPSIA übernahm das Projekt als Generalunternehmer: von Konzeption und Systemarchitektur über die Koordination von Konstruktion und Elektrotechnik bis zu Regelung, Steuerungssoftware, Systemintegration und Inbetriebnahme. Spezielle Sensorplatinen wurden nach Vorgaben von EPSIA durch ein externes Ingenieurbüro entwickelt. Die Softwareentwicklung begann bereits am digitalen Zwilling, bevor die reale Anlage vollständig verfügbar war.
- 40Sensoren je Charge in rund 1,5 Stunden
- 27kalibrierte Sensoren pro Stunde statt 10 bei der Vorgängeranlage
- 8Wärmestrahler mit sensortypspezifischen Sollwerten
- 4Regelkreise für die Umgebungstemperatur der Sensoren
Die Fallstudie zeigt den Projektverlauf in sieben Schritten: Auftrag, digitaler Zwilling, Anlage, Sensorelektronik, Kalibrierablauf, unterschiedliche Sensortypen und Ergebnis.
1 Auftrag: Eine Kalibrieranlage für unterschiedliche Sensortypen
Fluke kalibriert Infrarot-Temperatursensoren seit 2021 mit einem Kalibrierautomaten für MI3-Sensoren, dessen Steuerungssoftware EPSIA entwickelt hat. Die nachfolgende Anlage sollte unterschiedliche Sensortypen des Herstellers auf einem gemeinsamen System kalibrieren und prüfen, mehr Sensoren je Charge aufnehmen und den Durchsatz erhöhen.
Eine technische Begrenzung der bisherigen Lösung war unter anderem die Kommunikationsbox, über die die einzelnen Sensoren angesprochen wurden. Für die neue Anlage sollte deshalb auch die Kommunikation mit den Sensoren neu konzipiert werden.
Fluke beauftragte EPSIA mit der Gesamtanlage. Der Hauptauftrag wurde auf Grundlage eines Pflichtenhefts als Festpreisprojekt mit vier Meilensteinen umgesetzt. Erweiterungen für zusätzliche Sensortypen und spätere Arbeiten an der Messaufnahme folgten in getrennten Aufträgen.
2 Digitaler Zwilling: Softwareentwicklung vor Verfügbarkeit der Hardware
EPSIA entwickelte die Steuerungssoftware gegen eine 3D-Simulation der Anlage in Unity. Dadurch konnten Bedienoberfläche, Maschinenabläufe und Teile der Steuerungslogik bereits entwickelt und mit Fluke abgestimmt werden, während Motoren und Steuerungskomponenten 2022 noch Lieferzeiten von mehreren Monaten hatten.
Die Softwarearchitektur trennt die Maschinenlogik von der konkreten Hardwareanbindung. Während der Entwicklung konnte die Steuerungssoftware dadurch mit dem digitalen Zwilling, mit Laboraufbauten und später mit den realen Komponenten der Anlage verbunden werden.
Mit zunehmendem Aufbau der Maschine ersetzte EPSIA die simulierten Komponenten schrittweise durch reale Hardware. Die erste Produktion auf der Anlage erfolgte im März 2024.
3 Anlage: Steuerung aller Prozesskomponenten über ein Gesamtsystem
Die zentrale Steuerungssoftware läuft auf einem Rechner mit der von EPSIA entwickelten Plattform iSDK. Unterschiedliche Bussysteme verbinden die Steuerung mit Antrieben, Wärmestrahlern, I/O-Komponenten und Sensorelektronik.
- Antriebe
- Vier Stöber-Servoumrichter über CANopen. Eine Gantry-Achse arbeitet mit zwei synchronisierten Motoren; hinzu kommen X- und Z-Achse. Die Verfahrwege betragen bis zu 1.330, 890 und 400 mm.
- Wärmestrahler
- Acht Wärmestrahler mit Eurotherm-Reglern über Modbus RTU. Die Vorgängeranlage arbeitete mit fünf Strahlern.
- Umgebungstemperatur
- Ein von Fluke aufgebautes System aus Kupferblöcken und Peltier-Elementen temperiert die Sensoren. EPSIA entwickelte dafür die Regelung mit vier Regelkreisen.
- I/O und Sicherheitstechnik
- WAGO-I/O über Modbus TCP bindet unter anderem Türzustände, Zuhaltung, Signalleuchten und Regelkreise an die Steuerungssoftware an. Sicherheitsfunktionen wie Not-Halt und Türüberwachung werden unabhängig davon über ein PNOZ-Sicherheitsrelais realisiert.
- Sensorkommunikation
- Zwei Sensorplatinen mit jeweils einem Raspberry Pi verbinden die Steuerung mit jeweils bis zu 20 Sensoren.
- Daten
- Eine MySQL-Datenbank verwaltet unter anderem Sensortypen, Prozessparameter und Seriennummern. Die Berechnung der Kalibrierkennlinien erfolgt durch einen Kalibrierdienst von Fluke.
4 Sensorelektronik: 40 Sensoren gezielt einzeln ansprechen
Die Sensoren verfügen jeweils über einen Mikrocontroller und verwenden dieselbe I²C-Adresse. Für die parallele Aufnahme von bis zu 40 Sensoren war deshalb eine neue Kommunikationslösung erforderlich.
EPSIA entwickelte das Konzept und die Anforderungen für zwei spezielle Sensorplatinen. Die elektronische Entwicklung und Fertigung übernahm ein externes Ingenieurbüro im Auftrag von EPSIA.
Jede Platine verbindet bis zu 20 Sensoren mit einem Raspberry Pi. Multiplexer schalten jeweils den Sensor auf den Kommunikationsbus, mit dem die Software gerade kommunizieren soll. Der Raspberry Pi führt die hardwarenahe Kommunikation aus und ist über das Netzwerk mit der zentralen Anlagensteuerung verbunden.
Damit kann die Anlage für jeden einzelnen Sensor Messwerte lesen, Seriennummern vergeben sowie Kennlinien und Derating-Daten schreiben. Anschließend werden die geschriebenen Daten zur Kontrolle erneut ausgelesen.
5 Kalibrierablauf: Eine Charge weitgehend automatisiert bearbeiten
Nach dem Bestücken und Starten einer Charge führt die Anlage die Kalibrier- und Prüfschritte automatisiert aus. Zeitintensive Vorgänge werden dabei soweit möglich parallelisiert: Die Sensoren werden gemeinsam temperiert, während die Wärmestrahler ihre jeweiligen Solltemperaturen erreichen.
Für die eigentliche Messung positioniert das Achssystem jeden Sensor vor dem vorgesehenen Wärmestrahler. Nach der Einschwingzeit nimmt die Anlage 200 Messwerte auf.
Der Prozess umfasst unter anderem:
- Sensoren erkennen
- Die Anlage prüft die belegten Positionen und legt für erkannte Sensoren Datensätze mit Seriennummer und Modelldaten an.
- Kalibrieren
- Messwerte werden an den Kalibrierdienst von Fluke übertragen. Die daraus berechnete Kennlinie schreibt die Anlage auf den jeweiligen Sensor und liest sie anschließend zur Kontrolle zurück.
- Prüfen
- Bei weiteren Temperaturpunkten vergleicht die Software die Messwerte des Sensors mit der Referenztemperatur des Wärmestrahlers und bewertet sie anhand der hinterlegten Toleranzen.
- Derating bestimmen
- Für weitere Umgebungstemperaturen wird die Sensoraufnahme neu temperiert und der Messablauf wiederholt.
- Fehler behandeln
- Besteht ein Sensor einen Prozessschritt nicht, wird er mit der entsprechenden Fehlerursache aus dem weiteren Ablauf genommen. Die übrigen Sensoren der Charge werden weiterbearbeitet.
6 Unterschiedliche Sensortypen: Prozessparameter statt mechanischem Umbau
Ein Sensortyp wird in der Anlage im Wesentlichen durch seine hinterlegten Prozessparameter beschrieben. Der Bediener wählt die entsprechende Artikelnummer; die Software lädt anschließend die benötigten Umgebungs-, Kalibrier-, Prüf- und Derating-Temperaturen sowie Wartezeiten und Toleranzen aus der Datenbank.
Die Wärmestrahler werden automatisch auf die für diesen Sensortyp benötigten Temperaturen eingestellt. Gleichzeitig temperiert die Anlage die Sensoraufnahme auf die vorgesehenen Umgebungstemperaturen – bei einem Beispieltyp etwa auf 23 und 80 °C.
Auch die Belegung der Aufnahme ist parametrierbar. Für MI3-Sensoren stehen beispielsweise zehn Positionen je Blockhälfte zur Verfügung; eine andere Baureihe verwendet acht Positionen mit größeren Abständen.
EPSIA entwickelte außerdem die Temperaturregelung der Sensoraufnahme. Die Software ermittelt zunächst die thermische Kennlinie der einzelnen Blöcke und nutzt diese zur Vorsteuerung. Ein zusätzlicher P- und I-Anteil korrigiert verbleibende Abweichungen.
Da die eingesetzten Peltier-Elemente abhängig von der Stromrichtung heizen oder kühlen können, kann dieselbe Sensoraufnahme unterschiedliche Umgebungstemperaturen sowohl durch Erwärmen als auch durch Abkühlen erreichen.
7 Ergebnis: 40 Sensoren in rund 1,5 Stunden
Die neue Kalibrier- und Prüfanlage erhöht sowohl die Kapazität je Charge als auch den Durchsatz gegenüber der Vorgängeranlage.
- Bis zu 40 Sensoren werden in rund 1,5 Stunden bearbeitet. Die Vorgängeranlage verarbeitet 20 Sensoren in rund zwei Stunden.
- Daraus ergibt sich ein Durchsatz von rund 27 statt 10 Sensoren pro Stunde – etwa das 2,7-Fache.
- Unterschiedliche Sensortypen können über hinterlegte Prozessparameter verarbeitet werden, ohne für jeden Typ einen grundlegenden mechanischen Umbau der Anlage vorzunehmen.
- Acht Wärmestrahler stellen die benötigten Referenztemperaturen bereit.
- Zwei speziell entwickelte Sensorplatinen ermöglichen die individuelle Kommunikation mit bis zu 40 Sensoren.
- Die erste Produktion erfolgte im März 2024, die Vorabnahme im Dezember 2024. Die letzte vereinbarte Softwareversion wurde im Februar 2026 an Fluke übergeben.
Wofür steht dieses Projekt?
Das Projekt zeigt, wie EPSIA bei einem System mit Hardwarebezug über die reine Softwareentwicklung hinaus Verantwortung übernehmen kann. EPSIA koordinierte als Generalunternehmer die Gesamtanlage, arbeitete für mechanische Konstruktion, Elektrotechnik und Elektronikentwicklung mit spezialisierten Partnern zusammen und entwickelte selbst Systemarchitektur, Regelung, Steuerungssoftware und Systemintegration.
Der digitale Zwilling ermöglichte es, Software, Bedienkonzept und Maschinenabläufe bereits zu entwickeln und abzustimmen, während wesentliche Hardwarekomponenten noch nicht verfügbar waren. Während des Anlagenaufbaus wurde die Simulation anschließend schrittweise durch reale Hardware ersetzt.
Wie lange dauerte es bis zur Übergabe?
Der Hauptauftrag wurde als Festpreisprojekt mit vier definierten Meilensteinen umgesetzt. Während der Lieferengpässe im Jahr 2022 konnte die Softwareentwicklung am digitalen Zwilling fortgesetzt werden.
Die erste Produktion auf der Anlage erfolgte im März 2024, die Vorabnahme im Dezember 2024. Erweiterungen für zusätzliche Sensortypen und Arbeiten an der Messaufnahme wurden in getrennten Aufträgen umgesetzt. Die letzte vereinbarte Softwareversion übergab EPSIA im Februar 2026.
Wie beginnt ein Anlagenprojekt mit EPSIA?
Ein Anlagenprojekt mit EPSIA kann mit einem Architektur-Check zu einem vereinbarten Festpreis beginnen. EPSIA analysiert dabei Hardwareanbindung, Maschinenabläufe, Schnittstellen und Anforderungen an den späteren Betrieb.
Das Ergebnis beschreibt die benötigten Komponenten, deren Zusammenspiel und eine sinnvolle Reihenfolge für die Umsetzung. Auf dieser Grundlage können ein Pflichtenheft und ein Festpreisangebot für die anschließende Entwicklung entstehen.
Bei geeigneten Anlagen kann ein digitaler Zwilling von Beginn an Bestandteil der Softwarearchitektur und des Entwicklungsprozesses sein.
Mehr zur Leistung unter Softwareentwicklung für Systeme mit Hardwarebezug.
Die vorherige Generation zeigt die Referenz Kalibrierautomat für Infrarot-Temperatursensoren von Fluke.
Eckdaten
- Kunde
- Fluke Process Instruments, Berlin
- Leistung
- Systeme mit Hardwarebezug
- Branche
- industrielle Messtechnik und berührungslose Temperaturmessung
- Zeitraum
- 2021 bis 2026, Hauptauftrag zum Festpreis, spätere Erweiterungen in getrennten Aufträgen
- Technik
- C++, Qt, iSDK, JavaScript, Python, Unity, MySQL, CANopen, Modbus RTU, Modbus TCP, WAGO-I/O, I²C, Raspberry Pi, Eurotherm-Regler.