Kalibrierautomat für Infrarot-Temperatursensoren von Fluke: über 80.000 Sensoren seit 2021

EPSIA entwickelte die vollständige Steuerungssoftware für einen Kalibrierautomaten von Fluke Process Instruments. Die Anlage kalibriert, prüft und zertifiziert Infrarot-Temperatursensoren der Serie MI3 weitgehend automatisiert.

Bis zu 20 Sensoren werden gemeinsam als Los verarbeitet – vom Einlesen und Identifizieren über mehrere Temperaturaufnahmen und die individuelle Kalibrierung bis zur Validierung und zum Kalibrierzertifikat.

• 80.000+Sensoren seit 2021 kalibriert, geprüft und zertifiziert
• 20Sensoren je Los in rund 2 Stunden
• 71.426C++-Codezeilen aus der Maschinenbeschreibung generiert

Die Fallstudie zeigt den Projektverlauf in sieben Schritten: Auftrag, Anlage, Ablauf, Maschinenbeschreibung, Inbetriebnahme, Standortwechsel und Ergebnis.

1 Auftrag: Kalibrierung und Prüfung automatisieren

Jeder Infrarot-Temperatursensor muss vor der Auslieferung bei mehreren Temperaturen vermessen, individuell kalibriert und anschließend geprüft werden. Bei Fluke erfolgten diese Arbeitsschritte zuvor teilweise manuell, mit einem Halbautomaten oder auf einer bestehenden Anlage.

Ziel des neuen Systems war ein automatisierter und reproduzierbarer Prozess für komplette Sensorlose. Messwerte und Kalibrierdaten sollten für jeden einzelnen Sensor nachvollziehbar gespeichert werden.

EPSIA analysierte die Anforderungen und erstellte im August 2020 das Pflichtenheft für die Steuerungssoftware. Die anschließende Entwicklung wurde nach einer Konzeptphase als Festpreisprojekt mit drei definierten Meilensteinen umgesetzt.

Warum müssen Infrarot-Temperatursensoren kalibriert werden?

Infrarot-Temperatursensoren bestimmen die Temperatur eines Objekts anhand seiner Wärmestrahlung, ohne es zu berühren. Optik und Detektor wandeln die erfasste Infrarotstrahlung in ein elektrisches Signal um, aus dem die Temperatur berechnet wird.

Da sich Sensoren durch Fertigungstoleranzen geringfügig unterscheiden, benötigt jeder Sensor eine individuelle Kalibrierung. Dazu wird er mit bekannten Temperaturen vermessen und aus den Messwerten eine Kennlinie bestimmt. Zusätzlich muss berücksichtigt werden, wie sich unterschiedliche Umgebungstemperaturen auf die Messung auswirken.

2 Anlage: Wärmestrahler, Sensoraufnahme und zwei Servoachsen

Die Anlage kombiniert bis zu sechs Wärmestrahler mit einer beheizten Aufnahme für bis zu 20 Sensoren. Zwei Servoachsen positionieren die Strahler nacheinander vor den zu kalibrierenden Sensoren.

Die Wärmestrahler stellen definierte Referenztemperaturen bereit, während die beheizte Aufnahme unterschiedliche Umgebungstemperaturen der Sensoren erzeugt. Die Steuerungssoftware von EPSIA koordiniert alle beteiligten Komponenten:

• Sensoren, Wärmestrahler und Heizungen: Kommunikation über RS485.
• Servoachsen: Ansteuerung über CANopen.
• Tür, Not-Aus, Taster und Signalleuchten: WAGO-I/O über Modbus.
• Datenhaltung: Speicherung von Mess-, Kalibrier- und Prozessdaten in einer MariaDB-Datenbank.

Fällt ein einzelner Sensor während eines Loses aus, kann die Software diesen Sensor aus dem weiteren Ablauf nehmen und die Bearbeitung der übrigen Sensoren fortsetzen.

3 Ablauf: Vom Bestücken bis zum Kalibrierzertifikat

EPSIA automatisierte den vollständigen Kalibrier- und Prüfablauf für ein Los mit bis zu 20 Sensoren:

• Bestücken: Der Bediener setzt die Sensoren ein und scannt ihre Barcodes. Die Software prüft, ob die Sensoren zum vorgesehenen Produkttyp gehören.
• Identifizieren: Die Software liest die Sensoren aus. Für neue Sensoren wird eine Seriennummer bezogen und zusammen mit den Produktinformationen auf dem Sensor hinterlegt.
• Temperaturen einstellen: Wärmestrahler und Sensoraufnahme werden auf die für den jeweiligen Prüfschritt erforderlichen Temperaturen gebracht. Aufheizzeiten und Korrekturwerte für unterschiedliche Strahlertypen und Abstände sind in der Software hinterlegt.
• Temperaturaufnahmen durchführen: Sobald stabile Bedingungen erreicht sind, positionieren die Servoachsen die Wärmestrahler nacheinander vor den Sensoren und die Messwerte werden aufgenommen.
• Kalibrieren: Ein Kalibrierdienst berechnet aus den Messwerten die individuelle Kennlinie des Sensors. Die ermittelten Kalibrierdaten werden anschließend auf den Sensor übertragen.
• Validieren: Die kalibrierten Sensoren werden erneut bei definierten Temperaturen vermessen und anhand der produktspezifischen Toleranzen geprüft. Zusätzlich wird das Verhalten bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen untersucht und korrigiert.
• Zertifizieren: Für jeden erfolgreich geprüften Sensor erzeugt die Software automatisch ein Kalibrierzertifikat als PDF. Messwerte und Prozessdaten bleiben in der Datenbank rückverfolgbar gespeichert.

4 Maschinenbeschreibung: Aus 1.938 Zeilen entstehen 71.426 Zeilen C++

EPSIA beschreibt wesentliche Teile der Anlage deklarativ. Module, Parameter, Ereignisse und Bedienerdialoge werden in einer strukturierten Maschinenbeschreibung definiert.

Das von EPSIA entwickelte Basissystem iSDK erzeugt daraus große Teile des C++-Quellcodes der Steuerung automatisch. Aus 1.938 Zeilen Maschinenbeschreibung entstehen bei dieser Anlage 71.426 Zeilen generierter C++-Code. Bei Änderungen kann dieser Code reproduzierbar neu erzeugt werden.

Dadurch müssen wiederkehrende Strukturen der Anlagensteuerung nicht einzeln programmiert werden und folgen über das gesamte System denselben technischen Regeln.

Umfang der Anlagensoftware

Maschinenbeschreibung

1.938 Zeilen in 24 Dateien, 17 asynchrone Module, 42 Bedienerdialoge

Daraus generiert

71.426 C++-Codezeilen in 228 Dateien

Manuell entwickelt

12.770 Codezeilen in 152 Dateien

Basissystem iSDK

88.562 Codezeilen

Gesamt

172.758 Codezeilen, 960 Klassen, 3.356 Änderungen

Achsen

2 Servoachsen über CANopen

Temperaturquellen

bis zu 6 Wärmestrahler und 2 Blockheizungen über RS485

Sensoren

bis zu 20 je Los über RS485

I/O-Signale

15, über WAGO/Modbus

5 Inbetriebnahme: Abnahme im September 2021

EPSIA nahm die Anlage im Berliner Werk von Fluke Process Instruments in Betrieb. Die Abnahme des letzten vereinbarten Meilensteins erfolgte im September 2021.

Die Bedienoberfläche umfasst unter anderem Benutzer- und Berechtigungsebenen, Rezeptverwaltung und Funktionen für die Inbetriebnahme. Ergänzend entwickelte EPSIA Werkzeuge für Datenbankzugriff, Analyse, Motortests und die Diagnose einzelner Sensoren.

6 Standortwechsel: Von Berlin über Großbritannien nach China

Nach dem ursprünglichen Einsatz in Berlin verlegte Fluke den Kalibrierautomaten zunächst nach Großbritannien und später nach China. Die Steuerungssoftware von EPSIA wurde an den neuen Standorten weiterbetrieben.

Für den Betrieb in der veränderten IT-Umgebung entwickelte EPSIA 2025 unter anderem einen neuen Windows-Installer. Weitere Funktionen wurden über die Betriebsjahre ergänzt, darunter die automatische Erstellung der Kalibrierzertifikate.

Die Software begleitete damit dieselbe Anlage über mehrere Produktionsstandorte und unterschiedliche technische Betriebsumgebungen.

7 Ergebnis: Mehr als 80.000 Sensoren seit 2021

Seit der Auslieferung im Jahr 2021 wurden mit dem Kalibrierautomaten mehr als 80.000 Infrarot-Temperatursensoren kalibriert, geprüft und zertifiziert.

• Bis zu 20 Sensoren werden gemeinsam in einem Los verarbeitet.
• Ein Los benötigt rund zwei Stunden und damit etwa 30 Minuten weniger als mit dem vorherigen Verfahren.
• Kalibrierung und Prüfung erfolgen reproduzierbar nach den hinterlegten Produktspezifikationen.
• Messwerte und Kalibrierdaten werden für jeden Sensor rückverfolgbar gespeichert.
• Kalibrierzertifikate werden automatisch aus den erfassten Daten erzeugt.
• Die Anlage wurde zweimal an einen anderen Produktionsstandort verlegt und wird heute in China betrieben.

Wofür steht dieses Projekt?

Das Projekt zeigt, wie EPSIA einen komplexen Prüf- und Kalibrierprozess durchgängig in Software abbildet: von der Kommunikation mit Sensoren und Temperaturquellen über Bewegungssteuerung und Kalibrierlogik bis zur Datenhaltung und automatischen Erstellung der Zertifikate.

Die Steuerungssoftware wurde dabei nicht nur für die ursprüngliche Inbetriebnahme entwickelt. Sie begleitet die Anlage seit 2021 im Produktionsbetrieb und wurde an neue Anforderungen und mehrere Standortwechsel angepasst.

Wie lange dauerte es bis zur Abnahme?

Vom Pflichtenheft im August 2020 bis zur Abnahme des letzten Meilensteins im September 2021 verging etwas mehr als ein Jahr.

Das Projekt begann mit einer abgegrenzten Konzeptphase. Die anschließende Entwicklung wurde als Festpreisprojekt mit drei definierten Meilensteinen umgesetzt.

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 Softwarekomponenten, deren Zusammenspiel und eine sinnvolle Reihenfolge für die Umsetzung. Auf dieser Grundlage können ein Pflichtenheft und ein Festpreisangebot für die anschließende Entwicklung entstehen.

Mehr zur Leistung unter Softwareentwicklung für Systeme mit Hardwarebezug.

Eine weitere Referenz zeigt die nachfolgende Kalibrier- und Prüfanlage für Infrarot-Temperatursensoren, die für unterschiedliche Sensortypen ausgelegt wurde.

Eckdaten

Kunde

Fluke Process Instruments

Leistung

Systeme mit Hardwarebezug

Branche

industrielle Messtechnik und berührungslose Temperaturmessung

Zeitraum

2020 bis 2025, Festpreisprojekt mit Konzeptphase und drei Meilensteinen

Technik

C++, Qt 5, iSDK, CANopen, RS485, Modbus, WAGO-I/O, MariaDB, JavaScript, Electron, Python, Ubuntu Linux.