Gerade bei rauen Outdoor-Einsätzen lohnt ein Blick auf die Radartechnologie. Sie ermöglicht auch unter widrigen Einsatzbedingungen wie etwa einem hohen Staubanfall die zuverlässige Abstandsmessung und 3D-Objekterkennung. Anwendungen in der Agrartechnik, aber auch an mobilen Maschinen generell oder die Fabrikautomation profitieren davon. Radarsensoren sind hier häufig klassischen Ultraschall- und Lasermessungen überlegen – und sie sind robust und zunehmend wirtschaftlich.
Radarsensoren machen da weiter, wo Ultraschallsensoren aufgrund starken Winds, Staub oder Regen ihren Dienst versagen – insbesondere bei mobilen Anwendungen wie beim Smart Farming, im Straßenbau sowie im AGV, in Hochregallagern oder bei Hafenkranen. Auch Lasersensoren haben oft Probleme, etwa in Offshore-Anlagen oder Wüstengegenden. „Mit der Radartechnologie haben wir für all diese Anwendungsfälle physikalisch eine echte Alternative zur Verfügung“, berichtet Raphael Penning, Produktmanager bei der TURCK GmbH. Die Technik sei auf Schiffen oder Flughäfen seit Langem im Einsatz und bewährt – allerdings mit recht großen Antennen. „Dank moderner Halbleitertechnik sind diese heute aber auf wenige Zentimeter geschrumpft und aufgrund des Einsatzes im Auto ist die Technik auch erschwinglich geworden.“
FMCW-Messprinzip liefert technische Basis
Alle drei hier vorgestellten Radarsensortypen nutzen physikalisch das FMCWPrinzip (Frequency Modulated Continuous Wave). Hierbei sendet der Sensor kontinuierlich ein frequenzmoduliertes Signal aus und analysiert die Rückstreusignale per Frequenzanalyse. „Das ermöglicht nicht nur die Ausblendung von Störkörpern – etwa Fallgitter oder Schäkel im Messbereich –, sondern auch eine zuverlässige Separierung relevanter Prozessdaten“, betont Penning. Ein zentrales Feature der Sensoren ist an dieser Stelle die Integration von IO-Link als Kommunikationsschnittstelle. „Wir kommunizieren hier größtenteils über IO-Link, weil wir darüber einfach mehr Daten aus dem Prozess herausbekommen. Unser IIoT-Ökosystem – die TURCK Automation Suite (TAS) – ermöglicht dabei die Visualisierung und Analyse der Radardaten und unterstützt die schnelle Inbetriebnahme gemeinsam mit dem Anwender.“ Die Parametrierung erfolgt einfach über Dropdown-Felder.
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Radarsensoren im Überblick
TURCK hat heute eine Reihe moderner Radarsensoren im Angebot – etwa zur Distanzkontrolle (DR), 3D-Objekterfassung (MR) sowie Füllstandsmessung (LRS-Serie). Die verschiedenen Radarsensoren adressieren dabei jeweils unterschiedliche Anwendungen.
Distance Radar (DR) – smarte Sensoren für raue Umgebungen
Radarsensoren der DR-Serie eignen sich für die Abstandsmessung bis 30 m – und das unter rauen Bedingungen wie etwa Outdooreinsätzen mobiler Maschinen wie beim Smart Farming, im Straßenbau oder der Hafen-Logistik. Von Vorteil ist, dass sich über die Linsenausprägung eine Vielzahl von Anwendungen abdecken lässt – von reinen Abstandsmessungen mit fokussierter Linse bis zur Kollisionsvermeidung mit breiter Radarfront. Das ermöglicht die punktgenaue Detektion auf große Distanzen, etwa zur Abstandskontrolle, genauso wie die breite Flächenüberwachung, etwa zur Kollisionsvermeidung.
„Wir bieten beispielsweise eine Variante, die auf 2,5 Grad fokussiert und damit 30 Meter weit schauen – oder eine elliptische Linse, die 45 Grad ausleuchten kann“, führt Raphael Penning aus. Zusätzlich sind Retroreflektoren verfügbar, sogenannte Corner Cubes, die die Signalqualität bei anspruchsvollen Anwendungen verbessern. „Mit beiden Varianten können wir sehr genau messen – in einem statischen Umfeld über 15 Meter hinweg etwa den Abstand auf einen Millimeter genau.“ Die Systeme arbeiten mit 122 GHz (Millimeterwellen), wobei 100 mW Sendeleistung bereits ausreichen. Zudem sind die Geräte im Edelstahlgehäuse in Schutzart IP67/69K ausgeführt und schockbestandig bis 100 g.
„Radarsensoren lösen viele Aufgaben, bei denen vergleichbare Technologien wie Ultraschall oder Laser an ihre Grenzen kommen.“
Raphael Penning | Product Manager Distance Sensors | TURCK GmbH
Multi-Radar (MR) – 3D-Objekterkennung
Der Multi-Radar-Scanner markiert den Sprung in die 3D-Objekterkennung. Über ein Antennen-Array werden Objekte nicht mehr nur auf einer Linie, sondern auch in ihrer Position erfasst. „Der riesige Vorteil gegenüber LiDAR ist, dass dabei keine beweglichen Teile zum Einsatz kommen“, betont der Produktmanager. Weil bewegliche Spiegel entfallen, bietet der rein elektronisch und mit 60 bis 64 GHz arbeitende Radarscanner so ebenfalls 100 g Schockresistenz. Anwendung findet der Radarsensor zum Beispiel bei Kolonnenfahrten mobiler Maschinen – sei es bei der Ernte in der Agrartechnik oder im Straßenbau. „Gegenüber den früher eingesetzten Lasersensoren profitieren diese Anwendungen von der Unempfindlichkeit der Radartechnologie gegenüber Staub – womit der jeweilige Arbeitsprozess kontinuierlich weiterlaufen kann und nicht durch Sensorstörungen unterbrochen wird“, so Penning weiter.
Level Radar Sensor (LRS) – Füllstandsmessung am Limit
Ergänzend ist die LRS-Serie vor allem für klassische Füllstandsanwendungen geeignet – insbesondere da, wo etwa Schwimmer oder kapazitive Messstäbe aufgrund der Viskosität des Mediums, Verschmutzung oder fehlender Hygieneeignung versagen. Radar punktet hier mit medienfreier Messung, Robustheit und Präzision. Reichweiten von bis zu 10 m ermöglichen Anwendungen in Kleintanks, wie sie etwa bei der Überwachung von Ketchup-Lagertanks oder Öltanks in der Lebensmittelverarbeitung üblich sind. Diese Anwendungen profitieren zudem wieder von der Ausblendung von Störkörpern per Signalverarbeitung – etwa über dem Tank montierten Fallgittern. Ein normaler Ultraschallsensor würde das Gitter erfassen und keine korrekten Werte liefern.
Grenzen und Zukunftsausblick
Auch Radarsensoren müssen allerdings innerhalb der Grenzen der Physik eingesetzt werden. So lassen sich beispielsweise dünne Drähte oder sehr kleine organische Ziele nicht zuverlässig per Radar erkennen. „Wir unterstützen deshalb bei der Inbetriebnahme – denn zusammen mit unseren Kunden können wir dabei auf die Visualisierung der Rohdaten schauen und das System entsprechend parametrieren“, so Raphael Penning. „Entscheidend ist, dass man genau weiß, was zu detektieren ist.“
TURCK setzt sich zudem aktiv mit dem Thema funktionale Sicherheit auseinander. „Die Komplexität der Anwendungen stellt hohe Anforderungen an die technische Umsetzung, aber wir werden auch hier Lösungen anbieten können“, so der Produktmanager abschließend.
Autor | Michael Corban ist Chefredakteur der Fachzeitschrift KEM Konstruktion | Automation
