Machen Sie sich mit den Arten von Aktoren im IoT vertraut

Nov 25, 2023

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Aktuatoren, die es schon vor dem digitalen Zeitalter gab, sind Hardwarekomponenten, die das Herzstück vieler IoT-Implementierungen bilden. Auf der grundlegendsten Ebene ist ein Aktuator ein Gerät, das Energie in Bewegung umwandelt.

„Sie sind lediglich Möglichkeiten, eine Energieform in Aktion oder Bewegung umzuwandeln“, sagte Shawn Chandler, leitendes Mitglied des IEEE und Direktor für Energie, Nachhaltigkeit und Infrastruktur beim Beratungsunternehmen Guidehouse.

Damit Ingenieure effektive, funktionierende Produkte bauen können, sollten sie wissen, wie die Aktuator-Hardware funktioniert und welche Stromquellen und Wartungsanforderungen die einzelnen Typen haben. Mit diesem Wissen können sie sicherstellen, dass es während des gesamten Produktdesign-Workflows und der Fertigung keine Überraschungen bei der Hardware-Entwicklung gibt.

Im IoT ermöglichen Aktoren eine physische Aktion basierend auf Daten, die von einem oder mehreren Sensoren stammen.

Die Umwandlung von Sensordaten in Aktivität erfolgt in dieser Reihenfolge:

Beispielsweise verfügt eine IoT-Bereitstellung, die eine Kühleinheit regelt, über Sensoren zum Ablesen der Temperatur. Die Sensoren senden die Temperaturdaten planmäßig an die Steuerung. Das Steuersystem vergleicht diese Temperaturmesswerte mit dem programmierten gewünschten Temperaturbereich. Wenn die Temperatur außerhalb dieses vorprogrammierten Bereichs liegt, sendet das Steuerungssystem ein Signal an einen Aktor, um die Kühlung entweder ein- oder auszuschalten.

In vielen IoT-Einsätzen sind Sensor, Controller und Aktor physikalisch unterschiedliche Komponenten, die über drahtlose oder drahtgebundene Kommunikationsnetzwerke und ein Internetprotokoll kommunizieren. In anderen Builds beherbergt ein einziges physisches Gerät alle drei Komponenten. Ein intelligentes Ventil beispielsweise enthält im Allgemeinen einen Sensor, eine Steuerung und einen Aktor.

Bei einigen IoT-Implementierungen dreht sich alles um die Aktuatoren selbst. „In solchen Anwendungsfällen überwachen Sensoren die Aktuatorleistung“, sagte Preston Johnson, Senior Solution Manager für Asset-Integrität und -Zuverlässigkeit am Intelligent Edge beim Domain-Experten-Integrator CBT.

„In der alten Welt musste jemand die Aktoren inspizieren“, sagte Johnson. „Aber mit dem Aufkommen des IoT müssen wir keine Inspektoren mehr schicken. Wir können Berichte darüber erhalten, wie Aktuatoren funktionieren oder ob sie Abhilfemaßnahmen benötigen.“

Sensoren können beispielsweise die Geschwindigkeit überwachen, mit der Aktoren Ventile in Rohren öffnen und schließen, wobei Steuerungen die Messungen analysieren, um sicherzustellen, dass die Aktoren ordnungsgemäß funktionieren, und um bei einer Fehlfunktion eine Warnung zu senden.

Im Fall des intelligenten Ventils, das den Sensor, die Steuerung und den Aktuator in einem Teil enthält, könnte das Gerät über ein Kommunikationsprotokoll verfügen, um Daten an einen zentralen Server zu senden, der die Ventilleistung analysiert, sagte Johnson.

Um eine Bewegung auszulösen, benötigt der Aktor Energie. Die wichtigsten Arten von Energiequellen sind die folgenden:

Jeder Typ bringt Vor- und mögliche Nachteile mit sich.

Elektrische Aktuatoren, eine gängige Option für IoT-Geräte, wandeln Energie in mechanisches Drehmoment um. Elektrische Energie erzeugt im Betrieb weniger Geräusche als andere Antriebsarten. Diese Aktuatoren benötigen zum Betrieb keine Flüssigkeit. Darüber hinaus bieten elektrische Aktuatoren aufgrund der Programmierbarkeit eine hochpräzise Positionierung. Diese Aktuatoren können jedoch teuer sein. Sie sind möglicherweise auch nicht für extreme Betriebsumgebungen geeignet, die in einigen Anwendungsfällen in der Fertigung, Luft- und Raumfahrt und im Militär vorkommen.

Hydraulische Aktuatoren können eine große Kraft ausüben und sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Diese Eigenschaften eignen sich für den Einsatz in Bau- und Fertigungsanlagen. Sie haben jedoch einen hohen Wartungsaufwand. Beispielsweise kann eine Lärmminderung erforderlich sein, und Flüssigkeitslecks können ihre Leistung beeinträchtigen.

Pneumatikantriebe, die Druckluft oder Gas zur Energiegewinnung nutzen, haben einen geringeren Wartungsaufwand und eine längere Lebensdauer als andere Antriebstypen. Sie sind langlebig und können bei extremen Temperaturen eingesetzt werden. In dieser Kategorie können Bewegungen auch schnell gestartet und gestoppt werden. Sie bedürfen aber dennoch einer gewissen Wartung. Sie erfordern beispielsweise eine konstante Luftzufuhr und ihre Effizienz wird durch Änderungen des Luft- und Gasdrucks beeinflusst.

Thermische oder magnetische Aktoren nutzen Energie, die durch Erhitzen einer Formgedächtnislegierung gewonnen wird. Sie haben einen kompakten Formfaktor, sind leicht und verfügen über eine hohe Leistungsdichte. Außerdem entfällt die Notwendigkeit eines Temperatursensors, wenn er in einem Thermoventil verwendet wird, das Flüssigkeitssteuerungs-, Betätigungs- und Temperaturerfassungsfunktionen integriert. Da dieser Aktuator für seine Bewegung Wärme nutzt, kann der Kolben des Aktuators seine Position verschieben und beim Aufheizen oder Abkühlen des Geräts eine Verzögerung verursachen, was zu einer Hysterese führt. Auch das Metall des Aktuators kann einer strukturellen und funktionellen Ermüdung unterliegen.

Eine andere Möglichkeit, Aktoren zu klassifizieren, ist die Art der Bewegung, die sie erzeugen. Zu den mechanischen Bewegungen zählen rotierende, lineare und oszillierende Bewegungen.

„Welcher Aktuatortyp Sie benötigen, hängt von der Arbeit ab, die Sie damit ausführen müssen“, sagte Johnson.

Ein hydraulischer Aktuator mit linearer Bewegung erfüllt die Anforderung, schwere Gegenstände geradlinig auf und ab zu heben. Für einen Roboterarm wären pneumatische Aktuatoren mit Drehbewegung die wahrscheinliche Wahl. Laut Chandler sind elektrische Aktuatoren der häufigste Typ für IoT-Einsätze.

Obwohl Aktoren eine Komponente in vielen IoT-Anwendungsfällen sind, wählen IoT-Teams in Unternehmen oft nicht direkt den Typ des Aktors aus, den sie einsetzen. Anbieter von Automatisierungshardware wählen häufig Gerätekomponenten, einschließlich des Aktors, aus und verkaufen sie als ein Paketangebot, sagte Chandler.

Je mehr IoT-Gerätedesignteams über die Komponenten wissen, desto besser können sie darüber informiert werden, wie sich Aktoren auf Wartungsanforderungen, Betriebsgeräusche und Produktlebensdauer auswirken können. Auch wenn IoT-Produktingenieure Aktoren nicht direkt von einem Lieferanten kaufen, sollten sie dennoch mit den Anbietern zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass sie den am besten geeigneten Aktor als Teil des Technologieangebots erhalten und dieser den gewünschten Anwendungsfall unterstützt.

Teil von: Aufbau eines IoT-Geräts

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IT-Teams, die für IoT-Bereitstellungen verantwortlich sind, müssen die verschiedenen Arten von IoT-Sensoren verstehen, wie sie funktionieren und welche Herausforderungen sie mit sich bringen.

Aktoren sind eine wesentliche Hardwarekomponente von IoT-Produkten. Machen Sie sich mit der Funktionsweise von Aktoren, den verschiedenen Arten von Energiequellen und ihren Anwendungsfällen vertraut.

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