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Die unterschiedlichen IoT-Aktortypen im Überblick
Aktoren sind eine wichtige Hardwarekomponente von IoT-Produkten. Erfahren Sie mehr zur Funktionsweise von Aktoren, den unterschiedlichen Energiequellen und den Anwendungsfällen.
Aktoren (auch Aktuatoren genannt) gab es schon vor dem digitalen Zeitalter. Es handelt sich hierbei um Hardwarekomponenten, die das Herzstück vieler IoT-Bereitstellungen bilden. Im einfachsten Fall ist ein Aktor ein Gerät, das Energie in Bewegung umwandelt.
„Aktuatoren sind nur eine Möglichkeit, eine bestimmte Energieform in Aktion oder Bewegung umzuwandeln“, erklärt Shawn Chandler, Senior Member beim IEEE und Verantwortlicher für die Bereiche Energie, Nachhaltigkeit und Infrastruktur beim Consulting-Unternehmen Guidehouse.
Damit Techniker effektive, funktionierende Produkte entwickeln können, sollten sie wissen, wie die Aktorhardware funktioniert. Außerdem sollten sie über die Energiequellen und Wartungsanforderungen für die einzelnen Typen Bescheid wissen. Mit diesem Know-how können sie sicherstellen, dass es während der Gestaltung des Produktdesigns und der Fertigung keine Überraschungen bei der Hardwareentwicklung gibt.
Wie Aktoren im IoT eingesetzt werden
Im IoT ermöglichen Aktoren eine physische Aktion auf Grundlage von Daten, die von einem oder mehreren Sensoren stammen.
Die Umwandlung von Sensordaten in Bewegung erfolgt in dieser Reihenfolge:
- Die Sensoren erkennen ein Ereignis in der physischen Umgebung.
- Die Sensoren wandeln die Informationen über das Ereignis in elektronische Signale um, die an ein Steuerungssystem übertragen werden. Dieses bestimmt anhand eines Schemas, wann und welche Bewegung erforderlich ist.
- Der Controller weist den Aktor an, die gewünschte Aktion auszuführen.
- Der Aktor führt die Aktion aus, indem er Energie in eine physische Kraft umwandelt.
Zum Beispiel verfügt eine IoT-Bereitstellung zur Kühlschranksteuerung über Sensoren, um die Temperatur zu messen. Die Sensoren senden die Temperaturdaten wie vorgesehen an das Steuerungssystem. Das Steuerungssystem vergleicht diese Temperaturmesswerte mit dem programmierten gewünschten Temperaturbereich. Bewegt sich die Temperatur außerhalb dieses vorgegebenen Bereichs, sendet das Steuerungssystem ein Signal an einen Aktor, um die Kühlung entweder ein- oder auszuschalten.
Bei vielen IoT-Bereitstellungen handelt es sich beim Sensor, Controller und Aktor um physisch unterschiedliche Komponenten, die über drahtlose oder drahtgebundene Netzwerke und ein Internetprotokoll kommunizieren. In anderen Fällen sind alle drei Komponenten in einem einzigen physischen Gerät untergebracht. Ein intelligentes Ventil beispielsweise enthält im Allgemeinen einen Sensor, Controller und Aktor.
Einige IoT-Bereitstellungen konzentrieren sich auf die Aktoren selbst. In solchen Anwendungsfällen überwachen Sensoren die Leistung der Aktoren, so Preston Johnson, Senior Solution Manager für Asset Integrity and Reliability at the Intelligent Edge bei CBT, einem führenden Domain Expert Integrator.
„Früher musste man die Aktoren von jemandem überprüfen lassen“, so Johnson, „aber mit dem Aufkommen des IoT müssen wir niemanden mehr vor Ort schicken. Wir können Berichte darüber abrufen, wie die Aktuatoren arbeiten oder ob Korrekturen notwendig sind.“
Sensoren können zum Beispiel die Geschwindigkeit überwachen, mit der Aktoren Ventile in Rohrleitungen öffnen und schließen, wobei Controller die Messungen analysieren. So lässt sich gewährleisten, dass die Aktoren ordnungsgemäß funktionieren und bei einer Fehlfunktion ein Alarm gesendet wird.
Im Falle eines intelligenten Ventils, das Sensor, Controller und Aktor in einem Bauteil enthält, könnte das Gerät über ein Kommunikationsprotokoll verfügen, um Daten an einen zentralen Server zu senden, der die Performance des Ventils analysiert, erklärt Johnson.
Typen von Aktoren
Um eine Bewegung auszuführen, benötigt der Aktor Energie. Nachfolgend finden Sie die wichtigsten Arten von Energiequellen:
- elektrisch
- hydraulisch
- pneumatisch
- thermisch/magnetisch
Die einzelnen Arten besitzen spezifische Vorteile und Nachteile.
Elektrische Aktoren, eine gängige Option für IoT-Geräte, wandeln Energie in ein mechanisches Drehmoment um. Elektrische Energie verursacht im Betrieb weniger Geräusche als andere Aktortypen. Diese Aktoren lassen sich ohne Flüssigkeit betreiben. Darüber hinaus bieten elektrische Aktuatoren aufgrund ihrer Programmierbarkeit eine sehr hohe Positionierungsgenauigkeit. Doch diese Aktoren können teuer sein. Außerdem eignen sie sich möglicherweise nicht für extreme Betriebsumgebungen, wie sie etwa in der Fertigung, der Luft- und Raumfahrt und beim Militär vorkommen können.
Hydraulische Aktoren können eine große Kraft ausüben und sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Diese Eigenschaften sind ideal für den Einsatz in Baumaschinen und Produktionsanlagen. Die Wartungsanforderungen sind allerdings hoch. So müssen die Geräte vielleicht geräuschgedämpft werden, und Undichtigkeiten können ihre Leistung beeinträchtigen.
Pneumatische Aktuatoren, die mit Druckluft oder Gas betrieben werden, sind wartungsärmer und haben eine längere Lebensdauer als andere Aktortypen. Sie sind robust und lassen sich auch bei extremen Temperaturen einsetzen. Dieser Typ kann außerdem Bewegungen schnell starten und stoppen. Ein gewisser Wartungsaufwand fällt aber auch hier an. Beispielsweise benötigen diese Aktoren eine konstante Luftzufuhr. Zudem wird ihre Effizienz durch Änderungen des Luft- und Gasdrucks beeinflusst.
Thermische oder magnetische Aktoren nutzen die Energie, die durch Erhitzen einer Formgedächtnislegierung gewonnen wird. Sie besitzen einen kompakten Formfaktor, sind leicht und haben eine hohe Leistungsdichte. Bei Verwendung in einem Thermoventil, das die Funktionen Flüssigkeitssteuerung, Aktuierung und Temperaturerfassung integriert, ist kein Temperatursensor mehr erforderlich.
Da dieser Aktor Wärme zur Bewegung nutzt, kann dessen Kolben seine Position ändern und eine Verzögerung verursachen, wenn sich das Gerät erwärmt oder abkühlt, was eine Hysterese (Verzögerung zwischen Sollwerterreichung und Aktionszeitpunkt) bewirkt. Das Metall des Aktuators kann auch aufgrund von struktureller und funktioneller Ermüdung in Mitleidenschaft gezogen werden.
Auswahlkriterien für Aktoren
Eine weitere Möglichkeit, Aktoren zu kategorisieren, ist die Art der von ihnen erzeugten Bewegung. Zu den mechanischen Bewegungen gehören Dreh-, Linear- und Schwingbewegungen. Welcher Aktortyp benötigt wird, hängt von der konkret durchzuführenden Aufgabe ab.
Ein hydraulischer Aktor mit einer linearen Bewegung erfüllt die Anforderung, etwas Schweres in einer geraden Linie hoch- und herunterzuheben. Pneumatische Aktuatoren mit einer Drehbewegung wären die richtige Wahl für einen Roboterarm. Elektrische Aktoren sind laut Chandler der häufigste Typ für IoT-Bereitstellungen.
Obwohl Aktoren eine Komponente in vielen IoT-Anwendungsfällen sind, wählen IoT-Teams in Unternehmen den Typ des Aktors, den sie einsetzen, oft nicht direkt aus. Anbieter von Automatisierungshardware legen häufig die Gerätekomponenten fest, darunter auch den Aktor, und verkaufen sie als Komplettpaket, so Chandler.
Je mehr IoT-Teams über die Komponenten wissen, desto besser können sie beurteilen, wie sich Aktoren auf die Wartungsanforderungen, die Betriebsgeräusche und die Produktlebensdauer auswirken. Selbst wenn IoT-Produkttechniker die Aktoren nicht direkt von einem Anbieter beziehen, sollten sie dennoch mit den Anbietern zusammenarbeiten. Dadurch lässt sich gewährleisten, dass sie den am besten geeigneten Aktuator als Teil des Pakets erhalten und dieser den gewünschten Anwendungsfall unterstützt.
