Technologische Innovation für die intelligente Fabrik von morgen

Fortschritte im Bereich der intelligenten elektronischen Sensor-, Steuerungs- und Kommunikations-Lösungen ebnen den Weg zu einer neuen Dimension der Fabrikautomation mit dem Ziel, die Effizienz zu steigern und die Betriebskosten zu senken und die Kunden letztendlich mit besseren Produkten zu beliefern.

16. September 2015
Sensor-, Steuerungs-, Interface- und Kommunikationstechniken auf der Basis analoger und digitaler Verarbeitung ergeben zusammen die intelligente Fabrik der Zukunft
Bild 1: Technologische Innovation für die intelligente Fabrik von morgen (Sensor-, Steuerungs-, Interface- und Kommunikationstechniken auf der Basis analoger und digitaler Verarbeitung ergeben zusammen die intelligente Fabrik der Zukunft )

In sämtlichen Regionen der entwickelten Welt ist die Produktion heute in einem rapiden Wandel begriffen. Dieser vollzieht sich so schnell, dass vielerorts schon von einer vierten industriellen Revolution gesprochen wird. Während die Einführung der Dampfmaschine, die Fließbandfertigung und die Anfänge der Automatisierung die ersten drei industriellen Revolutionen vorantrieben, werden intelligente Maschinen die Triebfeder der vierten sein. In einem Ausmaß, von dem man in der Vergangenheit nur träumen konnte, verleihen Fortschritte im Bereich der elektronischen Intelligenz den Maschinen die Fähigkeit, Prozesse zu messen und zu modifizieren. Fabriken können außerdem über weite Strecken miteinander kommunizieren. Diese Umstellung verspricht zahlreiche Vorteile, zu denen eine Steigerung der Effizienz, Flexibilität, Qualität und Sicherheit ebenso gehört wie Verbesserungen für die Instandhaltung, Energieeinsparungen und niedrigere Produktionskosten.

Die Wichtigkeit des Umstiegs auf ein neues Produktionssystem – also auf die intelligente Fabrik – kann gar nicht hoch genug eingeschätzt werden. Alle fortschrittlichen Industriezweige müssen zu einer intelligenteren Fertigung übergehen, um auch in Zukunft wettbewerbsfähig bleiben zu können. Eine wichtige Grundlage dieser Intelligenz sind hochentwickelte integrierte Schaltungen (ICs) für Sensor-, Mess- und Steuerungsfunktionen sowie für das Power Management und die leitungsgebundene oder drahtlose Kommunikation.

Anlagenhersteller werden immer mehr dieser ausgefeilten elektronischen Lösungen einführen, um Montageabläufe, chemische Prozesse und andere Fertigungsabschnitte aufzuwerten. Per Energy Harvesting versorgte Sensoren im gesamten Fertigungsbereich liefern fortlaufend wichtige Zustandsinformationen und kommunizieren dabei drahtlos über die Internet-‚Cloud‘. Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) und Software werden ebenso an Bedeutung gewinnen wie komplexe Systeme, die eine komplette Fabrik steuern und Informationen mit Betrieben an anderen Standorten austauschen können.

Als ein Komplett-Anbieter fortschrittlicher elektronischer Lösungen für Industriesysteme auf der ganzen Welt spielt Texas Instruments (TI) eine wichtige Rolle als Lieferant von herausragenden ICs sowie von Software und Support-Dienstleistungen, die in den nächsten Jahren entscheidend zum Wandel der Industrie beitragen werden.

Vorteile der intelligenten Fertigung

Die Fabrikautomation war in der Vergangenheit dafür optimiert, möglichst effizient und schnell große Mengen identischer oder beinahe identischer Produkte zu erzeugen. Produktvarianten und Designänderungen machen es häufig erforderlich, einen gewissen Grad an Flexibilität in den Prozess einzubauen. Diese Anpassungsfähigkeit erfordert jedoch Anlagenstillstände für Umrüstungen und Werkzeugwechsel, was zulasten des Ausstoßes geht und Mehrkosten mit sich bringt. Im notwendigen Umfang waren auch Qualität, Zuverlässigkeit und Sicherheit in den Prozess eingebunden, auch wenn diese positiven Faktoren nicht selten kurzfristige Kosten verursachen, auch wenn sie langfristig einen Nutzen bieten.

Mehr elektronische Intelligenz kann den Fertigungsprozess mit dem Resultat erhöhter Flexibilität aufwerten, verbunden mit niedrigeren Kosten sowie einem Gewinn an Qualität, Zuverlässigkeit und Sicherheit. Die Produktvielfalt wird in der Regel vom Markt getrieben. Je mehr sich eine Produktlinie variieren lässt, umso wettbewerbsfähiger kann sie sein. Wenn intelligente Fertigungsanlagen automatisch Produktvarianten berücksichtigen können, sind auch kleinere Produktionsläufe ohne größere Kostensteigerungen möglich. Damit schaffen intelligente Fabriken die Voraussetzungen für mehr Produktvielfalt sowie kürzere Lebenszyklen für Produkte, die häufig geändert werden müssen.

Um dieses Maß an Flexibilität zu erzielen, muss die Intelligenz selbst in die kleinsten Prozessschritte eingebaut werden. In der Automobilfertigung etwa gibt es unter Umständen mehr als zwei Millionen bestellbare Konfigurationen des fertigen Produkts. Zahllose Änderungen an der Montage können erforderlich sein, um sämtlichen Variationen gerecht zu werden. Selbst ein scheinbar so einfaches Werkzeug wie ein Schraubendreher muss seine Drehmomentbegrenzung automatisch an das jeweilige Bauteil anpassen, das aus Stahl, Kohlefaser-Material oder Kunststoff bestehen und in den unterschiedlichsten Konfigurationen vorliegen kann. Ins Extrem getrieben wird die Flexibilität mit 3D-Druckern, die sowohl für Prototypen als auch für Kleinserien oder die Massenfertigung mit verschiedensten Materialien verwendet werden können.

Ein wichtiges Element des Gesamtbilds ist die Kommunikation, denn intelligente Prozesse können sich – gesteuert von Dateneingaben aus der Büroetage – an die Produktanforderungen anpassen und sogar Einzelstücke produzieren, wenn der Kunde dies wünscht. Sind größere Änderungen am Prozess erforderlich, lassen sich diese häufig schnell durch schlichtes Umprogrammieren vornehmen. Ohne teure Werkzeugwechsel besteht somit eine zügige und kostengünstige Möglichkeit, die Qualität zu verbessern oder die Ergebnisse von Zuverlässigkeitsstudien im Feld zu berücksichtigen.

Intelligente Überwachungsfunktionen bieten überdies bessere Möglichkeiten für vorbeugende Wartungsmaßnahmen, wovon die Stabilität und die Sicherheit der Produktion profitieren. Vibrationssensoren etwa können frühzeitig Indizien dafür aufdecken, dass Motoren oder Lager gewartet werden müssen. Automatische Überwachungs- und Meldefunktionen erlauben nicht zuletzt eine effizientere Planung der Wartungsmaßnahmen, damit keine Stillstandszeiten entstehen. Besser instandgehaltene Maschinen sind schließlich auch sicherer für das Personal – ganz abgesehen von den weiteren Sicherheitsvorteilen, mit denen intelligente Anlagen aufwarten. Heute ist es beispielsweise notwendig, Roboterarme in geschlossenen Bereichen anzuordnen, damit sie keinen Menschen berühren können. In der Zukunft dagegen werden Sensoren und intelligente Steuerungen dafür sorgen, dass Roboter anhalten oder einer anderen Aufgabe nachgehen, sobald sich ein Mensch in ihrem Arbeitsbereich befindet. Sicherere Roboter wiederum kommen für neue Aufgaben in Betracht und können beispielsweise gemeinsam mit Menschen schwere Gegenstände bewegen und positionieren.

Die soeben aufgezählten Faktoren können den Wert des Produkts steigern und/oder die Produktionskosten senken. Flexiblere Prozesse erlauben Kleinserien oder sogar Sonderanfertigungen, die dennoch kosteneffektiv sind und damit die Herstellung diversifizierter Erzeugnisse gestatten, die von mehr Konsumenten gewünscht werden und für die die Menschen mehr Geld auszugeben bereit sind. Eine direkte Kommunikation der Fertigung mit geschäftlichen Abläufen kommt der Just-in-time-Zulieferung zugute, die zusammen mit gut gewarteten Anlagen dafür sorgt, dass die Fertigungslinien reibungsloser laufen und die Kosten sinken. Von einer sichereren Umgebung profitieren auch die Arbeitsbedingungen, und etwaige Schadenersatz-Forderungen an die Unternehmensleitung werden minimiert.

Die intelligente Fabrik stellt eine grundlegende Umstellung der Art und Weise dar, wie Produktionsabläufe eingerichtet und organisiert werden. Darüber hinaus dient sie dem Zweck, die Fertigung zu dezentralisieren, mehr Intelligenz am Ort der Produktionsaktivitäten bereitzustellen und insgesamt ein System zu realisieren, das kognitiv und selbstheilend ist. Hinzu kommt, dass die mit der nächsten industriellen Revolution einhergehenden Umwälzungen keineswegs auf das beschränkt sind, was wir traditionell unter Fertigung verstehen. Anvisiert wird stattdessen ein lern- und anpassungsfähiges System, das den gesamten Produktlebenszyklus abdeckt – von der Entwicklung und Produktion über die Instandhaltung und Modernisierung bis hin zum Zerlegen und Wiederaufarbeiten. Die Integration elektronischer Intelligenz in jedes Glied dieser Kette birgt das Potenzial, den Wert des Produkts zu steigern, die Kundenzufriedenheit zu verbessern und darüber hinaus auch höheren Zielen gerecht zu werden wie etwa der Einsparung von Energie und einer geringeren Materialvergeudung.

Technische Anforderungen der intelligenten Fabrik

Für die Hersteller von Fertigungsanlagen und für Systemintegratoren bedeutet die intelligente Fabrik eine grandiose Chance. Automatisierte Sensorik, intelligente Steuerungen und Kommunikation kommen praktisch allen Bereichen zugute (Bild 1).

Was die ICs betrifft, ist die grundlegende Technologie bereits vorhanden, in Gebrauch und im Fabrikeinsatz erprobt. Was für die Implementierung der intelligenten Fabrik zusätzlich benötigt wird, sind Normen, optimierte Produktionsanlagen und die Systemintegration auf der Fabrikebene und darüber hinaus. Wenn diese Elemente entwickelt werden und mehr Systeme zum Einsatz kommen, werden in zunehmendem Maß spezielle Halbleiterbausteine für diese Anwendungen entwickelt werden, die das Wachstum weiter ankurbeln werden.

Die Anforderungen an die Intelligenz in der automatisierten Fertigung sind unterschiedlich und hängen von der jeweiligen Applikation ab. Speicherprogrammierbare Steuerungen in einem Roboter oder für eine Reihe von Motoren an einem Fließband setzen üblicherweise hohe Rechenleistung voraus, verbunden mit breitbandiger leitungsgebundener Kommunikation. Noch anspruchsvoller werden die Anforderungen bei jenen Knoten, die eine komplette Montagelinie oder gar eine ganze Fabrik steuern. Die hierfür benötigte Rechen- und Kommunikations-Performance kann das Niveau, das Computer-Knoten in konventionellen LANs bieten müssen, erreichen oder gar übertreffen.

Andererseits ist es eine der markanten Besonderheiten der neuen Automatisierungstechnik, dass die intelligenten Fabriken über eine Vielzahl von Sensoren in Bereichen verfügen, in denen das Verlegen von Leitungen teuer oder sogar riskant ist. Hier müssen die Sensoren drahtlos mit ihren Basisstationen oder sogar mit der Cloud kommunizieren, ähnlich wie es im Consumer-Segment schon mit dem Internet of Things erfolgt. In diesem Fall hat man es allerdings nicht nur mit den in der Industrie üblichen, raueren Umgebungsbedingungen zu tun, sondern es gilt auch ungleich höhere Anforderungen an die Betriebssicherheit der Kommunikation zu erfüllen. Die Sensoren müssen dabei entweder jahrelang ohne Batteriewechsel auskommen oder das Energy Harvesting nutzen, das heißt Energie aus Vibrationen, Licht, Temperaturdifferenzen oder Funkwellen ernten. Von den hierfür benötigten ICs wird ein minimierter Stromverbrauch gefordert. Spezielle Power-Management-Bausteine müssen außerdem so ausgelegt sein, dass sie mit jedem System effektiv eingesetzt werden können.

Trends im Zentrum der Automatisierungstechnik

Sensoren fungieren gleichsam als Sinnesorgane der intelligenten Fabrik und müssen deshalb an den verschiedensten Orten platziert werden. Die eingebauten Sensorsysteme müssen nicht nur sparsam im Stromverbrauch, sondern auch kompakt, kostengünstig und robust sein. Sie müssen eine industrietaugliche Vibrationsfestigkeit aufweisen und bei Temperaturen bis zu 125 °C einsetzbar sein. Das Analog Front End (AFE), das eine integrierte Fehlererkennung erfordert, besteht aus dem eigentlichen Messwertaufnehmer für Größen wie zum Beispiel Temperatur, Druck, Feuchte, Position, Bewegung oder Gase bzw. Chemikalien. Es wird ergänzt durch die Signalaufbereitung und A/D-Wandlung. Für die Auswertung und Steuerungsfunktionen sind Mikrocontroller vorhanden, die für die nichtflüchtige Speicherung mit ferroelektrischem Speicher (FRAM) ausgestattet sein können. Dieser Speichertyp bietet kürzere Schreibzugriffszeiten und unterstützt deutlich mehr Schreibzyklen als Flash-Speicher. Der Trend geht heute zur Entwicklung von Single-Chip-Sensorknoten mit geringstem Stromverbrauch, die alle soeben genannten Funktionen integrieren.

Hinzu kommt ein Trend zur Realisierung von Sensoren mit Zusatzfunktionen, die sich nicht auf das Aufnehmen einer Messgröße beschränken, sondern vollständig konfigurierbare Überwachungseinheiten darstellen, die dank ihrer Hot-Plug-Fähigkeit bei laufendem Betrieb getauscht werden können. Um sich diesem erweiterten Funktionsumfang anpassen zu können, werden die Sensorhersteller unter Umständen externes Intellectual Property zukaufen müssen. Zumindest werden sie komplexere Produkte entwickeln und anbieten müssen, die durch notwendige Dienste wie etwa Tools und Cloud-Services ergänzt werden.

Dreh- und Angelpunkt der automatisierten Fertigung ist häufig die Kommunikation – gleich ob leitungsgebunden oder drahtlos. Sie nämlich entscheidet über den Umfang der durchführbaren Berechnungen und legt nicht selten auch den Energiebedarf fest. Von künftigen Kommunikations-Modulen werden weniger Stromverbrauch, ein höherer Integrationsgrad sowie mehr Flexibilität in Sachen Protokollunterstützung, Stromversorgung und Peripheriebestückung gefordert. Ganz oben auf der Wunschliste steht darüber hinaus mehr Bandbreite speziell für die leitungsgebundene Kommunikation. Dies dürfte zu einem vermehrten Einsatz von Gigabit Ethernet führen, wobei integrierte Schutzkonzepte für die Einhaltung der einschlägigen Industrienormen sorgen.

Wer Fabrikanlagen baut und intelligente Fabriksysteme integriert, sieht sich also mit sehr knappen Energiebudgets konfrontiert und muss den Forderungen nach zuverlässigen und stabilen drahtlosen Kommunikationsverbindungen in Fabrikautomations- und Prozesssteuerungs-Umgebungen gerecht werden. Außerdem gilt es das höhere Maß an Hard- und Softwarekomplexität zu bewältigen und die Sicherheit der Systeme zu gewährleisten, damit der Gesamtkomplex vor störenden Einflüssen von außen geschützt ist.

Technologie und Lösungen von TI für die intelligente Fabrik

Industriekunden erwarten eine sichere Lieferkette mit der Gewähr für langfristige Verfügbarkeit, hohe Qualitätsstandards und vernünftige Preisgestaltung. Hinzu kommt, dass industrielle Anwendungen spezielle technische Anforderungen mit sich bringen, die nach einer langfristigen Strategie mit Unterstützung für Standards, Halbleiter-Qualifikationen und Software verlangen. Die Fähigkeit, mit geeigneten Produkten, Support und Fertigung auf die Anforderungen des Markts einzugehen und besondere Teambeziehungen zu wichtigen Kunden aufzubauen, hat TI zu einem der wichtigsten Anbieter industrieller ICs gemacht.

Als einziger Halbleiteranbieter entwickelt TI Lösungen für das gesamte Spektrum vom Sensor über das Analog Front End (AFE), den Mikrocontroller, die Kommunikation, die Signalkette und das Power Management bis hin zu den CPUs für speicherprogrammierbare Steuerungen. Die echtzeitfähigen Industrial-Ethernet-Lösungen von TI nehmen in der leitungsgebundenen Kommunikation eine Sonderstellung ein. Sie unterstützen alle wichtigen Industriestandards und erlauben damit die Verknüpfung unterschiedlicher Teilnetze, ohne dass teure Spezial-Hardware wie etwa ASICs benötigt werden.

Schon lange ist TI ein Innovator und Spitzenreiter im Bereich der Ultra-Low-Power-Technologie für die drahtlose Kommunikation und für Mikrocontroller. Darüber hinaus ist das Unternehmen unablässig dabei, sein Know-how mit dem Energy Harvesting zu kombinieren, um den Einsatz von Sensoren auch an schwer zugänglichen Orten zu ermöglichen, wo das Verlegen von Leitungen nicht praktikabel wäre . Das Unternehmen investiert strategisch in die Entwicklung neuer Sensorlösungen, die neben dem Sensor auch das AFE und die analoge Signalkette integrieren.

Die große Auswahl an Flash- und FRAM-basierten MCUs der Reihe MSP430™ von TI macht die Flexibilität der Ultra-Low-Power-Technik auch für Sensoren nutzbar. Da die Signalübertragung etwa 90 % des Stromverbrauchs eines drahtlosen Sensors ausmacht, lässt sich viel Energie sparen, wenn ein Sensor mit integriertem Prozessor nur periodisch aktiviert wird, um eine Messung vorzunehmen, das Signal aufzubereiten und zu übermitteln und anschließend wieder in den Schlafmodus zu fallen. Wenn ein Sensor mit den knappen Ressourcen einer Energy-Harvesting-Quelle auskommen muss, ist ein derart sorgfältiges Power Management unverzichtbar. Eingebaute Diagnosefunktionen helfen Sensoren, die im Verbund betrieben werden, bei der Ermittlung von Fehlfunktionen. Diese können anschließend gemeldet werden, wobei sich die Funktionen der ausgefallenen Sensoren zu einem gewissen Umfang an andere Sensoren übertragen lassen.

Ein bedeutender Aspekt für vernetzte Fabriken wird der Schutz der Daten und des Codes sein. Dies macht es notwendig, die einzelnen Anlagen mit eingebauten Sicherheitsfunktionen zu versehen. TI entwickelt sichere Embedded-Systeme wie etwa Türschließsysteme für Kraftfahrzeuge oder drahtlose Verschlüsselungs-Verfahren selbst und unterstützt den Kunden beim Design solcher Systeme. Im Zuge der weiteren Entwicklung der intelligenten Fabrik können Systementwickler das erforderliche Know-how somit von TI beziehen.

TI ist in seinen verschiedenen Geschäftsbereichen eingehend mit industriellen Anwendungen vertraut und bietet Produkte an, die in Bezug auf Versorgungsspannung, Qualifikation, Temperaturbereich, Qualität und Gehäuse genau auf die Belange der Industrie abgestimmt sind. Software- und Firmware-Unterstützung gibt es außerdem entweder direkt von TI oder über das von TI unterhaltene Netzwerk externer Unternehmen für Aspekte wie etwa I/O-Link oder die Implementierung und Qualifikation von Protokoll-Stacks für Industrial Ethernet. Die Applikations- und Systemunterstützung umfasst vollständig dokumentierte Referenzdesigns mit geprüften Reports im Einklang mit den jeweiligen Industrienormen.

Das Unternehmen investiert ferner in die laufende Forschung und Entwicklung und verfügt über spezialisierte Support-Teams für Anwendungen im Bereich der industriellen Systeme, der Fabrikautomation und steuerung, der Antriebe, des Smart Grid, des Energiemanagements und der Gebäudeautomation.

Die Zukunft des Fertigungssektors ist intelligent

Die gleichen Kommunikations-Fortschritte und die eingebaute Intelligenz, die den Konsumenten vernetzte Geräte bringen, hinterlassen auch in der Fertigung ihre Spuren – allerdings mit dem entscheidenden Unterschied, dass Fabriksysteme sicherer, robuster und echtzeitfähig sein müssen. In nur wenigen Jahren werden intelligente Sensoren, Motoren, Roboter und andere Ausrüstungen eine Umgestaltung von Fertigungslinien und chemischen Prozessen bewirken. Sie werden von dezentralen Steuerungen dirigiert werden, die innerhalb der Fabrik und nötigenfalls auch weltweit kommunizieren können. Die daraus resultierende Revolution auf dem Fertigungssektor wird bessere Produkte hervorbringen, die einerseits stärker individualisiert sind, andererseits aber auch die Kosten niedrig halten, Energie sparen und das Abfallaufkommen senken.

Hochintegrierte ICs für Sensor-, Kommunikations- und Steuerungsfunktionen sind die Schlüsseltechnologie, die hinter dieser Revolution steht. TI konzentriert sich auf die Realisierung von Produkten mit Alleinstellungsmerkmalen. Diese können beispielsweise aus intelligenter Hard- und Software oder aus dem Support bestehen, den die Hersteller von Fabrikanlagen und die Integratoren von Fertigungssystemen in den kommenden Jahren brauchen werden. Niemand kann genau vorhersagen, was die intelligente Fabrik für die Industrie bringen wird. Eines ist jedoch sicher: TI spielt hier eine tonangebende Rolle und engagiert sich zielgerichtet für die Entwicklung und Lieferung von Produkten, die die nächste Revolution auf dem Fertigungssektor voranbringen.

(Autor: Karl-Heinz Steinmetz, Industrial Systems Manager, Factory Automation & Control bei Texas Instruments)

Weitere Informationen finden Sie hier:

Die Fabrikautomations-Website von TI:

Whitepaper zum Thema Industrial Ethernet:

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