Halbleiterhersteller treiben die industrielle Sensorik voran

Die Industrie 4.0 hat erhebliche Auswirkungen auf die Elektronikindustrie. Sie ist ein Teil der breiteren vierten industriellen Revolution, die digitale Prinzipien in die Welt der Fertigung bringt. Das hat zu einem höheren Umsatz mit Halbleiter-Sensorgeräten geführt und durch die fortwährenden Fortschritte in der Sensortechnik sowie das Aufkommen von 5G, KI und maschinellem Lernen sieht alles danach aus, als ob Halbleiterhersteller weiter von einer breiteren Implementierung der Industrie 4.0 über das IIoT profitieren werden.

Es gibt viele Faktoren, die dazu beitragen, wie z. B. die kontinuierliche Entwicklung von Verbrauchsgütern wie Smartwatches und Wearables. Das stärkste Wachstum wird aber schlussendlich auf industrielle Märkte wie die Medizin, das Gesundheitswesen, die Automobilbranche und das Versicherungswesen, die Fertigung und das Energieversorgungsmanagement zurückzuführen sein. Das prognostizierte Marktwachstum für industrielle Sensorik liegt bei 7 % bis 2026. Quelle: Global Market Insights, Inc.

Die Entstehung der Industrie 4.0, die ursprünglich 2011 von der deutschen Regierung als High-Tech-Strategie ins Leben gerufen wurde, kam zu einer Zeit, in der das IoT-Konzept (Internet of Things, Internet der Dinge) auch noch in den Kinderschuhen steckte. Heute haben die fundamentalen Grundsätze der Industrie 4.0 auf der ganzen Welt Anklang gefunden und die Industrie 4.0 und die industrielle Anwendung des Internet of Things (IIoT) passen gut zusammen.

Zwei der Grundprinzipien der Industrie 4.0 sind Interkonnektivität und Informationstransparenz. Das IIoT ist das Herzstück der Interkonnektivität. Die Grundvoraussetzung für Interkonnektivität besteht darin, Fertigungs- und Produktionsressourcen über Überwachungs-, Kontroll- und Analyseanwendungen digital miteinander zu verknüpfen. Interkonnektivität bedeutet, dass jedes Element von industriellen Automatisierungs- oder Prozessanlagen in Echtzeit Daten über seinen Betriebsstatus und seine Leistung bereitstellen kann. Interkonnektivität bietet auch eine Zweiwegekommunikation, die eine automatische oder auf menschlichem Eingreifen fußende Steuerung von Maschinen und Anlagen ermöglicht. Die Erfassung von Daten über eine gesamte Produktionsanlage hinweg schafft eine Fülle von Datenpunkten, die durch Aggregation ganz einfach kritische Kennzahlen für das Fertigungsmanagement wie Betriebseffizienz (Operational Efficiency, OE) und Gesamtanlageneffektivität (Overall Equipment Effectiveness, OEE) liefern können.

Zuverlässige Anlagen sind die Grundvoraussetzung für einen Werksbetrieb oder Fertigungsprozesse mit einem hohen Maß an Effizienz und Effektivität. Leider gibt es bei jeder Mechanik Teile, die im Laufe der Zeit verschleißen oder versagen. Bei einem linearen Fertigungsprozess kann der Ausfall eines einzelnen Anlagenenelements das gesamte Werk zum Erliegen bringen. Daher sind im Laufe der Jahre formale Wartungs-, Reparatur- und Betriebsregelungen (MRO) erforderlich geworden, um sicherzustellen, dass die Fertigungseinrichtungen weiterlaufen. Mit dem IIoT kann das Anlagenmanagement frühzeitig vor potenziellen Geräteausfällen gewarnt und Wartungsarbeiten können für Zeiten eingeplant werden, zu denen sie aus betrieblicher Sicht am effektivsten sind. Das ermöglicht die Implementierung einer vorbeugenden Instandhaltungsroutine.

Die Erfassung der für Betriebs- und Wartungszwecke erforderlichen kritischen Daten erfolgt über Sensoren, die in Produktionsanlagen eingesetzt werden. Hier kommen die Halbleiterhersteller ins Spiel. Ihre Sensorentwicklungen können verwendet werden, um die allgemeinen Schlüsselindikatoren für Leistungsniveaus durch individuelle Analysen zu erkennen. Sensoren können Schwingungen, Temperatur, Feuchtigkeit, Geräusche und eine ganze Reihe anderer Umgebungsfaktoren erkennen. Viele dieser Faktoren können dazu verwendet werden, die Lebensdauer von Ressourcen zu bestimmen, aber vor allem, um auf auftretende Probleme hinzuweisen, bevor es zu unerwarteten kostspieligen Ausfällen kommt. 

Darüber hinaus fungieren Kontrollsensoren wie Kamerasensoren als Eingänge für Bilderkennungssysteme, die beispielsweise prüfen, ob ein Markenetikett, das an einer Flasche befestigt ist, den korrekten Platzierungstoleranzen entspricht.

STMicroelectronics hilft Kunden mit der Veröffentlichung seiner STWIN-Versuchsaufbau-Evaluierungsplatine  (193-9794) für IIoT-Anwendungen, die Implementierung einer vorausschauenden Instandhaltung zu evaluieren. Damit kann der Benutzer letztlich die Vorteile der Zustandsüberwachung wichtiger industrieller Ressourcen nutzen.

STWIN von STMicroelectronics

Heute wird eine breite Palette verschiedener Sensortechnologien eingesetzt, von einfachen einzelnen Heißleitern zur Temperaturerfassung bis hin zu komplexen mikro-elektromechanischen Sensoren (MEMS), die zur Erkennung von Beschleunigungskräften verwendet werden. Die überwiegende Mehrheit der Sensorausgaben wird heute innerhalb des Sensors für den digitalen Bereich verarbeitet und dann über drahtgebundene oder drahtlose Netzwerke an das Host-Steuerungs- und Überwachungssystem übertragen.

Weitere Informationen zu MEMS und zur vorausschauenden Instandhaltung finden Sie in unserem exklusiven Interview mit STMicroelectronics sowie in diesem interessanten Artikel des DesignSpark-Mitglieds Redstone.

Technologische Innovationen werden die Industrie 5.0 vorantreiben

Noch bevor viele Fertigungsunternehmen ihre Industrie 4.0-Bereitstellungen abgeschlossen haben, hat sich die Branche schon mit der Industrie 5.0 befasst. Die Industrie 5.0 bietet die Möglichkeit, Menschen wieder in den Fertigungskreis zu bringen – eine beträchtliche Unterlassung in Industrie 4.0.

Die Implementierung der Industrie 4.0 war mit Herausforderungen verbunden. Fabriken weltweit verfügen nur über begrenzten Platz, sodass viele Fertigungsbetriebe mehr und mehr elektronische Systeme in vorhandene Schaltschränke integrieren mussten. In den meisten Fällen waren diese bereits fast voll, sodass weitere Innovationen erforderlich waren, um mehr Technik in einen Schaltschrank mit begrenztem Platzangebot packen zu können. Etablierte Hersteller von Industrieautomatisierungsausrüstung mussten ihre SPS und Steuerkarten funktionsdichter, energieeffizienter und schlanker gestalten. Glücklicherweise hatte die Halbleiterindustrie die Antwort mit Innovationen, die eine höhere funktionelle Integration boten, z. B. ein 4-Kanal-Analog-Digital-Wandler (ADC) mit einem rauscharmen isolierten DC/DC-Wandler im Vergleich zu einem früheren Einkanal-ADC. Intelligente Energieverwaltungs-ICs und höhere Effizienz bei der Leistungsumwandlung durch die Verwendung von Verarbeitungstechnologie mit breitem Bandabstand verringern die Menge an Abwärme, die eine Abführung erfordert, wodurch die Gesamtgröße des Systems weiter reduziert wird.

Für die Industrie 5.0 werden Innovationen aus der Halbleiterindustrie weiterhin gefragt sein. Ein Aspekt der Industrie 5.0 ist, dass Roboter bei einigen Prozessen mit kompetenten menschlichen Kollegen zusammenarbeiten werden. Im Hinblick auf die Verwendung von kollaborativen Robotern (Cobots) und die Art und Weise, wie diese mit Menschen in der Nähe interagieren müssen, wurde viel geforscht. In der Regel sind Industrieroboter von Sicherheitsbarrieren umgeben, um Unfälle zu vermeiden. Um produktiv zu sein, werden Cobots jedoch neben Menschen arbeiten müssen, was zu höheren Sensoranforderungen führt.

Eine weitere aus der Industrie 4.0 und der Verwendung des IIoT gezogene Lehre betrifft die Menge der übertragenen Daten, Latenz und Cloud-Compute-Funktionen. Viele Sensoren enthalten keine Steuerelemente. Sie senden Daten mit einer festgelegten Frequenz an das Produktionsmanagementsystem. Mit Hunderten und möglicherweise Tausenden von Sensoren an einem einzigen Standort kann dies zu erheblichen Datenbandbreitenanforderungen führen. Außerdem kann die Latenz der cloudbasierten Kommunikationsknotensteuerung zwischen dem Empfang von Sensordaten und Agieren erheblich sein, weshalb die Möglichkeit einer cloudbasierten Steuerung für einige Aufgaben einfach nicht besteht. Neue Sensortypen müssen nicht nur Dinge erfassen, sondern auch eine Steuerungsaktion initiieren. Ebenso könnten lokale Gateway-Aggregatoren einen gewissen Grad an übertragener Autonomie haben, um bestimmte Aufgaben innerhalb vordefinierter Grenzen zu steuern.

Die Halbleiterindustrie reagiert mit energiesparenden Mikrocontrollern, die Sensorelemente und genügend Rechenressourcen enthalten, um aufgabenspezifische KI-Algorithmen auszuführen. Diese Einheiten enthalten eine Computerhardware-Architektur, die für Inferenzen an der Edge optimiert ist. Sensoren werden intelligenter und können beispielsweise vorhersagen, ob sich die Hand eines Menschen im Bewegungsbereich eines Cobots befindet. Ein weiteres Beispiel ist die Verwendung eines ML-Algorithmus zur Überwachung des Ausgangs eines in einem Motorgehäuse montierten Audiosensors, um frühe Anzeichen von Lagerverschleiß zu erkennen. Um mehr über maschinelles Lernen in Sensoren, Datenerfassung und Lösungen zu erfahren, besuchen Sie die Website von STMicroelectronics.

Ständige Innovation

Der Markt der industriellen Sensorik hat sich seit den Anfängen der ersten Sensoren auf Siliziumbasis Mitte der 1970er-Jahre stark verändert. Durch Innovationen werden die Anforderungen der vierten und fünften industriellen Revolution und des sich ständig weiterentwickelnden Internet of Things – das heute weit mehr umfasst als nur Fabriken – weiter erfüllt. Auch die aufkommenden intelligenten Städte, intelligenten Wohnungen und intelligenten Gebäude benötigen Sensortechnik. Viele der Sensorinnovationen für die Industrie 5.0 finden bereits Anwendung auf anderen technologieorientierten Märkten. Ein hervorragendes Beispiel dafür ist die Automobilindustrie. Die schnelle Bereitstellung von erweiterten Fahrassistenzsystemen (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS) in neuen Fahrzeugmodellen sowie die Entwicklung von Elektrofahrzeugen und halb- und vollautonomen Fahrzeugen haben viele Sensoranwendungsanforderungen, die sich mit denen industrieller Systeme decken.

Hier erfahren Sie mehr über die Anwendungen für die Automobilindustrie von TE Connectivity.

Unsere sich schnell verändernde Umgebung und die technologischen Entwicklungen führen zur vernetzten Philosophie der Industrie 4.0 und darüber hinaus. Die Fähigkeit, auf Daten zu reagieren, die von Sensoren erfasst werden, durchdringt alle Aspekte unseres Lebens, von Verbrauchsgütern und Wearables bis hin zum Gesundheitswesen und der Industrie. Die Umsetzung der Grundprinzipien der 4. (und 5.) industriellen Revolution ist auf die wachsende industrielle Automatisierung zurückzuführen. Dadurch wird die Rolle, die Halbleiterhersteller in der Welt der industriellen Sensorik spielen, noch weiter an Bedeutung gewinnen.