Bei der Industrie 4.0 dreht sich alles um das Erschließen der Vorteile von Echtzeitdaten. Obwohl Daten – und zwar viele Daten – die Basis für das Gewinnen verwertbarer Erkenntnisse sind, hat sich robuste Konnektivität als die größte Herausforderung herausgestellt, wenn es um die Nachrüstung von Fertigungsumgebungen mit intelligenter Automatisierung geht.

Das Erfolgsrezept der Industrie 4.0, oft auch als vierte industrielle Revolution bezeichnet, ist die Nutzung von Echtzeitdaten zur Optimierung der Produktion und zur Überwachung des Maschinenzustands. In Fertigungsumgebungen sind bereits große Fortschritte auf dem Weg zu diesem Ziel gelungen. Maschinen wurden digitalisiert, Infrastrukturen wurden vernetzt. Der Einsatz von Robotern wurde ausgeweitet, und für die Steuerung von Prozessen werden Systeme für künstliche Intelligenz (KI) genutzt. Die Umstellung ist jedoch eine komplexe Aufgabe, für die viele Design-Herausforderungen bewältigt werden müssen. Verbesserungen werden deshalb häufig nur schrittweise erreicht.

Der unverzichtbare Rohstoff für die Gewinnung von Erkenntnissen sind zweifellos Daten – die entscheidenden Schlüssel für die Umstellung traditioneller Fertigungsumgebungen auf automatisierte, autonome Prozesse sind aber hohe Kapazität und robuste Konnektivität.

In diesem Blog befassen wir uns mit aktuellen Herausforderungen bei der Konstruktion von Fertigungsanlagen. Und wir zeigen, auf welche Weise sie bewältigt werden können.

Smart Manufacturing: Design-Herausforderungen

Beim Smart Manufacturing beziehungsweise bei der intelligenten Fertigung geht es darum, Prozesse durch die Auswertung von Echtzeitdaten so effizient, sicher und konsistent wie möglich ablaufen zu lassen. In Fertigungsumgebungen der Industrie 3.0 werden Daten genutzt, um die Effizienz von Prozessen zu analysieren, Roboter zu steuern und Fehler zu melden. Bei der Industrie 4.0 werden diese Daten in Echtzeit erfasst und zu analysiert. Der Echtzeitansatz eröffnet Herstellern enorme Potenziale zum Aufbau flexibler, anpassbarer Produktionslösungen, zur Maximierung der Effizienz und zur Anpassung an veränderliche Anforderungen.

In heutigen Fertigungsumgebungen werden derzeit Automatisierung und Intelligenz in die bestehenden Prozesse integriert. Dies erfolgt jedoch häufig aufgrund der benötigten Planungsressourcen und der Design-Herausforderungen nur mit Unterbrechungen.

Auslegung für raue Umgebungen

Produktionsumgebungen sind ihrem Wesen nach schmutzig, feucht, laut, vibrierend, rotierend, chemisch ätzend, heiß oder kalt. Produktionssysteme sind in der Regel also einer ganzen Kaskade von Belastungen ausgesetzt, die Auswirkungen auf Systemleistung, Wartungsbedarf und Lebensdauer der technischen Anlagen sowie auf die Gesundheit und Sicherheit des menschlichen (Bedien-)Personals haben können.

Daten erfassen und verarbeiten

Bereits das Identifizieren der zu erfassenden Datenarten und geeigneter Messpositionen im Produktionsprozess ist eine äußerst umfangreiche Aufgabe. Für das Erfassen und Verarbeiten von Daten können Hunderttausende oder sogar Millionen Sensoren und Verarbeitungsgeräte nötig sein, die in Umgebungen und Anlagen integriert werden müssen. Sensoren erzeugen enorme Mengen von Hochgeschwindigkeitsdaten, die dann über zahlreiche Schnittstellen und Komponenten ausgetauscht werden müssen.

Gewährleistung zuverlässiger Konnektivität bei Geräten mit geringer Leistungsaufnahme

Für Automatisierung und intelligente Funktionen werden nicht nur Geräte und Daten benötigt, sondern auch Konnektivität. Konnektivität ist im wahrsten Sinne des Wortes der digitale Faden, der alle Elemente miteinander verbindet: Komponenten, Geräte, Systeme, Aufgaben, Teilaufgaben, Prozesse, Robotik, Daten, Analysen, Anpassungen und nicht zuletzt Menschen. Die Parameter Datenmenge, Datenübertragungsgeschwindigkeit und Datenqualität beeinflussen sich dabei gegenseitig. Bei vielen Lösungen wird eines der drei Merkmale geopfert. In Produktionsumgebungen müssen Geräte und Systeme alle drei Anforderungen zuverlässig erfüllen. Und dabei möglichst wenig Leistung aufnehmen. Stromversorgungselemente sollten deshalb so konstruiert sein, dass sie mit möglichst wenig Platz auskommen und die vorhandenen Leitungen nicht zusätzlich belasten.

Konnektivität ist der Schlüssel

Die zuverlässige Bereitstellung großer Datenmengen in Echtzeit in rauen Umgebungen über mehrere komplexe Systeme hinweg ist der Eckpfeiler der intelligenten Fertigung – und eine große Herausforderung für die Systemkonstrukteure. Diese Herausforderung muss immer bewältigt werden, ob es nun darum geht, einem einzelnen Gerät Intelligenzfunktionen zu verleihen, einen Teilprozess zu automatisieren, komplexe Robotertechnik zu steuern oder eine ganze Produktionslinie zu automatisieren.

Welche Folgen wird es haben, wenn immer mehr Produktionsumgebungen automatisiert und intelligenter werden, wie es aufgrund  der aktuellen Trends zu erwarten ist?

• Komponenten und Geräte werden voraussichtlich auch in Zukunft immer mehr Funktionen und höhere Kapazitäten bei gleichem oder kleinerem Formfaktor bieten. Komponenten müssen also auch in Zukunft kompakt konstruiert sein und gleichzeitig flexible Verbindungen zu Peripheriegeräten wie Sensoren, Aktoren, Kameras und Stromversorgungen ermöglichen. Das Minitek MicroSpace™-Steckverbindersystem von Amphenol ICC gehört zu den optimalen Lösungen für solche Situationen mit begrenzter Platzverfügbarkeit.
• Zuverlässige Konnektivität mit hoher Bandbreite wird zu einem kritischen Faktor in Fertigungsumgebungen, in denen Prozesse in Echtzeit gesteuert und folglich enorm große Datenmengen mit sehr hoher Geschwindigkeit übermittelt werden.
• Dichte und miniaturisierte Geräte werden Verbesserungen bei der Signalqualität ermöglichen. In diesem Zusammenhang wird es nötig sein, dass Komponenten mehrere flexible Konfigurationen mit verriegelten oder gesperrten Endpoints unterstützen, um vertrauenswürdige physische Verbindungen sicherzustellen.
• Komponenten werden auch unter extremen Umgebungsbedingungen zuverlässig funktionieren. Systeme werden robuste Komponenten und Gehäuse mit abgestuften IP-Schutzarten benötigen, ergänzt durch Verriegelungs- und Niederhaltevorrichtungen, polarisierte Steckausrichtung sowie Farbcodierungen.
• Geräte werden herkömmliche und neuere Protokolle unterstützen. Bestimmte Aspekte werden vereinfacht, weil Geräte vollständig kompatibel sind und keine Gateways zur Protokollkonvertierung mehr eingesetzt werden müssen.
• Die Stromversorgung von Geräten wird über Ethernet-Verbindungen erfolgen. PoE über 4-paarige Kabel und PoDL über Single-Pair-Kabel eliminieren die Notwendigkeit von zusätzlichen Stromquellen, ohne EMB zu erzeugen. Dies erleichtert auch die schnelle Ausweitung der Anzahl von Sensoren und anderen mit Strom versorgten Geräten, die Single-Pair-Ethernet in Smart Manufacturing verwenden.
• Mobilfunkgeräte mit 5G-Unterstützung werden zum Einsatz kommen, wenn beengte Platzverhältnisse oder andere Anforderungen kabelgebundene Lösungen ausschließen, und alternativ Mobilfunkmasten errichtet werden können. Kritische und sicherheitsrelevante Komponenten werden allerdings wahrscheinlich auch zukünftig fest verdrahtet sein.

Industrie der Zukunft

Die Industrie 4.0 ist gekennzeichnet durch Automatisierung und Datenaustausch über Technologien und Prozesse hinweg, mit dem Ziel der hocheffizienten Fertigung stark individualisierter Produkte in sehr großen Stückzahlen. Daten und Konnektivität sind kritische Faktoren, wenn es darum geht, die potenziellen Vorteile automatisierter, intelligenter Fertigungsprozesse maximal auszuschöpfen. Als Reaktion auf die jüngsten Designanforderungen werden derzeit von Konstrukteuren zusätzliche Funktionen, Merkmale und Komponenten in Geräte mit gleichem oder verringertem Platzbedarf integriert. Entwicklungsingenieure stehen vor der Aufgabe, gegenwärtige Anforderungen an Geräte zu erfüllen und gleichzeitig die größeren Trends der industriellen Revolution zu berücksichtigen. Dichte, kompakte und abgesicherte Geräte werden dazu beitragen, die heutigen anspruchsvollen Designanforderungen zu erfüllen und Lösungen mit langer Lebensdauer zu schaffen.