Die digitale Fabrik, deren Abläufe datengesteuert sind, stellt ein System harmonisch zusammenwirkender Komponenten dar, die die betriebliche Effizienz der gesamten Produktionsanlage optimieren. Man könnte sie mit dem menschlichen Körper vergleichen. Sensoren fungieren als Augen und Ohren und ermöglichen es einer zentralen Steuerung, quasi dem Gehirn, ihre Umgebung wahrzunehmen. Aktoren wirken wie die Muskeln und nehmen die notwendigen Anpassungen vor. Das Netzwerk der Fabrik entspricht dem Nervensystem des Körpers, während die „Oberfläche“ die entscheidende Cybersicherheitstechnologie zum Schutz der Daten repräsentiert.

Vorteile der digitalen Fabrik
Bevor wir die Komponenten der digitalen Fabrik näher betrachten, wollen wir zunächst ihre Vorteile erläutern. Im Mittelpunkt steht die Steigerung der Produktivität, die die Fertigungslandschaft grundlegend verändert. Neue Erkenntnisse aus dem Ökosystem der digitalen Fabrik ermöglichen Entscheidungen in Echtzeit. Dies führt zu verbesserter Produktqualität und erhöhter betrieblicher Effizienz und mündet schließlich in nachhaltigeren Produktionsprozessen. Da der Industriesektor rund 50 % des weltweiten Energieverbrauchs¹ ausmacht, ist die vernetzte digitale Fabrik für Hersteller, die Klimaneutralität anstreben, der Schlüssel zu dieser Transformation. Neben den Vorteilen für die Nachhaltigkeit bieten digitale Fabriken die Flexibilität und Echtzeit-Konfigurierbarkeit, um schnell auf Veränderungen der Kundennachfrage reagieren zu können. Beispielsweise besteht im Gesundheitswesen eine wachsende Nachfrage nach personalisierten Medizinprodukten, wie etwa 3D-gedruckten Gelenkimplantaten, die individuell an die Anatomie jedes Patienten angepasst sind. Da Fabrikdesigns immer modularer und Produktionszellen immer kleiner und anpassungsfähiger werden, lassen sich Arbeitsabläufe in Echtzeit programmieren und modifizieren. Dies erhöht die Fertigungsgeschwindigkeit und unterstützt die Wettbewerbsfähigkeit von Offshoring-Aktivitäten in Europa und Nordamerika.

Abbildung 1. Die Anatomie der digitalen Fabrik.

Abbildung 2. Vorteile der digitalen Fabrik.

Daten: Das Herzstück der digitalen Fabrik.
Echtzeit- und nicht-Echtzeitdaten aus verschiedenen Quellen innerhalb der Fabrik müssen schnell und zuverlässig am intelligenten Netzwerkrand (wo die Daten entstehen) analysiert und zentral aggregiert werden, um ein umfassendes Bild des gesamten Fabrikbetriebs zu erhalten. Die aus diesen Daten gewonnenen Erkenntnisse sind entscheidend, um das volle Potenzial der betrieblichen Effizienz der Fabrik auszuschöpfen.

Sensoren: Die Augen und Ohren der digitalen Fabrik.
Um die benötigten Daten zu erfassen, werden mehr Sensoren und Messmodi wie Temperatur, Druck, Durchfluss, Näherung und Vibration benötigt. Präzise Mess- und Sensortechnik ist erforderlich, um Anlagen in der Fabrik kontinuierlich zu erfassen, zu messen und auszuwerten. Die IO-Link®-Technologie macht Sensoren intelligent. Ein Drucksensor entscheidet lokal, ob der Druck den erforderlichen Schwellenwert überschreitet und muss dem Controller daher nur eine einzelne boolesche Bitvariable (ja oder nein) übermitteln, die ein Datenbit anstelle eines vollständigen digitalen Messwerts darstellt. Lokale Entscheidungsfindung spart Kommunikations- und Verarbeitungszeit und ermöglicht eine effiziente verteilte Steuerung.

Aktuatoren: Die Kraft der digitalen Fabrik.
Aktuatoren, oft die unbesungenen Helden der digitalen Fabrik, sind die unverzichtbare Kraft für den reibungslosen Ablauf der Prozesse. Sie steuern Ventile, Kolben und andere mechanische Bauteile. Dies ermöglicht die präzise Steuerung des Flüssigkeitsflusses und gewährleistet die korrekte Materialzufuhr zu jedem Prozessschritt.
Sensoren und Aktuatoren müssen den Bedingungen in ihrem Einsatzbereich standhalten. Zu den rauen Industrieumgebungen zählen hohe Temperaturen, elektromagnetische Störungen (EMF), Spannungsspitzen in der Stromversorgung und mechanische Vibrationen. Die Stromversorgung ist ein weiterer wichtiger Faktor für diese Systeme zur Erfassung und Ansteuerung von Daten. Mit der Miniaturisierung von Sensoren und Aktoren sowie der steigenden Genauigkeit und Qualität der Signalerfassung steigen auch die Anforderungen an die Stromversorgung. Dies erfordert hocheffiziente, rauscharme und platzsparende Energiemanagementlösungen – entscheidend für Designs mit oft beengten Platzverhältnissen. Ohne die passende Stromversorgungstechnologie für die spezifischen Detektionsanforderungen lassen sich die Vorteile der Echtzeit-Konfigurierbarkeit in der digitalen Fabrik nicht realisieren.

Abbildung 3. Bausteine ​​der modernen digitalen Fabrik.

Periphere und zentrale Intelligenz: Das Gehirn der digitalen Fabrik.
Da die digitale Fabrik von Peripheriegeräten höhere Funktionalität und Intelligenz erfordert, müssen mehr Berechnungen und Analysen direkt im Gerät durchgeführt werden, um lokale Entscheidungen zu ermöglichen. Für diese periphere Autonomie sind lokale KI-/ML-Systeme, energieeffiziente Beschleuniger sowie mehr Speicher und Rechenleistung erforderlich. Sensorfusion ist eine weitere Form peripherer Intelligenz, bei der Daten verschiedener Sensortypen gleichzeitig kombiniert werden, um präzisere Messungen zu ermöglichen – etwas, das mit einzelnen Sensoren unmöglich wäre. Dank neuer hochpräziser ADCs mit hoher Bandbreite kann ein einzelner Frontend-Sensor mehrere Sensorelemente überwachen, was Platz und Energie spart. KI-Mikrocontroller-Technologie ermöglicht den Betrieb neuronaler Netze mit extrem niedrigem Stromverbrauch, während energieeffiziente Sender verbesserte Diagnosemöglichkeiten bieten, selbst in entfernten Produktionsanlagen, die oft eine Erweiterung der intelligenten Fabrik darstellen.

Abbildung 4. Ermöglichung peripherer Autonomie durch intelligente Sensoren.

Konnektivität: Das Nervensystem der digitalen Fabrik.
⁾ , der die Prozessautomatisierungsbranche grundlegend verändern wird, indem er die Betriebseffizienz von Anlagen durch nahtlose Ethernet-Konnektivität zu Feldgeräten (Sensoren und Aktoren) signifikant verbessert.

Abbildung 5. IT/OT-Konvergenz in der digitalen Fabrik.

In modernen Fabriken wird ein IT-Netzwerk auf Büro- bzw. Unternehmensebene eingesetzt. Traditionell kümmert sich dieses IT-Netzwerk um Datenspeicherung, Datenanalyse und Geschäftsanwendungen. Diese sind zwar wichtig, aber in der Regel nicht so kritisch wie der Datenaustausch in der Produktion. Das Netzwerk, das die Produktionslinien in der Fabrikhalle steuert, wird als OT-Steuerungsnetzwerk (Operational Technology) bezeichnet. Innerhalb dieses Steuerungsnetzwerks können sich mehrere Produktionszellen oder Maschinen befinden, die oft nur eingeschränkt miteinander kommunizieren können. Das Konzept eines konvergenten IT/OT-Netzwerks in der digitalen Fabrik ändert dies grundlegend. Es bietet ein einheitliches Fabriknetzwerk, in dem alle Geräte, Maschinen und Roboter miteinander verbunden sind und dieselbe Sprache sprechen. Jedes IP-fähige Gerät kann in Echtzeit oder nahezu Echtzeit kommunizieren und unabhängig von anderen Geräten im Netzwerk konfiguriert werden. Die Schlüsseltechnologien, die ein solches konvergentes digitales Fabriknetzwerk ermöglichen, sind Industrial Ethernet, Time-Sensitive Networking (TSN), Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) und IO-Link. Da nun alle Geräte dieselbe Layer-2-Sprache sprechen, lassen sich IT- und OT-Bereich des Netzwerks mit demselben Netzwerkmanagement- und Steuerungssystem bedienen, wobei der zeitkritische Datenverkehr des Betriebsnetzwerks weiterhin berücksichtigt wird. Das hohe Datenaufkommen, sowohl dringender als auch nicht dringender Datenverkehr, erfordert Netzwerk-Upgrades zur Erhöhung der Bandbreite und Gewährleistung einer latenzfreien Datenübertragung. Dies ist entscheidend für hohe Produktqualität und operative Effizienz in der Fertigung. Die Konvergenz von OT und IT eröffnet nahezu unbegrenzte Skalierungsmöglichkeiten.

Cybersicherheit: Der Schutz für vertrauenswürdige digitale Daten in der Fabrik.
Mit zunehmender Vernetzung steigt der Bedarf an erhöhter Datensicherheit, da intelligente Fabrikumgebungen Menschen, Technologie, Prozesse und geistiges Eigentum Cyberbedrohungen aussetzen. Dies führt zu einem erhöhten Bedarf an Funktionen wie Secure Boot, sicheren Software-Updates, sicherer Übertragungsauthentifizierung und Hardware-Root-of-Trust. Ein entscheidender Aspekt der Netzwerksicherheit ist die Authentifizierung jedes neuen Geräts, das versucht, sich mit dem Netzwerk zu verbinden. Dabei wird die Authentizität des Geräts überprüft, bevor Netzwerktransaktionen autorisiert werden. Ähnlich wie die Geräteauthentifizierung ist Secure Boot unerlässlich, da es sicherstellt, dass Feldgeräte nur Software aus einer vertrauenswürdigen Quelle ausführen. Die digitale Signatur der Firmware wird mithilfe von Public-Key-Kryptografie verifiziert.

Welche Technologielösungen stehen aktuell zur Verfügung?
Analog Devices (ADI) wird seit jeher für seine innovative Präzisionstechnologie geschätzt, die zur genauen Erfassung, Messung und Steuerung von Geräten in der gesamten Fabrik eingesetzt wird. In Kombination mit einem breiten Portfolio an industriellen Verbindungs- und Stromversorgungslösungen sowie zusätzlichen digitalen Kompetenzen, einschließlich KI-Expertise, verfügt ADI über die Technologie und das Fachwissen, um fortschrittliche digitale Fabrikfunktionen zu realisieren.
Mehrkanalige Sigma-Delta-ADCs mit geringer Bandbreite, wie die AD4130-Familie, integrieren die gesamte analoge Frontend-Schaltung für die einfache Verbindung mit verschiedenen Sensortypen. Dies ermöglicht die Sensorfusion mit fortschrittlicher Diagnose zur Unterstützung der lokalen Fehlererkennung und schnellen Entscheidungsfindung. Der
MAC-PHY ADIN1110 und der zugehörige ADIN1100 PHY ermöglichen einen nahtlosen Übergang zu vernetzten Feldgeräten und bringen Ethernet-APL über 1,7 km Ethernet-Kabel (Einzelpaar) bis an den Prozessrand.
– Im Bereich Cybersicherheit ermöglichen schlüsselfertige Hardwarelösungen Kunden die einfache Integration von Datensicherheit in ihre Produkte. Die DS28S60 und MAXQ1065 sind sichere, extrem stromsparende integrierte Schaltungen (ICs), die Public-Key-Kryptographie selbst in Designs mit begrenzten Leistungs- und Rechenressourcen ermöglichen.
KI-Mikrocontroller MAX78000 ermöglicht den Betrieb neuronaler Netze mit extrem niedrigem Stromverbrauch und liefert so direkt am Netzwerkrand verwertbare KI-Erkenntnisse.
Der Weg zur flächendeckenden Einführung der digitalen Fabrik:
Branchenumfragen zeigen, dass 85 % der Unternehmen die digitale Transformation ihrer Produktionsstätten in den letzten zwei bis drei Jahren beschleunigt haben.³ Vollständige Implementierungen digitaler Fabriken sind jedoch noch nicht Standard. Das globale Netzwerk führender Hersteller des Weltwirtschaftsforums demonstriert, wie Digitalisierungsstrategien und digitalisierte Prozesse über Produktivitätssteigerungen hinaus Vorteile bieten und die Grundlage für nachhaltiges und profitables Wachstum schaffen. Diese Hersteller nutzen Produktivitätssteigerungen, indem sie durch den Einsatz innovativer Technologien Kapazitäten freisetzen. Diese Technologien beschleunigen die Effizienz und führen wiederum zu umweltfreundlichen Ergebnissen. Dies bedeutet einen doppelten Nutzen aus gesteigerter Produktivität und größerer Nachhaltigkeit – kurzum: effektive Ökoeffizienz.

Fazit: Machen Sie Ihre digitale Fabrik zur Realität.
Die digitale Transformation schreitet rasant voran und stellt Fabriken vor Chancen und Herausforderungen. Neue Technologien sind der Schlüssel zu mehr Effizienz, doch ihre Implementierung kann komplex sein und erfordert sorgfältige Planung. Die Zusammenarbeit mit Partnern, die über umfassende Branchenexpertise verfügen, ist entscheidend, um Abläufe zu optimieren und diese Effizienzpotenziale zu erschließen. Diese Kooperation ist das Herzstück der robusten und anpassungsfähigen digitalen Fabriken von morgen.

Quellenangaben:
1 „Energieverbrauch im Industriesektor“. U.S. Energy Information Administration, 2016.
2 Maurice O’Brien und Volker Goller. „Nahtlose Ethernet-Anbindung im Außendienst mit 10BASE-T1L-Konnektivität“. Analog Devices, Inc.
3 Janet Foutty. „Wie die digitale Transformation und ein herausforderndes Umfeld Agilität und Resilienz fördern“.Deloitte Insights, April 2021.

Über die Autorinnen:
Tracey Johnson ist Senior Marketing Managerin bei Analog Devices und leitet dort ein Digitalmarketing-Team mit Fokus auf den Markt für industrielle Automatisierung. 2003 schloss sie ihr Studium der Elektrotechnik an der Universität Limerick in Irland ab. Sie begann ihre Karriere bei ADI als Ingenieurin für Designbewertung und war seither in den Bereichen Anwendung und Marketing tätig.
Margaret Naughton ist Marketingingenieurin bei Analog Devices und arbeitet ebenfalls in einem Digitalmarketing-Team mit Schwerpunkt auf dem Markt für industrielle Automatisierung. Seit ihrem Eintritt bei ADI im Jahr 2007 als Softwareentwicklerin war Margaret in den Bereichen CAD, Entwicklungsunterstützung und Marketing tätig. Sie hat einen Abschluss in Computertechnik und einen Master-Abschluss von der Universität Limerick.