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Halbleiter halten die Fertigung am Laufen

01  Fortschrittliche Halbleitertechnologie ebnet den Weg für vorausschauende Wartung und damit einen effizienten Betrieb

01  Fortschrittliche Halbleitertechnologie ebnet den Weg für vorausschauende Wartung und damit einen effizienten Betrieb

02  Vorausschauende Instandhaltung in der Fabrikautomation

02  Vorausschauende Instandhaltung in der Fabrikautomation

03  Referenzdesign für Feldtransmitter mit Bluetooth Low Energy (BLE) an (4 … 20)-mA-Stromschleife

03  Referenzdesign für Feldtransmitter mit Bluetooth Low Energy (BLE) an (4 … 20)-mA-Stromschleife

04  Die Mikrocontroller (MCU) der Hercules-Familie sind das Herzstück des „SafeTI“ Hitex Safety Kit. Sie sind gemäß IEC 61508 SIL3 und ISO 26262 ASIL D zertifiziert und ­erleichtern dadurch die Zertifizierung hinsichtlich der funktionalen Sicherheit

04  Die Mikrocontroller (MCU) der Hercules-Familie sind das Herzstück des „SafeTI“ Hitex Safety Kit. Sie sind gemäß IEC 61508 SIL3 und ISO 26262 ASIL D zertifiziert und ­erleichtern dadurch die Zertifizierung hinsichtlich der funktionalen Sicherheit

Effektive Instandhaltung ist beim Einsatz jedes Systems entscheidend – vom Taschenmesser bis zur Raumsonde. In komplexen industriellen Systemen bringt die vorbeugende Instandhaltung zur Vermeidung von Ausfällen allerdings hohe Bauteil- und Arbeitskosten sowie Anlagenstillstände mit sich. Moderne Elektronik aber ermöglicht präzise Sensorik, Kommunikation sowie Entscheidungsfindung für komplexe elektromechanische Systeme und ebnet damit den Weg zu vorausschauenden Instandhaltungskonzepten.

Hersteller, die eine effektive vorausschauende Instandhaltung realisieren wollen, benötigen fortschrittliche, auf integrierten Schaltungen (IC) basierende Lösungen, die jeden Abschnitt der Datenerhebung vom Sensor bis zur Cloud abdecken. Von Texas Instruments (TI) gibt es eine ganze Palette innovativer, für industrielle Anwendungen konzipierter Produkte, um nicht nur die vorausschauende Instandhaltung, sondern auch andere Vorteile der intelligenten Fabrik für Produktionsstätten auf der ganzen Welt verfügbar zu machen (Bild 1).

Einsparungen durch vorausschauende Instandhaltung
Geplante vorbeugende Wartungsmaßnahmen basieren auf historischen Informationen über Ausfallraten. Diese Informationen kombinieren in der Regel Testergebnisse des Anlagenherstellers mit Erfahrungen, die im Praxiseinsatz genau dieser oder ähnlicher Maschinen in ähnlichen Umgebungen gemacht wurden. Wenn bekannt ist, dass ein bestimmtes Bauteil zwischen x und y Betriebsstunden hält, wird sein Austausch in der Regel so geplant, dass er weit vor dem Verstreichen von x Betriebsstunden erfolgt, damit bis zu einem möglichen Ausfall eine genügende Sicherheitsspanne bleibt. Bauteile in entfernt gelegenen oder speziellen Anlagen werden gelegentlich sogar vorsorglich getauscht, wenn Techniker aus anderen Gründen vor Ort sind, obwohl die Teile durchaus noch bis zu ihrem nächsten Besuch halten würden – wenn man nur die verbleibende Nutzungsdauer vorhersagen könnte. Die Folge ist, dass Bauteile weit früher und häufiger ersetzt werden, als es notwendig wäre, wenn sie bis zu einem Ausfall im Einsatz blieben.
Mechanische und elektromechanische Bauteile fallen selten ohne vorherige Anzeichen aus. Jeder Automechaniker kennt den Fall, dass Kunden ihre Fahrzeuge in die Werkstatt bringen, weil ‚irgendetwas seltsam klingt‘. Meist sind Änderungen der Spannung, des Stroms oder der Temperatur oder auch Vibrationen, Geräusche und andere Symptome als warnendes Indiz dafür zu verstehen, dass die Nutzungszeit eines Bauteils zu Ende geht. Zum Beispiel sorgen Temperatur- und Alterungseffekte dafür, dass sich der Widerstand eines Gasdetektors mit der Zeit ändert. Diese Änderung lässt sich erfassen und messen und zur Bestimmung des Zeitpunkts verwenden, zu dem der Gasdetektor ersetzt werden muss. Die heutigen elektronischen Instandhaltungs-Sensoren sind so klein und empfindlich, dass sie solche Änderungen frühzeitig erkennen und über das Fabriknetzwerk an die Datenverarbeitungs-Zentralen in der Cloud weiterleiten können. Dort können komplexe Algorithmen die Symptome bewerten und entscheiden, ob ein Bauteil kurz vor seinem Ausfall steht. Gelegentlich lässt sich auch abschätzen, wie lange eine Komponente bis zu ihrem Versagen noch sicher in Betrieb bleiben kann.

Datenanalyse liefert vielfältige Informationen
Die Instandhaltungs-Algorithmen lassen sich fortlaufend verbessern, ob willentlich durch Menschen oder automatisch durch maschinelles Lernen. Bei Bedarf lassen sich Algorithmen partitionieren, damit Echtzeit-Warnungen oder Einstellmaßnahmen durch die Steuerungsinstanzen in der Fabrik generiert werden können, während die cloudbasierten Datenverarbeitungs-Lösungen gleichzeitig an komplexeren, umfassenderen Problemen arbeiten. Nicht zuletzt lassen sich all diese Informationen an die Hersteller der Bauteile weiterleiten, damit diese die Zuverlässigkeit ihrer Produkte verbessern können. Die Fabriken profitieren hiervon durch robustere, langlebigere Bauteile.
Komplexe Datenanalysen können der Betriebsleitung mehr Optionen bieten als nur die einfache Wahl zwischen Ersetzen oder nicht Ersetzen. Mit Serviceinformationen über einwandfreie und schlechte Teile sowie Kostendaten zu Betriebs- und Stillstandszeiten in der gesamten Fabrik können Hersteller Kombinationen aus vorbeugender und vorausschauender Wartung gestalten, die sich als kosteneffektiver erweisen. Die Instandhaltung fügt sich damit organisch in die vielen weiteren Entscheidungen ein, die mit elektronischer Sensorik, Kommunikation und Intelligenz in smarten Fabriken möglich werden.

Netzwerkstrukturen
Vorausschauende Instandhaltungsfunktionen müssen nicht unbedingt auf allen Ebenen mit einem bestehenden Fabriknetzwerk verbunden werden, sondern lassen sich auch als paralleles oder sekundäres Netzwerk hinzufügen, zu dem es an bestimmten Stellen Verbindungspunkte gibt.
Bild 2 zeigt exemplarisch den Aufbau eines Netzwerks für eine vorausschauende Instandhaltung. Links sind die in der Fabrikhalle installierten Systeme dargestellt (unten), die per Industrial Ethernet mit Automatisierungszentralen (verti­kale Mitte) und schließlich mit dem Büronetzwerk (oben) verbunden sind. Rechts ist dargestellt, wie Sensoren in den Fabrikanlagen drahtlos mit einem Gateway kommunizieren, das wiederum mit der Cloud in Verbindung steht. Die Cloud führt ihre Datenanalyse-Algorithmen aus und sendet die Ergebnisse an das Büronetzwerk. In diesem Fall haben die vorausschauenden Instandhaltungsfunktionen keine ­direkten Berührungspunkte mit dem Netzwerk in der Fabrikhalle.
Dieses Konzept eines sekundären Netzwerks für die vorausschauende Instandhaltung hat den weiteren Vorteil, dass das Echtzeit-Fabriknetzwerk nicht mit den Daten aus den zur vorausschauenden Instandhaltung dienenden Sensoren belastet wird. Da das Fabriknetz nicht für einen so starken Datenverkehr ausgelegt ist, könnten die zusätzlichen Sen­sordaten zu betrieblichen Schwierigkeiten führen.

Fortschrittliche Halbleitertechnik macht es möglich
Vorausschauende Instandhaltung verlangt nach fortschrittlicher Halbleitertechnologie in einem breiten Spektrum von Produkten, das von Sensoren über die Signalkette, das Power-Management über MCU (Microcontroller-Units)mit leitungsgebundener oder drahtloser Kommunikation bis zu Prozessoren (meist in Datenbündelungs-Knoten und Gateways) reicht. TI-Produkte decken die gesamte Palette der vorausschauenden Instandhaltung vom Sensor bis zur Cloud ab und bieten in Sachen Funktionalität, geringer Stromverbrauch, Zuverlässigkeit, Sicherheit und Integrationsgrad die nötigen Voraussetzungen, um den Vorgaben industrieller Anwendungen gerecht zu werden.
Die fortschrittlichen Strom sparenden Sensoren von TI gibt es mit leitungsgebundener oder drahtloser Kommunikation, mit oder ohne eingebaute Steuerungsfunktionen sowie für Batteriebetrieb oder mit Energy Harvesting zum Einsatz an entlegenen Orten. Viele Sensor- und Steuerungsprodukte kombinieren mehrere Features auf einem Chip – so zum Beispiel einen Strommessverstärker und einen Shunt-Monitor für eine präzisere und effizientere Ansteuerung von Motoren und Elektromagneten. Für künftige Anforderungen sind Signalketten-, Logik-, Speicher- und Kommunikationsfunktionen dafür gerüstet, mit Sensorelementen zu neuen Sensoren für Spezialaufgaben oder den Mehrzweckeinsatz integriert zu werden. Abgesehen von Sensoren ermöglichen leistungsfähige Analogprodukte mit hohem Integrationsgrad und geringem Stromverbrauch auch die Realisierung kleiner Systeme und Lösungen für die vorausschauende Instandhaltung. Eingebaute Features für Signalüberwachung und CRC (Cyclic Redundancy Check) erleichtern den Systemdesignern dabei die Erfüllung der Funktionssicherheits- und Zuverlässigkeitsvorgaben.

Microcontroller mit vielfältigen Aufgaben
In Datenbündelungs-Knoten und Gateway stellen MCU, Prozessoren und Kommunikations-IC die nötige Rechenleistung sowie die Speicher-, Schnittstellen- und Kommunikationsfunktionen mit sehr geringem Stromverbrauch zur Verfügung. Diese Produkte sind ferner mit eingebauten Security-Features ausgestattet, die eine lückenlose Absicherung der Netzwerke möglich machen. Zu den gebotenen MCU-Optionen gehören auch extrem Strom sparende, für batteriebetriebene oder Energy-Harvesting-Anwendungen optimierte Ausführungen. Viele dieser MCU unterstützen eine Vielzahl leitungsgebundener Kommunikations-Optionen.
Wireless-MCU integrieren dagegen auf einem Chip eine Universal-MCU und eine drahtlose Kommunikations-Engine mit Unterstützung für Standards wie Wi-Fi, Bluetooth Low Energy (BLE), 6LoWPAN oder Sub-GHz (Bild 3). Safety-Ausführungen mit Core-Redundanz und anderen Features bieten sich als Bausteine für Systeme an, die für den Anlagenbetrieb ein Höchstmaß an Funktions­sicherheit gewährleisten müssen. Prozessoren auf der Basis leistungsstarker ARM-Cores können die Anforderungen von Gateways erfüllen. Einige unter ihnen bieten DSP-Features (Digital Signal Processing) für lokale Vorverarbeitungs- und Analysefunktionen. Nicht zuletzt sind diese Prozessoren mit einer Kommunikations-Engine ausgestattet, die eine Vielzahl industrieller Ethernet-Protokolle unterstützt.
Analoge Signalketten- und Monitoring-Funktionen unterstützen das Checksum Sampling (CSC) zur Sicher­stellung der Signalgenauigkeit. Von TI gibt es ebenfalls ­Produkte mit industriespezifizierter doppelter Isolation, die bei Kurzschlüssen oder Spannungsspitzen maximalen Schutz für ­Anlagen und Personal bieten. Safety-Versionen von Produkten bringen überdies Features mit, die das Design von funktionssicheren Systemen erleichtern (z. B. Hercules ­„SafeTI“ MCU) (Bild 4).
Eine zuverlässige Stromversorgung ist von essenzieller Bedeutung für alle elektronischen Schaltungen von Sensoren über Gateways bis zu anderen Netzwerkknoten. Das umfangreiche Portfolio an Power-Management-Produkten von TI ist für die einwandfreie Regelung von Batterie- und Netzstromversorgungen sowie einen sicheren, zuverlässigen und effizienten Betrieb der Schaltungen ausgelegt. Alle IC-Produkte, die für die vorausschauende Instandhaltung und andere Smart-Factory-Anwendungen eingesetzt werden, sind als Versionen verfügbar, die im Interesse höherer Zuverlässigkeit für den industriellen Einsatz charakterisiert sind. (no)

Miro Adzan ist General Manager Factory Automation & Control bei Texas Instruments in Freising. m-adzan@ti.com