Die Automatisierung im Wandel

Die deutsche Automatisierungstechnik befindet sich in einer Phase tiefgreifender Transformation. Angetrieben durch die Notwendigkeit, Produktionsprozesse effizienter, flexibler und sicherer zu gestalten, kristallisieren sich derzeit fünf zentrale Themen heraus, welche die Innovationsagenda der Branche bestimmen.

An der Basis dieser Entwicklung steht die Vernetzung der Feldebene. Hier hat sich IO-Link als essenzieller Enabler etabliert. Dieser Standard ermöglicht nicht nur die bidirektionale Kommunikation mit Sensoren und Aktoren, sondern transformiert einfache Feldgeräte in intelligente Datenlieferanten. Die gesammelten Diagnose- und Zustandsdaten sind das Fundament für die nächste Stufe der Digitalisierung. Diese wird durch die Einführung von  SPE (Single Pair Ethernet) und Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) weiter vorangetrieben. Das Ziel ist die durchgängige, IP-basierte Kommunikation von der Unternehmens-Cloud bis in den letzten Sensor. Während SPE durch die reduzierte Verkabelung Kostenvorteile schafft, revolutioniert Ethernet-APL insbesondere die Prozessindustrie, indem es die Ethernet-Kommunikation sicher über weite Strecken und auch in explosionsgefährdeten Bereichen (Ex-Zonen) ermöglicht.

Die enormen Datenmengen, die durch diese verbesserte Infrastruktur entstehen, werden durch Künstliche Intelligenz (KI/AI) in wertvolle Erkenntnisse umgewandelt. KI ist nicht mehr nur ein akademisches Thema, sondern wird in die Steuerungssysteme und Edge Devices integriert, um Prozesse in Echtzeit zu optimieren, autonome Produktionsabläufe zu ermöglichen oder die Qualitätskontrolle mittels Bildverarbeitung zu perfektionieren.

Der vielleicht sichtbarste Mehrwert der Digitalisierung liegt im Bereich Condition Monitoring und Predictive Maintenance. Auf Basis der von IO-Link und modernen Feldbussystemen gelieferten Zustandsdaten können Unternehmen den Gesundheitszustand ihrer Anlagen überwachen und mithilfe von Machine Learning Algorithmen vorhersagen, wann ein Maschinenausfall droht. Dies erlaubt eine bedarfsgerechte Wartungsplanung, minimiert ungeplante Stillstände und steigert die Anlagenverfügbarkeit massiv.

Parallel zur zunehmenden Vernetzung steigt jedoch auch das Risiko. Daher hat das Thema Cyberresilienz eine herausragende Bedeutung erlangt. Mit dem geplanten Cyber Resilience Act (CRA) der EU, der verbindliche Sicherheitsanforderungen an digitale Produkte stellt, werden Hersteller und Betreiber von Automatisierungstechnik gezwungen, ihre Sicherheitsstrategien grundlegend zu überdenken. Die Resilienz der Produktionsanlagen gegen Angriffe wird somit zur Pflichtanforderung und zu einem entscheidenden Qualitätsmerkmal für Komponenten der Industrie 4.0.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die deutsche Automatisierung eine ganzheitliche Strategie verfolgt: von der robusten Datenakquise auf der untersten Ebene (IO-Link, SPE/APL) über die intelligente Auswertung (KI, Predictive Maintenance) bis hin zur umfassenden Absicherung des Gesamtsystems (Cyberresilienz). Diese fünf Themen sind die Treiber, die die Wettbewerbsfähigkeit des Industriestandorts Deutschland in das nächste Jahrzehnt führen werden.

Konkrete Lösungen: TOPAS und Nisshinbo adressieren die Feldebene

Die Umsetzung dieser Visionen erfordert leistungsfähige Komponenten, die global verfügbar sind und den spezifischen Anforderungen des deutschen Maschinen- und Anlagenbaus genügen. Unternehmen wie die TOPAS electronic AG spielen hier eine Schlüsselrolle als Bindeglied zwischen innovativen, internationalen Halbleiterherstellern und dem lokalen Markt.

Ein prominentes Beispiel aus dem Portfolio der TOPAS electronic AG ist der Hersteller Nisshinbo Micro Devices. Nisshinbo liefert mit seiner Expertise im Bereich der analogen Micro Devices direkt Lösungen für die grundlegendste Anforderung der Industrie 4.0: die intelligente Kommunikation auf der Feldebene.

Mit der ND1160-Serie, einem IO-Link Device Transceiver, adressiert Nisshinbo den Trend IO-Link unmittelbar. Dieses Produkt ist darauf ausgelegt, die notwendigen Funktionen für die IO-Link-Kommunikation in einem der branchenweit kleinsten Gehäuse (z.B. WLCSP-12-ZA1) zu integrieren.

Diese Miniaturisierung ist ein entscheidender Vorteil, da sie Herstellern von Sensoren und Aktoren die Entwicklung extrem kompakter und flexibler Feldgeräte ermöglicht.

Der Transceiver unterstützt die neuesten und höchsten Übertragungsraten (230,4 kbps) und verfügt über wichtige integrierte Schutzfunktionen wie Überstrom- und Verpolungsschutz. Durch die einfache Implementierung der IO-Link-Funktionalität ermöglicht der ND1160 Sensorherstellern, schnell Diagnosedaten und Informationen zum Betriebszustand (Condition Data) zu liefern. Dies wiederum ist die technologische Grundlage für die Realisierung von Condition Monitoring und fortschrittlichen Predictive Maintenance-Strategien in der Industrie. Nisshinbo stellt somit sicher, dass die "Datenautobahn" bis zum kleinsten Feldgerät eröffnet und die Digitalisierung von unten nach oben vorangetrieben werden kann.

Die konsequente Fortsetzung der Digitalisierung erfordert den nächsten Schritt in der Kommunikationsinfrastruktur, den Single Pair Ethernet (SPE) und Ethernet-APL darstellen. Diese Technologie wird von TOPAS electronic ebenfalls gezielt mit hochwertigen Komponenten adressiert.

Der Sprung zum Edge: SPE und die lückenlose IP-Kommunikation

Der Trend zur durchgängigen IP-Kommunikation, also die lückenlose Integration aller Feldgeräte in das Ethernet-Netzwerk, wird durch Single Pair Ethernet (SPE) ermöglicht. SPE reduziert die Verkabelung auf ein einziges Adernpaar und senkt damit Kosten und Komplexität. Besonders für die Prozessindustrie ist die Variante Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) relevant, die lange Reichweiten und Eigensicherheit (Ex-Schutz) bietet.

Die TOPAS electronic AG bietet für diesen essentiellen Bereich Komponenten von zwei führenden Herstellern, die gemeinsam die physische Schicht (Physical Layer) definieren:

HALO Electronics: Die Robustheit der Übertragung

Die zuverlässige Signalübertragung in rauen Industrieumgebungen erfordert hochspezialisierte Komponenten. HALO Electronics liefert hierfür die notwendigen SPE Trafos (Übertrager). Diese diskreten Transformatoren sind entscheidend für die galvanische Trennung und die Signalintegrität der Ethernet-Datenpakete. Sie stellen sicher, dass die robusten Anforderungen der industriellen SPE-Standards (z.B. nach 10BASE-T1L) erfüllt werden und die Geräte auch in Umgebungen mit hohen Störpotentialen fehlerfrei kommunizieren können.

Das Herzstück jeder Ethernet-Verbindung ist der PHY (Physical Layer Transceiver). Mit dem APL-PHY bietet TOPAS einen robusten 10BASE-T1L PHY an (Datenblatt auf Anfrage erhältlich). Der Zusatz "10BASE-T1L" ist hierbei der entscheidende Standard, da er die Übertragung von 10 Mbit/s über weite Strecken (bis zu 1.000 Meter) über nur ein Adernpaar ermöglicht. Der PHY dient damit als Schnittstelle, die Sensoren, Aktoren und andere industrielle Edge-Geräte direkt und verlustfrei in das industrielle Ethernet einbindet. Durch diese Komponente wird die theoretische Vision der Edge-Konnektivität – die direkte IP-Anbindung an den äußersten Rand der Fabrik – zur praktischen Realität und ermöglicht die effiziente Datenübertragung für alle Condition Monitoring-Anwendungen.

Durch die Kombination aus spezialisierten Transformatoren von HALO und leistungsstarken PHYs können OEMs in Deutschland die SPE-Infrastruktur zuverlässig aufbauen und damit die nächste Generation der IIoT-Geräte realisieren, die direkt auf die Daten- und Stromversorgung über das Single Pair Ethernet zugreifen.

Die verbleibenden Schlüsselthemen KI/AI und Cyberresilienz werden durch leistungsstarke, sicherheitsorientierte System-on-Modules (SOMs) adressiert, die die notwendige Intelligenz und Härtung in die Edge-Geräte bringen.

Die finale Stufe der Automatisierung erfordert nicht nur die Datenakquise und -übertragung (IO-Link, SPE), sondern vor allem die intelligente Verarbeitung und die umfassende Absicherung dieser Daten und Systeme. Die TOPAS electronic AG bietet hierfür mit den ConnectCore System-on-Modules (SOMs) von Digi International eine ganzheitliche Lösung.

KI/AI an der Edge

Die ConnectCore SOMs sind hochintegrierte embedded Rechnersysteme, die auf kleinster Fläche die notwendige Rechenleistung für komplexe Aufgaben bereitstellen. Sie bilden die ideale Plattform für Edge AI-Anwendungen. Anstatt alle Daten in die Cloud zu senden, können Algorithmen für Predictive Maintenance oder Echtzeit-Qualitätskontrolle direkt auf dem Modul ausgeführt werden. Dies reduziert die Latenz, spart Bandbreite und ermöglicht autonome Entscheidungen der Maschine. Die ConnectCore-Plattform unterstützt Entwickler dabei, Machine-Learning-Modelle effizient zu implementieren und die gewonnenen Erkenntnisse unmittelbar für die Prozessoptimierung zu nutzen.

Das weitaus kritischere Thema ist die Cyberresilienz. Mit dem aufkommenden Cyber Resilience Act (CRA) der EU werden Hersteller in die Pflicht genommen, digitale Produkte über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg abzusichern. Digi adressiert diesen Trend proaktiv:

• Hardware-Sicherheit: Die ConnectCore SOMs verfügen über dedizierte Hardware Security Modules (HSM) / hardware Secure Elements, Secure Boot-Mechanismen und verschlüsselten Speicher, die eine Manipulation der Software oder des Betriebssystems verhindern.
   
• Software- und Cloud-Services: Ergänzend dazu bietet Digi umfassende Sicherheits- und Cloud-Services an. Diese ermöglichen das sichere Over-the-Air-Update (OTA) der Geräte, die Verwaltung von Geräte-Identitäten und die Einhaltung von Sicherheitsstandards über die gesamte Lebensdauer des Produktes – ein zentraler Pfeiler der CRA-Anforderungen.

Durch die Nutzung dieser sicherheitsharten Plattformen ConnectCore MP2 und ConnectCore 9 können deutsche Unternehmen nicht nur die notwendige Rechenpower für KI/AI in ihre Produkte integrieren, sondern diese Produkte auch zukunftssicher und CRA-konform im Hinblick auf die steigenden regulatorischen Anforderungen gestalten. Die ConnectCore SOMs schließen somit den Kreis der modernen Automatisierung, indem sie Intelligenz und unumgängliche Sicherheit in Einklang bringen.

Von der Vision zur industriellen Realität

Die Automatisierung in Deutschland steht vor der finalen Umsetzung der Industrie 4.0. Die Trends IO-Link und SPE/Ethernet-APL schaffen die notwendige, durchgängige Dateninfrastruktur. Die Integration von KI/AI in das Edge-Gerät wandelt diese Daten in optimierte Prozesse und Predictive Maintenance um. Flankiert werden diese Innovationen von einer konsequenten Cyberresilienz-Strategie, die durch Gesetze wie den CRA zur zwingenden Voraussetzung wird.

Mit den spezialisierten Lösungen von Nisshinbo (IO-Link), HALO und Motorcomm (SPE) sowie den hochsicheren, KI-fähigen Digi ConnectCore SOMs bieten wir Ihnen die technologischen Bausteine, um diese Herausforderungen nicht nur zu meistern, sondern aktiv in Wettbewerbsvorteile zu verwandeln. Die Zukunft der Produktion liegt in der intelligenten und sicheren Vernetzung – die Technologie dafür ist heute verfügbar.

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