Smart Sensors Vernetzte Industrieelektronik

Halbleiter sind die Enabler der meisten aktuellen Megatrends. Ihre Wertschöpfung verfünffacht sich in den Elektronikprodukten und generiert in Endanwendungen Umsätze in 20- bis 100-facher Höhe. Bestätigt wird das unter anderem im Bereich Industrieelektronik, der – besonders in Deutschland – mit seiner hohen Dynamik zu den Hoffnungsträgern der Technik-Zukunft zählt und im Begriff ist, an die zweite Stelle hinter dem absoluten Spitzenreiter Kraftfahrzeugtechnik aufzurücken. Er ist, zusammen mit der Software, der entscheidende Innovationstreiber für eine äußerst breite Palette anspruchsvoller technischer Applikationen. Ähnlich wie beim Auto, bei dem über 90 Prozent aller Innovationen auf Elektronik beruhen, setzt das künftige Wachstum in den Fabrikhallen, aber auch bei einer Unzahl weiterer fortschrittlicher Techniklösungen, intelligente Digitaltechnik und Elektronikkomponenten voraus. Darauf basiert unter anderem die vierte industrielle Revolution "Industrie 4.0" sowie, eng damit zusammenhängend, das Internet der Dinge (IoT, Internet of Things), die M2M-(Machine to Machine-)Kommunikation sowie die mechatronischen CPS (Cyber Physical Systems). Oder anders definiert: Die Verschmelzung von industrieller Fertigung mit Elektronik- und IT-Lösungen sowie Telekommunikationstechnologien.

Das Internet steht vor einem entscheidenden Wendepunkt seiner Entwicklung: dem Wandel von einem Computernetz zu einem Netz untereinander verbundener Gegenstände, die Verschmelzung von virtueller und realer Welt. Das lange Zeit belächelte Szenario des Kühlschranks, der selbstständig die zu Ende gehende Milch nachbestellt, kommt der Realität immer näher: Maschinen und Alltagsgegenstände von morgen sind durchgehend intelligent, programmierbar, vernetzt und können unablässig Informationen austauschen und interagieren. Voraussetzung sind Elektronikbauelemente aller Couleur – nahezu paradiesische Aussichten für deren Anbieter.

Das Feld der Industrieelektronik ist breiter, als der Name vermuten lässt. Nach üblicher Definition umfasst der Begriff nicht nur die Fertigungs- und Prozessautomatisierung einschließlich Test und Messung, sondern auch die Zukunftshoffnungen Medizintechnik, Gebäude- und Heimautomatisierung, Beleuchtung, Energieerzeugung und Energieverteilung sowie Wehrtechnik und die zivile Luftfahrt. Von einem Nischenbereich kann also keine Rede sein – immerhin sind in dem beeindruckenden und spannenden Marktsegment mehr als 100 Halbleiteranbieter aktiv tätig, von denen nach Angaben der Marktforscher von IHS iSuppli über die Hälfte mehr als 100 Millionen Dollar umsetzt.

Der deutsche Markt

Die wichtigsten Bauelemente der Industrieelektronik sind Halbleiter. Der deutsche Halbleitermarkt kehrte 2013 mit einem Plus von knapp vier Prozent auf 10,25 Milliarden Euro auf den Wachstumspfad zurück. Stephan zur Verth, Vorsitzender der Fachgruppe Halbleiter-Bauelemente im ZVEI, sieht dabei vor allem den Trend der letzten Jahre erneut bestätigt, dass die beiden Segmente Automobil- und Industrieelektronik in Deutschland am schnellsten wachsen. Für das laufende Jahr 2014 erwartet zur Verth wieder ein Wachstum von etwas über vier Prozent auf fast 10,7 Milliarden Euro. 2012 war der deutsche Halbleitermarkt um 5,3 Prozent auf 9,87 Milliarden Euro eingebrochen, nachdem er 2011 nur ein geringes Wachstum von 0,9 Prozent auf 10,41 Milliarden Euro Umsatz verzeichnet hatte.

Die Betrachtung der Marktsegmente in Deutschland zeigt für die Automobilelektronik inzwischen eine erhebliche Vergrößerung ihres Anteils von 29 Prozent im Jahr 2002 auf mittlerweile 40 Prozent. Die Datentechnik stellt mit 26 Prozent noch den zweitgrößten Marktanteil. Der Marktanteil der Industrieelektronik ist im gleichen Zeitraum von 15 auf ungefähr 25 Prozent gestiegen, und er steigt weiter. Ursache für die rasche Erholung war das starke Anziehen des klassischen Maschinenbaus. Den größten Rückgang des Marktanteils innerhalb dieser zehn Jahre verzeichnete die Kommunikationselektronik – von 24 auf 8 Prozent. Und das kleinste Segment ist schon seit Jahren die Konsumelektronik. Auch die ZVEI-Marktexperten erwarten, dass die Industrieelektronik in naher Zukunft die Datentechnik dauerhaft als zweitgrößtes Marktsegment ablösen wird. Die Dynamik der Industrieelektronik am deutschen Bauelementemarkt könnte mittlerweile sogar die der Automobilelektronik übertreffen.

Der Weltmarkt

Der Halbleiterweltmarkt für Industrieelektronik zeigte im Vorjahr eindeutige Aufwärtstendenzen. Detailliert fanden die Marktforscher von IHS heraus, dass sich der Chip-Umsatz in der Industrieelektronik auf 33,7 Milliarden Dollar belief, was gegenüber 2012 einem soliden Aufwärtstrend von elf Prozent entspricht. Nach diesen neuesten Untersuchungen hält die Aufwärtsbewegung in den nächsten Jahren an. Bis 2018 werden diese Komponenten ungefähr 45 Milliarden Dollar Umsatz machen (siehe Diagramm oben).

Diese Erholung verdankt der Markt einer stärkeren globalen Wirtschaft sowie einem höheren Vertrauen beim Einkauf in allen geographischen Regionen. Zum Beispiel führte in Amerika, mit den USA an der Spitze, ein Aufschwung im Wohnungswesen zu spürbaren Expansionen im Segment Gebäude- und Haushaltsteuerungen des Industrieelektronikbereichs. Ein anderer Wachstumsschwerpunkt war China, wo die Umsatzanstiege über eine ganze Reihe von Anwendungen verteilt waren, darunter vor allem Medizinelektronik und Fabrikautomatisierung. Und selbst das geplagte Europa, das immer noch mit den finanziellen Turbulenzen zu kämpfen hat, trug nicht unwesentlich zum positiven Trend bei: 13 europäische Länder zählen zu den weltweiten Top-20-Märkten der Industrieelektronik, allen voran Deutschland, Frankreich, die Schweiz, Schweden, Italien und Finnland. Eine derartige positive Performance bildet die Grundlage für ein robustes 2014 – die Vorhersagen für den Jahresumsatz gehen von einer Umsatzsteigerung um 9 Prozent auf 36,8 Milliarden Dollar aus.

Das stärkste Segment der Industrieelektronik waren Gebäude- und Haushaltssteuerungen, die mit geschätzten 10,1 Milliarden Dollar nahezu ein Drittel des Gesamtmarktes ausmachten. Stark entwickelten sich zudem Beleuchtungen, besonders im LED-Bereich, sowie Sicherheitssysteme in Applikationen wie Videoüberwachung und Feuermeldern. Aber auch Militär und zivile Luftfahrt sowie die Medizinelektronik konnten sich sehen lassen. Bei letzteren verzeichnete der Bereich „Diagnose, Therapie und Patientenüberwachung“ Steigerungen, während die medizinische Bildgebung stabil blieb.

Hohe Attraktivität

Der Sektor Industrieelektronik lockt die Anbieter zudem durch eine besonders hohe wirtschaftliche Attraktivität und unterstützt dadurch die Aufwärtstendenzen, weil er höhere Margen garantiert als andere Halbleiter- und Bauelemente-Kategorien. Außerdem ist er weniger zyklisch. Und auch die mittel- bis langfristige Nachfrage wird aller Voraussicht nach stark in die Höhe schnellen. Denn nicht nur die Fabriken und Produktionsstätten sind auf ständig mehr Intelligenz angewiesen, auch Gebäude und Eigenheime, wenn sie ihr Ziel einer Senkung von Energieverbrauch und Emissionen erreichen möchten. Darüber hinaus wird die Medizinelektronik mit einer immer älter werdenden Bevölkerung und entsprechenden Ansprüchen an Gesundheitsüberwachung, Gesunderhaltung und Pflege konfrontiert. Und schließlich sorgt eine wachsende Nachfrage nach Gebäudeinfrastruktur in den BRIC-Ländern sowie in der Luftfahrt für rosige Wachstumsaussichten in der Industrieelektronik.

Zukunftsprognosen

Der von ReportsnReports herausgegebene Bericht "Industrial Electronics – Global Trends, Estimates and Forecasts, 2011-2018" nimmt die Marktaussichten in naher Zukunft unter die Lupe. Eine detaillierte geographische Analyse zeigt, dass die höchste jährliche Wachstumsrate bis 2018 mit 17 Prozent in Asien zu erwarten ist. Europa liegt bei diesem Wert mit 15 Prozent dicht hinter Nordamerika an dritter Stelle.

In der Untersuchung wurde dem Bereich Industrieelektronik bis in vier Jahren ein Wertzuwachs auf 321 Millionen Dollar bescheinigt, im Wesentlichen gestützt durch die Anwendungssektoren. Halbleiter-Anlagegüter liegen hier mit 37,2 Prozent klar an der Spitze, gefolgt von Ausrüstungen zur Prozesssteuerung mit 22,8 Prozent sowie Test- und Messgeräten und den Automatisierungssystemen.

In Deutschland erwartet der ZVEI eine Umsatzsteigerung von mehr als vier Prozent auf 10,7 Milliarden Euro, an denen das Automobil 40 Prozent und die industriellen Anwendungen 25 Prozent Anteil haben. Diese Quoten liegen deutlich über denen des europäischen Halbleitermarkts (32 bzw. 21 Prozent), der insgesamt um rund 3 Prozent auf 33 Milliarden Euro wachsen wird. Weltweit allerdings liegt die Industrieelektronik mit zehn Prozent Anteil nur an vierter Stelle des mit einer Rate von 5,4 Prozent auf 320 Milliarden Dollar wachsenden Halbleitermarkts.

Nichts könnte die Attraktivität dieses Bereichs deutlicher unterstreichen als die Tatsache, dass Weltmarktführer Intel mit der Produktion von Embedded-SoCs für den industriellen Einsatz und das Internet der Dinge begonnen hat. Der Halbleitergigant denkt dabei auch an Applikationen in der Energietechnik sowie im Logistikbereich, die bislang Mikroprozessoren vorbehalten waren. Die neue 32-nm-Familie mit der Bezeichnung "Quark" ist mit einem neuen Core ausgestattet, der im Vergleich zu einem Atom-Core nur ein Fünftel des Platzes beansprucht und lediglich ein Zehntel von dessen Energie verbraucht. Der Kommentar von Intel-CEO Brian Krzanich lässt keine Zweifel: "Unserer Meinung nach kann Quark nahezu alles mit Intelligenz ausstatten. Wir werden Dinge smart und kommunikationsfähig machen, von denen man das niemals erwartet hätte."

Industrie 4.0

Die Steuerungstechnik für die Automatisierung von Fertigungsbetrieben sowie für Roboter drängt sich selbst dem Laien als erstes Beispiel auf, wenn von Industrieelektronik die Rede ist. Die Fabrikautomatisierung umfasst die Automatisierung sowie die Minimierung manueller und personenbezogener Arbeiten im Laufe der industriellen Verarbeitung, der Herstellprozesse und Fertigungsaktivitäten. Technische Fortschritte in der Prozessüberwachung, Steuerung und der industriellen Automation haben bereits in hohem Maße zu einer Produktivitätsverbesserung praktisch aller Fertigungsbranchen auf der ganzen Welt beigetragen. Am Ende steht die total vernetzte Fabrik, die Smart Factory, mit einer traumhaften Produktivität. Wobei zunehmend auch hier IoT und M2M-Kommunikation eine sehr wesentliche Rolle spielen. Denn die tiefgreifenden Herausforderungen sind angesichts der angestrebten hohen Flexibilität bei gleichzeitig geringen Kosten, also der angestrebten "Losgröße 1" bei hohen Stückzahlen als Differenzierungsmaßnahme gegenüber dem Wettbewerb unumgänglich. Die Hersteller mühen sich um die Beherrschung immer noch komplizierterer Maschinen und Systeme sowie effizienter Produktionsprozesse bis hin zum 3D-Druck, die bei zunehmender Sicherheit immer individueller werden sollen. Smarte Maschinen und die Digitalisierung der Wirtschaft sorgen für gravierende Veränderungen in den Wertschöpfungsketten und Geschäftsmodellen.

Ohne Industrieelektronik wären all diese Bestrebungen zum Scheitern verurteilt. Moderne Informations- und Kommunikations-Technologien wie Cyber-Physical-Systems, Big Data oder Cloud Computing tragen indes schon heute zur Steigerung von Produktivität, Qualität und Flexibilität bei. Das Endziel aber ist die intelligente, autonome Fabrik, die sich sowohl durch ein bislang nahezu unvorstellbares Maß an Anpassungsfähigkeit, Ressourceneffizienz und Ergonomie auszeichnet, als auch durch die Einbindung von Kunden und Geschäftspartnern sowie von werthaltigen Prozessen.Doch damit nicht genug: In Zeiten von Industrie 4.0 wird ein Fließband nicht wie bisher auf ein einziges Produkt zugeschnitten und auf dieses beschränkt sein, sondern die Verarbeitungsstationen können an einen sich ständig ändernden Produktmix angepasst werden und gewährleisten so eine optimale Nutzung der verfügbaren Kapazitäten.

Sensoren werden wichtiger

50 bis 70 Milliarden Geräte sollen bis 2020 miteinander verbunden sein, viermal mehr als zehn Jahre zuvor. Und diese Zahl wird danach in den Billionen-Bereich gehen. Bei M2M wird die Zahl der vernetzten Maschinen, nach Prognosen von Machina Research, von heute 100 auf knapp 650 Millionen im Jahr 2022 steigen, woran Europa einen Anteil von 26 Prozent hat. Sensoren sammeln, analysieren und versenden millionen- und milliardenfach Datensätze. In der Industrie wie in der Medizintechnik, aber auch in der Landwirtschaft und in anderen Branchen. Rund um die Uhr, weltumspannend. Das Internet der Dinge nimmt dadurch konkretere Gestalt an, mit weitreichenden Folgen für Wertschöpfungsketten und Geschäftsmodelle, freilich auch mit hohen Sicherheitsherausforderungen.

Die Zahl der Geräte und Bausteine mit Sensorfunktion und Konnektivität wächst exponentiell. Viele Unternehmen nutzen die Entwicklung des IoT zur Stimulierung des Wachstums bereits vorhandener Produkte und erschließen neue Geschäftsmöglichkeiten. Das IoT-Konzept reicht weit über individuelle Komponenten hinaus und vereint grundverschiedene Sensoren und MEMS mit Systemen, um von der Unmenge von in unterschiedlichen Aktivitäten generierten Daten Intelligenz und Kenntnisse abzuleiten.

Waren finden ihren Weg

Besonders auch in der Logistik zieht das Internet der Dinge tiefgreifende Änderungen nach sich: Angesichts der Tatsache, dass sich die Waren- und Datenströme in den letzten Jahren infolge des Aufkommens des Internet und dem damit verbundenen Boom von E-Commerce vervielfacht haben, werden heutige Systeme diese Flut schon bald nicht mehr beherrschen können. Darum haben Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik (IML) die Vision von einem zukunftsweisenden Logistiksystem erschaffen: Intelligente Geräte sollen denken lernen und Waren ihren Weg zum Ziel selbst organisieren.

Der Grundgedanke dahinter: Jeder Behälter, jede Palette und jedes Paket wird mit einem digitalen Speicher ausgestattet. Über diesen erhalten die Objekte Zielinformationen und Prioritäten – und schon können sie einfache Entscheidungen vor Ort selbstständig treffen, und die Dinge finden ihren Weg zum Ziel. Diese Form des Internet der Dinge ist eine Antwort auf die steigende Komplexität und die Forderung nach mehr Flexibilität. Die Anforderungen der Kunden haben sich durch das Internet drastisch geändert. Per Mausklick ordern sie individuelle Sendungen. Und die wollen sie sofort – oder zumindest innerhalb der nächsten 24 Stunden. Um das zu bewältigen, nutzen wir momentan eine Infrastruktur wie vor 20 Jahren. Es besteht also ein dringender Handlungsbedarf.