Automatisierungstechnik

1. Definition der Automatisierungstechnik
2. Bedeutung und Charakterisierung der Automatisierungstechnik
3. Ziele von Automatisierungstechnik
4. Historischer Hintergrund der Automatisierungstechnik
5. Kernkonzepte der Automatsierungstechnik
6. Anwendungsgebiete von Automatisierungstechnik
7. Grundlagen der Automatisierungstechnik
8. Methoden der Automatisierungstechnik
9. Vorteile der Automatisierungstechnik
10. Herausforderungen der Automatisierungstechnik
11. Trends in der Automatisierungstechnik
12. Umsetzung der Automatisierungstechnik
13. Schulungen in der Automatisierungstechnik

Definition der Automatisierungstechnik

In der heutigen produktionstechnischen Forschung besteht ein Zielkonflikt aus der Steigerung von Qualität, Produktivität und Individualität bei gleichzeitiger Senkung der Kosten. Maschinenhersteller begegnen dieser Herausforderung mit neuen Maschinenkonzepten, der Optimierung von Maschinenkomponenten und vielfach auch mit neuer Automatisierungstechnik.

Die Automatisierungstechnik beschreibt die interdisziplinäre Anwendung der Mess-, Steuerungs-, Regelungs- und Antriebstechnik unter Berücksichtigung der Auswahl geeigneter Hardware und der Anwendung softwaretechnischer Methoden und Vorgehensweisen zur Automatisierung von technischen Systemen. Nach DIN 19233 ist ein Automat ein künstliches System, das selbsttätig ein Programm befolgt. Der automatisierte Prozess wird durch ein Programm gesteuert. Das Programm wird von einer Steuerung ausgeführt, die für die Organisation des Prozessablaufes sorgt

Das Wort „automatisch“ ist griechischen Ursprungs und bedeutete ursprünglich „von selbst geschehend“. Man verwendet diesen Begriff heute im Sinne von „selbsttätig arbeitend“, Automaten sind somit selbsttätig arbeitende, technische Gebilde.

Bedeutung und Charakterisierung der Automatisierungstechnik

Mit Hilfe von Automaten können Arbeiten nicht nur schneller, sondern überhaupt erst mit der Präzision durchgeführt werden, die für den reibungslosen Ablauf in der Groß- und Kleinserienfertigung erforderlich ist. Nach vorgegebenen Programmen laufen Arbeitsvorgänge – ständig wiederholbar – ab. Bei fortgeschrittener Automatisierung werden die Produkte auch automatisch geprüft, sortiert und entsprechende Korrekturen im Prozess veranlasst. Die Automatisierung erstreckt sich heute sowohl auf die technisch planerischen (Konstruktion und Arbeitsplanung), auf die organisatorischen (Produktionssteuerung und -planung) als auch auf die ausführenden Funktionen.

Beim Vollautomaten bestimmt die Arbeitsperson nicht mehr den zeitlichen Ablauf, da sie nicht mehr taktgebend für den Arbeitsfortschritt in den Prozess einbezogen ist. Jeder Schritt eines Prozesses, der vom Menschen unabhängig wird, erhöht den Automatisierungsgrad des betreffenden Prozesses.

Die Automatisierung führt einerseits zur Freisetzung von Arbeitskräften, andererseits zur Veränderung des Anforderungsprofils in Richtung auf höhere Qualifikationen der einrichtenden und kontrollierenden Arbeitspersonen sowie zur Humanisierung der Arbeitswelt, insbesondere im Bereich geistig wenig anspruchsvoller (monotoner), gefährlicher und gesundheitsschädlicher Arbeiten.

Die Automatisierungstechnik bietet die Möglichkeit, Arbeit „sich selbst erledigen zu lassen“. Dafür hat der Mensch seit jeher viel Arbeit und geistreiches Erfindertum eingesetzt.

Bild 1: Themenfelder der Automatisierungstechnik

Die Automatisierungstechnik beinhaltet die Disziplinen der Steuerungstechnik und der Regelungstechnik. Während die Regelungstechnik eher die kybernetische bzw. algorithmische Seite der Automatisierung betrifft, beforscht die Steuerungstechnik auch die gerätetechnischen und implementierungstechnischen Aspekte der Automatisierung. Sowohl die Steuerungstechnik als auch die Regelungstechnik brauchen Methoden und Algorithmen wie: steuern, regeln, planen, leiten, antreiben, messen, filtern, überwachen,… . Je nachdem wofür eine Automatisierung realisiert wird, spricht man von verschiedenen Steuerungsarten. In der Automatisierung kommen je nach Anwendungsfall verschiedene Steuerungsmittel zum Einsatz. Abhängig von der Automatisierungsebene müssen in Richtung der Fabrikebene immer größere Datenmengen verarbeitet werden, währen in Richtung der Prozessebene immer höhere Echtzeitanforderungen gestellt werden. Schließlich münden diese Technologien in konkreten Gerätetypen, die wiederum verschiedene Anforderungen zu erfüllen haben.

Ziele von Automatisierungstechnik

Die Ziele der Automatisierungstechnik sind vielfältig und hängen von Branche und Anwendung ab.

• Effizienzsteigerung ist ein zentrales Ziel: Prozesse sollen schneller, zuverlässiger und mit weniger Ressourcenaufwand ablaufen. Damit verbunden ist die Reduktion von Kosten, da durch geringeren Personalaufwand und optimierten Materialeinsatz die Produktionskosten sinken. Gleichzeitig trägt die Automatisierung dazu bei, die Qualität zu verbessern, weil präzise und standardisierte Abläufe für gleichbleibend hohe Produktqualität sorgen.
• Sicherheit ist ein weiterer wesentlicher Aspekt: Automatisierung schützt Menschen in gefährlichen Arbeitsumgebungen wie Chemiewerken, Hochspannungsanlagen oder bei der Handhabung schwerer Werkstücke.
• Hinzu kommen Flexibilität, also die Anpassungsfähigkeit von Produktionsanlagen an wechselnde Anforderungen, sowie Nachhaltigkeit, indem Ressourcen geschont und Energie eingespart werden.

Historischer Hintergrund der Automatisierungstechnik

Historisch basiert dieser Begriff darauf, dass man ab dem Ende des 18ten Jahrhunderts von der ersten industriellen Revolution spricht, diese ist mit der Einführung von Wasser- und Dampfkraft einhergegangen. Von der zweiten industriellen Revolution spricht man ca. ab Anfang des 20. Jahrhunderts. Sie ist gekennzeichnet durch weiter fortschreitende Massenproduktion durch Elektrifizierung und Fließbandarbeit. Die dritte industrielle Revolution führte zur individualisierten Massenproduktion basierend auf Digitalisierung und Automatisierung durch Computer und die ersten Industrieroboter (ab ca. 1970er Jahre).

Die vierte industrielle Revolution in der wir momentan immer noch implementierten, basiert auf der umfassenden digitalen Vernetzung, der verstärkten Anwendung von Robotik und KI, der Einführung sogenannter autonomer Systeme und der Implementierung von wandlungsfähiger, weil Software definierter Produktion.

Nach Prof. Wahlster (https://www.wolfgang-wahlster.de/wp-content/uploads/DFKI-Newsletter-Interview-zu-I4.0-für-HM-2021.pdf) wurde im Jahre 2011 die 4te industrielle Revolution ausgerufen.

Kernkonzepte der Automatsierungstechnik

Wichtige Kernkonzepte und Technologien basieren auf der Vernetzung von Maschinen, Sensoren und Produkten, die miteinander kommunizieren und Daten austauschen. Cyber-Physische Systeme (CPS) sind Objekte, die durch Verschmelzung der digitalen und der physischen Welt entstehen. (z.B. Roboter, die mit Menschen zusammenarbeiten können). Ein weiteres wichtiges Konzept von Industrie 4.0 ist das des Digitale Zwillings: Die heute am häufigsten benutzte Definition basiert auf Tao et al. Danach soll der Digitale Zwilling aus fünf Zutaten bestehen:

1. einer physischen Einheit
2. einem virtuellen Modell
3. einer Datensenke
4. den Datenverbindungen und
5. Diensten
   die basierend auf den ausgetauschten Informationen Nutzen schaffen.

Anwendungsgebiete von Automatisierungstechnik

Die Anwendungsgebiete der Automatisierungstechnik sind breit gefächert und reichen von der industriellen Produktion bis hin zum Alltag. Auch in der Gebäudetechnik wird Automatisierung eingesetzt, etwa für intelligente Heizungs-, Klima- und Sicherheitssysteme. In der Logistik und im Verkehr kommen automatisierte Lager, Förderanlagen oder fahrerlose Transportsysteme zum Einsatz. In der Medizintechnik ermöglichen Präzisionsgeräte, Laborautomation oder OP-Roboter eine hochmoderne Versorgung. Auch in der Energieversorgung, etwa bei Stromnetzen, erneuerbaren Energien oder Smart Grids, spielt Automatisierung eine wichtige Rolle. Ein weiteres Beispiel ist die Automobilindustrie, in der Roboter für Schweiß- und Lackierarbeiten eingesetzt werden, die präziser, gleichmäßiger und schneller ablaufen als durch menschliche Handarbeit und zugleich die Arbeitssicherheit erhöhen.

Grundlagen der Automatisierungstechnik

Die Grundlagen der Automatisierungstechnik liegen in der Steuerungs- und Regelungstechnik. Jeder Prozess lässt sich in drei Schritte unterteilen: Zunächst erfolgt die Erfassung, bei der Sensoren physikalische Größen wie bspw. Temperatur, Druck oder Position messen. Im zweiten Schritt, der Verarbeitung, analysieren Steuerungen und Computer diese Daten und entscheiden über die notwendigen Aktionen. Schließlich folgt die Ausführung, bei der Aktoren wie Motoren, Ventile oder Roboterarme die Befehle in Bewegung oder Handlung umsetzen. Typisch ist hierbei der sogenannte Regelkreis: Ein „Ist-Wert“ wird mit einem „Soll-Wert“ verglichen und Abweichungen werden automatisch korrigiert. Durch die Regelung ist es möglich die Auswirkung von Störgrößen und Modellierungsfehlern zu minimieren. Die technische Umsetzung des Reglers erfolgt in einem Steuergerät.

Methoden der Automatisierungstechnik

Messtechnik

Eine grundlegende Methode ist die Sensorik und Messtechnik, die als „Auge“ der Automatisierung fungiert. Sensoren erfassen Daten wie Temperatur, Druck, Feuchtigkeit oder Bewegung, während die Messtechnik diese Werte präzise auswertet.

Steuerungs- und Regelungstechnik

Eng damit verbunden ist die Steuerungs- und Regelungstechnik, das „Gehirn“ der Automatisierung, die dafür sorgt, dass Prozesse gezielt beeinflusst werden können. Hierzu kommen verschiedene Steuerungssysteme zum Einsatz. Ein klassisches Beispiel ist die SPS, also die speicherprogrammierbare Steuerung, die in Fabrikanlagen weit verbreitet ist und neben der Regelungstechnik die logischen Abläufe steuert. Numerische Steuerungen, sogenannte CNC’s (CNC steht für Computer Numerical Control) übernehmen die Bahnsteuerung für komplexe Werkzeugbahnen, wie beispielsweise in Werkzeugmaschinen. Auch die Robotik ist ein wichtiges Hilfsmittel der Automatisierung: Industrieroboter übernehmen Schweiß-, Montage- oder Lackierarbeiten, während kollaborative Roboter, sogenannte Cobots, direkt mit Menschen zusammenarbeiten. Die Steuerung erfolgt meist über spezielle Robotersteuerungen.

In den letzten Jahren spielt zudem die künstliche Intelligenz eine immer größere Rolle. Mit Machine-Learning-Algorithmen können Systeme große Datenmengen analysieren, Muster erkennen und Prozesse optimieren. Ein praktisches Beispiel hierfür ist die vorausschauende Wartung, bei der durch Datenanalyse Ausfälle von Maschinen prognostiziert und rechtzeitig verhindert werden. Schließlich gewinnen digitale Zwillinge zunehmend an Bedeutung: Sie sind virtuelle Abbilder realer Maschinen oder Anlagen, mit denen sich Simulationen, Optimierungen und Fehleranalysen durchführen lassen.

Aktorik

Aktoren setzen die Signale einer Steuerung in physikalische Aktionen um – also Bewegungen, Kräfte oder Strömungen. Dazu gehören beispielsweise elektrische Antriebe (Motoren, Servomotoren), pneumatische Aktoren (Zylinder, Ventile) und hydraulische Aktoren (Hydraulikzylinder), die je nach Anwendung präzise Bewegungen, Schaltungen oder Regelungen ermöglichen. Sie setzen die Entscheidungen der Steuerung in physikalische Größen um.

Vorteile der Automatisierungstechnik

Die Automatisierungstechnik ermöglicht Produktivitätssteigerungen, da Anlagen rund um die Uhr betrieben werden können. Zudem steigert sie die Genauigkeit und Qualität der Produkte, was für viele Branchen ein entscheidender Wettbewerbsvorteil ist. Auch die Arbeitssicherheit verbessert sich, da gefährliche Tätigkeiten automatisiert werden. Hinzu kommen ökologische Vorteile, etwa durch einen geringeren Energieverbrauch und eine ressourcenschonende Produktion.

Herausforderungen der Automatisierungstechnik

Trotz ihrer Vorteile bringt die Automatisierungstechnik auch Herausforderungen mit sich. Hohe Investitionskosten für Anlagen und Infrastruktur können vor allem für kleine und mittlere Unternehmen eine Hürde darstellen. Die Komplexität der Systeme in Planung, Implementierung und Wartung darf nicht unterschätzt werden und auch heute lassen sich noch nicht alle Aufgaben automatisieren. Zudem wächst die Abhängigkeit von IT-Systemen, was Risiken durch mögliche Cyberangriffe birgt. Ein weiterer kritischer Punkt ist der Fachkräftemangel im Bereich Automatisierung und IT. Schließlich haben Automatisierungslösungen auch gesellschaftliche Folgen, etwa durch die Verlagerung von Arbeitsplätzen in andere Tätigkeitsbereiche.

Trends in der Automatisierungstechnik

Die aktuellen Trends in der Automatisierungstechnik sind klar von Digitalisierung und Vernetzung geprägt. Im Rahmen von Industrie 4.0 und dem Internet of Things werden Maschinen und Produktionsketten zunehmend miteinander verbunden. Künstliche Intelligenz entwickelt sich zu einer Schlüsseltechnologie für selbstlernende Systeme und smarte Fertigung. Nachhaltigkeit wird ebenfalls immer wichtiger, da Unternehmen energieeffiziente Anlagen und Kreislaufwirtschaftsmodelle anstreben. Ein wachsender Trend ist zudem der Einsatz von kollaborativen Robotern, die direkt mit Menschen zusammenarbeiten, sowie die Einführung autonomer Transportsysteme in Logistik und Produktion.

Umsetzung der Automatisierungstechnik

Die Umsetzung von Automatisierungstechnik erfordert eine präzise Planung. Zunächst müssen bestehende Prozesse analysiert werden, um geeignete Systeme und Technologien auszuwählen. Anschließend gilt es, diese in die bestehenden Produktionsketten zu integrieren und gleichzeitig das Personal entsprechend zu schulen. Da die Umsetzung oft komplex ist, lohnt sich die Zusammenarbeit mit professionellen Dienstleistern. Die Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik (WGP) und ihre Partnerinstitute unterstützen Unternehmen bei der Auswahl, Implementierung und Optimierung von Automatisierungslösungen.

Schulungen in der Automatisierungstechnik

Da sich Technologien in der Automatisierungstechnik rasant weiterentwickeln, sind Schulungen und Weiterbildungen unverzichtbar. Sie helfen Fachkräften, auf dem neuesten Stand zu bleiben, und ermöglichen Unternehmen, das volle Potenzial moderner Systeme auszuschöpfen. Spezialisierte Institute bieten praxisnahe Weiterbildungen an und geben Einblicke in aktuelle Trends, wie beispielsweise bei den „Stuttgarter Innovationstagen“ des Instituts für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart. Solche Schulungen sind nicht nur ein Gewinn für das Unternehmen, sondern steigern auch die Arbeitsplatzsicherheit und die Karrierechancen der Teilnehmerinnen und Teilnehmer.