Was ist Automatisierung?

Die DIN 19233 definiert die Automatisierung wie folgt: „Das Ausrüsten einer Einrichtung, sodass sie ganz oder teilweise ohne Mitwirkung des Menschen bestimmungsgemäss arbeitet.“

Aber was bedeutet das im Detail? Schauen wir uns hierzu eine Fertigung an. In einer automatisierten Fertigung werden sämtliche Operationen, die bisher von Menschen übernommen wurden, eigenständig durch Maschinen erledigt. Dazu gehören die Bearbeitung, Steuerung, Handhabung von Werkzeugen und Werkstücken sowie die maschinelle bzw. elektronische Überwachung der Qualität.

Die Automatisierung kann grundsätzlich in 3 verschiedene Formen unterteilt werden: Die Automatisierung einzelner Arbeitsvorgänge (Verfahrensautomatisierung), die Automatisierung eines bestimmten Produktionsprozesses (Prozessautomatisierung) oder die Automatisierung einer gesamten Herstellung (Systemautomatisierung).

Für die Realisierung autonomer Produktionsprozesse werden technische Einrichtungen benötigt. Die technischen Einrichtungen stammen aus den Bereichen der Sensor-/Aktor, Regelungs-, Steuerungs-, Informations-, Kommunikations-, Leit- und/oder Robotertechnik.

Vorteile der Automatisierung

Die Automatisierung bietet unter der Voraussetzung zahlreiche Vorteile. Dazu gehören:

• Entlastung des Menschen von geistig anspruchsloser, monotoner, anstrengender, gefährlicher oder gesundheitsschädigender Arbeit
• Erhöhung der Produktivität
• Erhöhung der Qualität der Produkte
• Kürzere Fertigungszeiten
• Verringerung von Umweltbelastungen durch ressourcen-effizienteren Betrieb der Anlagen
• Flexiblere Fertigung
• Verbesserung der Genauigkeit und Vermeidung von Fehlern

Automatisierungpyramide

Die Automatisierungspyramide stellt die generelle Kommunikationsstruktur einer automatisierten Produktion dar und klassifiziert die verschiedenen IT-Ebenen der industriellen Fertigung.

Jede Ebene übernimmt dabei eine eigene Aufgabe in der automatisierten Fertigung und besteht aus unterschiedlichen Systemen, wie z. B. Sensoren in der Feldebene. Die Anzahl der Ebenen variiert je nach Automatisierungsprozess. Einzelne Ebenen können entfallen oder zusammengefasst sein.

Die einzelnen Systeme der jeweiligen Ebene und die Ebenen untereinander tauschen Informationen miteinander aus. Den Informationsaustausch innerhalb einer Ebene bezeichnet man als horizontale Kommunikation, den Austausch zwischen den einzelnen Ebenen als vertikale Kommunikation.

Sensoren oder Aktuatoren der Feldebene kommunizieren ausschliesslich mit der übergeordneten Steuerungsebene. Die speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) der Steuerungsebene tauschen ihre Daten wiederum mit dem Enterprise-Resource-Planning-System (ERP) der Unternehmensebene aus.

Innerhalb der Automatisierungspyramide gilt: Je höher eine Ebene liegt, desto höher ist die Latenz, also die Verzögerung bei der Datenübertragung zwischen dem Sender und dem Empfänger. Gleichzeitig nimmt die Menge der zu übertragenden Daten nach oben hin immer mehr zu.

Industrie 4.0 und das Industrial Internet of Things wirken sich auf die klassische Automatisierungspyramide aus und erfordern mehr Interkonnektivität und Flexibilität. Die Pyramide müsste hierfür angepasst und stark abgeflacht werden.

Aufbau eines Automatisierungssystems

Bevor wir uns dem Aufbau eines Automatisierungssystems widmen, werfen wir zunächst einen Blick auf das Input-Output-Modell, das jeder Automatisierungsaufgabe zugrunde liegt.

Eine physikalische Grösse wird per Sensor erfasst und als Eingangssignal (Input) an den Steuerungsrechner (Funktion) weitergegeben. Dieser verarbeitet das Signal und gibt ein Ausgangssignal (Output) an einen Aktor weiter, welcher als Antriebselement dient. Die einzelnen Komponenten werden von einem Kommunikationssystem verbunden.

Ein Automatisierungssystem setzt sich also aus Sensoren (1), Aktoren (2), einem Steuerungsrechner (4) und einem Kommunikationssystem (3) zusammen.

Steuerung und Regelung in der Automatisierungstechnik

In der Automatisierungstechnik sind die Begriffe der Steuerung und der Regelung von zentraler Bedeutung.

Wenn von einer Steuerung bzw. von Steuerungstechnik geredet wird, ist das Ziel, Ausgangsgrössen in technischen Systemen entsprechend vorgegebenen Eingangsgrössen zu beeinflussen. Es findet dabei keine Rückkopplung statt, d.h., der Wirkungsweg ist nicht in sich geschlossen.

Ein Beispiel für eine Steuerung ist die Heizungssteuerung in einem Gebäude. Der Aussentemperaturfühler schaltet eine Heizung in einem Zimmer in Abhängigkeit von der Aussentemperatur ein. Äußere Einflüsse wie z. B. ein offenes Fenster im Zimmer werden nicht berücksichtigt. 

Wenn von einer Regelung bzw. von Regelungstechnik geredet wird, ist das Ziel, physikalische Grössen (Regelgrössen) in technischen Systemen trotz Einfluss von äusseren Störungen (Störgrössen) konstant zu halten oder den zeitlichen Verlauf vorgegebener Grössen (Führungsgrössen) möglichst genau nachzuführen. Der Regelkreis ist in sich geschlossen, d.h., es findet eine Rückkopplung statt.

Ein Beispiel für eine Regelung in der Automatisierungstechnik ist eine Klimaautomatik in einem Fahrzeug. Diese hält die Fahrzeuginnentemperatur trotz äusserer Einflüsse (z. B. Sonneneinstrahlung) konstant auf der gewünschten Solltemperatur.