Mechanische Komponenten für die Automatisierungstechnik

Die Automatisierungstechnik umfasst ein breites Spektrum an Komponenten und Technologien, die zusammenwirken, um Prozesse und Maschinen zu automatisieren und zu optimieren. Mechanische Komponenten dienen dabei als einer der Grundbausteine für die Umsetzung automatisierter Systeme. Diese Komponenten umfassen Aktuatoren, Sensoren, mechanische Übertragungssysteme und andere mechanische Elemente, die für die Bewegung, Steuerung und Überwachung von Anlagen und Maschinen benötigt werden. Dieser Artikel stellt die Grundlagen der Automatisierung und Automatisierungstechnik vor und erläutert, wo mechanische Komponenten zum Einsatz kommen.

Was versteht man unter Automatisierung?

Automatisierung bzw. Automation bezieht sich auf den allgemeinen Prozess der Umwandlung von manuellen oder sich wiederholenden Aufgaben in automatisierte Abläufe, die ohne menschliches Eingreifen, d.h. selbst gesteuert, durchgeführt werden können. Dies kann durch den Einsatz von Technologien wie Maschinen, Computerprogrammen oder Robotern erreicht werden.

Ziele der Automatisierung

In der Vergangenheit konzentrierten sich Bemühungen der Automatisierung darauf, starre und wiederkehrende Produktionsabläufe von Maschinen durchführen zu lassen. Das Hauptziel bestand darin, Produktivitätssteigerungen zu erreichen, indem menschliche Arbeitskraft durch Maschinen ersetzt wurde. Diese starren Automatisierungssysteme waren darauf ausgelegt, spezifische Aufgaben mit einer geringen Anforderung an Flexibilität und Anpassungsfähigkeit zu erledigen. Heute hat sich der Fokus auf die Prozessoptimierung der Produktion verschoben. Es gibt ein verstärktes Interesse daran, flexible Fertigungssysteme zu entwickeln, die in der Lage sind, Arbeitsfolgen mit unterschiedlichen Aufgabenstellungen zu bewältigen. Diese flexiblen Systeme sollen nicht nur Produktivitätssteigerungen ermöglichen, sondern auch Flexibilität und eine insgesamt erhöhte Wirtschaftlichkeit bieten. Angetrieben wird diese Entwicklung unter anderem von folgenden Aspekten:

• Variabilität der Produkte: In einer zunehmend globalisierten Wirtschaft und in Märkten mit sich schnell ändernden Kundenpräferenzen ist es wichtig, dass Fertigungssysteme in der Lage sind, eine Vielzahl von Produkten zu produzieren, ohne dass teure Umstellungen oder Anpassungen erforderlich sind.
• Kleinserienproduktion: Die Nachfrage nach maßgeschneiderten Produkten und individuellen Lösungen führt zu einer verstärkten Produktion von Kleinserien. Flexible Fertigungssysteme ermöglichen es Unternehmen, effizient und kostengünstig auch kleinere Losgrößen zu produzieren.
• Schnelle Markteinführungszeiten: Die Fähigkeit, schnell auf Marktveränderungen zu reagieren und neue Produkte einzuführen, ist ausschlaggebend für den Erfolg eines Unternehmens. Flexible Fertigungssysteme ermöglichen es, neue Produkte schnell zu entwickeln und in die Produktion zu bringen.
• Effizienz und Wirtschaftlichkeit: Durch die Flexibilisierung der Fertigung können Unternehmen ihre Ressourcen effizienter nutzen und Kosten senken. Die Anpassungsfähigkeit der Systeme ermöglicht es, die Produktion optimal an die aktuelle Nachfrage anzupassen und Überproduktion zu vermeiden.

Was ist Automatisierungstechnik?

Automatisierungstechnik ist ein Bereich der Ingenieurwissenschaften, der sich mit der Planung, Entwicklung, Implementierung und dem Betrieb von Automatisierungssystemen befasst. Diese Systeme werden verwendet, um Prozesse oder Maschinen zu automatisieren, indem sie Sensoren, Aktuatoren, Steuerungen und Software kombinieren, um eine automatische Steuerung und Überwachung zu ermöglichen. Im Kontext des Anlagenbaus befasst sich die Automatisierungstechnik mit der Integration von Automatisierungssystemen in groß angelegten industriellen Anlagen. Anlagenbauer nutzen Automatisierungstechnik, um komplexe Produktionsanlagen effizienter und sicherer zu betreiben. Im Maschinenbau ist Automatisierungstechnik maßgebend für die Entwicklung und Integration automatisierter Prozesse in einzelne Maschinen und Fertigungslinien, um die Produktionskapazität zu erhöhen und die Qualität zu verbessern.

Die Digitalisierung der Produktion hat einen signifikanten Einfluss auf die Automatisierung in der Industrie. Durch die Integration digitaler Technologien wie Industrie 4.0, Industrielles Internet of Things (IoT), künstliche Intelligenz (KI), Big Data und Cloud-Computing in industrielle Prozesse werden Automatisierungssysteme zunehmend leistungsfähiger und intelligenter. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Automatisierung, da Daten in Echtzeit erfasst, analysiert und genutzt werden können, um Prozesse zu optimieren und Entscheidungen zu unterstützen.

Automatisierungsgrade

Gemäß der DIN IEC 60050-351, der internationalen Norm für die Begriffsdefinitionen in der Elektrotechnik, Elektronik und verwandten Gebieten, bezeichnet der Automatisierungsgrad den Grad der Automatisierung eines Systems oder Prozesses. Er ist ein Maß dafür, inwieweit menschliche Arbeit durch automatische Steuerung und Überwachung ersetzt oder unterstützt wird. Ein höherer Automatisierungsgrad bedeutet eine größere Unabhängigkeit von menschlicher Einmischung und eine größere Fähigkeit des Systems, Aufgaben selbstständig zu erledigen. Der Automatisierungsgrad kann auf einer Skala von manueller Steuerung bis zur vollständigen Automatisierung gemessen werden:

• Manuelle Steuerung: Die Steuerung und Überwachung eines Systems oder Prozesses erfolgt vollständig durch menschliche Interaktion ohne Automatisierung. Alle Entscheidungen und Aktionen werden von Menschen getroffen und ausgeführt.
• Teilautomatisierung: Bei der Teilautomatisierung werden einige Teilprozesse oder Teilfunktionen automatisiert, während andere manuell gesteuert werden. Menschliche Interaktion ist weiterhin erforderlich, um bestimmte Aufgaben auszuführen oder Entscheidungen zu treffen.
• Halbautomatisierung: Die Halbautomatisierung bezeichnet Systeme, bei denen die meisten Aufgaben automatisiert sind, aber dennoch menschliche Intervention erforderlich ist, um bestimmte komplexe Aufgaben zu lösen oder unvorhergesehene Ereignisse zu bewältigen.
• Vollautomatisierung: Hier ist das System oder der Prozess vollständig automatisiert und erfordert keine menschliche Interaktion während des normalen Betriebs. Das System ist in der Lage, alle erforderlichen Entscheidungen zu treffen und Aktionen auszuführen, um den Betrieb effizient und sicher durchzuführen.

Automatisierungspyramide

Die Automatisierungspyramide ist ein Konzept, das in der Industrieautomation verwendet wird, um die hierarchische Struktur von Automatisierungssystemen zu beschreiben. Diese Pyramide dient als Modell, um die verschiedenen Ebenen der Automatisierung darzustellen. Die Automatisierungspyramide besteht typischerweise aus folgenden Ebenen:

• (1) Feldebene: Auf der Feldebene befinden sich die physischen Geräte, die direkt mit den Prozessvariablen in der realen Welt interagieren. Diese Ebene bildet die Basis für die Datenerfassung und Steuerung des Produktionsprozesses. Sensoren sind für die Erfassung von Daten verantwortlich und Aktuatoren führen Aktionen aus.
• (2) Steuerungsebene: Die Steuerungsebene umfasst die Hardware und Software, die zur Steuerung und Überwachung der Feldeinrichtungen verwendet wird. Speicherprogrammierte Steuerungen (SPS) und Programmable Logic Controller (PLCs) sind typische Vertreter dieser Ebene. Sie nehmen die Daten von den Sensoren der Feldebene auf, verarbeiten sie und geben Steuersignale an die Aktuatoren aus.
• (3) Prozess-Leitebene: Auf dieser Ebene erfolgt die Überwachung und Steuerung der Gesamtproduktion. SCADA-Systeme (Supervisory Control and Data Acquisition) sind typisch für diese Ebene. Sie ermöglichen die Visualisierung von Prozessdaten, die Überwachung vom Anlagenstatus und die manuelle Eingriffsmöglichkeit in den Prozess. SCADA-Systeme bieten oft auch Funktionen zur Datenerfassung und Berichterstellung.
• (4) Betriebs-Leitebene: Auf dieser Ebene erfolgt die Koordination unterschiedlicher Prozessbereiche sowie der Informationsaustausch zwischen den Abteilungen. Manufacturing Execution Systeme (MES) unterstützen bei operativen Entscheidungen und der Steuerung der Produktionsleistung.
• (5) Unternehmensleitebene: Die Unternehmensleitebene umfasst die übergeordnete Geschäftsführung und Verwaltung des Unternehmens. Enterprise Resource Planning Systeme (ERP-Systeme) sind typisch für diese Ebene. Sie unterstützen die Planung und Steuerung aller Unternehmensressourcen, einschließlich Produktion, Beschaffung, Vertrieb, Finanzen und Personalwesen.

Mechanische Komponenten in der Automatisierungstechnik

Mechanische Komponenten werden in der Automatisierungstechnik für verschiedene Zwecke eingesetzt. Mit ihnen werden automatisierte Systeme in unterschiedlichen Anwendungsbereichen wie der Fertigungsindustrie, der Logistik, dem Transportwesen und der Robotik realisiert. Sie ermöglichen es, Bewegungen zu steuern, Kräfte zu erzeugen, Materialien zu handhaben und die Sicherheit von Personen und Anlagen zu gewährleisten.

Beispiele für Automatisierung

Automatisierungstechnik optimiert Prozesse, steigert die Effizient und entlastet menschliche Arbeitskräfte von repetitiven Aufgaben. Im Folgenden werden einige konkrete Beispiele für Automatisierung vorgestellt: