Automatisierungstechnik

Die Automatisierungstechnik spielt eine wichtige Rolle für die Digitalisierung von Unternehmen. Durch die Geräte- und Anlagen-Automatisierung laufen Prozesse selbsttätig ab, der Mensch muss nicht mehr unmittelbar tätig werden. Gerade in der Produktion kann die Automatisierungstechnik daher nicht nur die Ausführung (Prozessautomatisierung), sondern auch die Kontrolle von Prozessen umfassen. Der Artikel zeigt, welche Bereiche von der Automatisierung betroffen sind und warum sie heutzutage so wichtig ist.

Was bedeutet Automatisierung?

Mit dem Begriff Industrieautomatisierung bezeichnet man Maßnahmen, die darauf angelegt sind, dass Maschinen und Anlagen selbstständig – also ohne menschliche Mitwirkung – betrieben werden. Dabei wird der Automatisierungsgrad daran bemessen, wie groß die Unabhängigkeit der jeweiligen Maschinen tatsächlich ist. Der Begriff der Automation bezieht sich auf die vollendete Automatisierung, bezeichnet also Arbeitssysteme, die weitgehend bedienungsfrei funktionieren.

Bei der Automatisierungstechnik handelt es sich um ein interdisziplinäres Fachgebiet der Industrie 4.0, die unterschiedlichen Fachbereichen zugeordnet werden kann. Hauptsächlich gehören dazu der Maschinenbau und die Elektrotechnik. Die verschiedenen Technologien und Methoden der Automatisierungstechnik sind aus diesem Grund breit gefächert und verändern sich zum Teil sehr schnell.

Ursprünglich kamen Anwendungen der Automatisierungstechnik hauptsächlich in der Großserienproduktion sowie der Energie- und Chemietechnik zum Einsatz. Dank der steigenden Flexibilität der Anlagen besteht inzwischen aber auch die Möglichkeit, mit Automatisierungstechnik die Herstellung von Kleinserien und sogar Einzelstücken zu automatisieren.

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen folgenden Formen der Automatisierungstechnik:

  • Verfahrensautomatisierung: Einzelne Arbeitsvorgänge, die jeweils bestimmten Prozessen angehören, werden automatisiert
  • Prozessautomatisierung: Ganze Prozesse werden automatisiert
  • Systemautomatisierung: Dem Namen entsprechend, werden bei der Systemautomation komplette Systeme samt ihrer einzelnen Prozesse automatisiert

Die Funktionen automatisierter Systeme erstrecken sich auf das Messen, Steuern, sowie Regeln und Kommunizieren. Zu den Grundlagen der Automatisierungstechnik zählen daher diese Bereiche:

  • Messtechnik: Messen physikalischer Größen wie Kraft, Länge, Masse, Druck, Zeit, Temperatur und elektrische Stromstärke unter Einsatz spezieller Messsensoren

  • Sensorik: Verwendung von Sensoren zur Messung der Umweltbedingungen

  • Steuerungstechnik: Erstellen programmierbarer Steuerungen

  • Regelungstechnik: Messen der Regelgrößen und Vergleich mit der Führungsgröße (etwa mit Feldbussystemen)

  • Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS): Steuerung und Regelung von Maschinen und Anlagen

Die genannten Automatisierungssysteme werden zentral, in sogenannten Mensch-Maschine-Schnittstellen, überwacht. Sie können auf Basis modellgestützter Regelungen selbsteinstellend sein – das heißt, die jeweilige Maschine regelt ihren Betrieb komplett automatisch. Möglich ist auch, dass sie eine Überwachung mit Fehlerdiagnose enthalten.

Sinn und Zweck der Automatisierungsbestrebungen ist der konkrete Nutzen für alle Beteiligten. So können Automatisierungstechnologien gefährliche oder körperlich belastende Arbeiten übernehmen, die ansonsten Menschen überlassen blieben. Automatisierte Prozesse und Systeme unterstützen und helfen Menschen in planenden und ausübenden Tätigkeiten, bei Entscheidungs- und Dienstleistungsprozessen. Hinzu kommt, dass die Produktionskosten durch die gesteigerte Produktivität langfristig häufig deutlich sinken.

Egal, ob es um technisch einfache oder komplexe Prozesse geht – die Automatisierungstechnik dient der Optimierung von Prozessen. Dabei kann sie dazu beitragen, vorgegebene Kriterien – beispielsweise eine höchstmögliche Produktqualität oder das Schonen natürlicher Ressourcen – umzusetzen.

Wie funktioniert Automatisierung?

Die Automatisierungstechnik spielt bereits heute eine wichtige Rolle in digitalisierten Produktionsprozessen. Branchen, in denen die Automatisierungstechnik bereits seit längerem zum Einsatz kommt, sind die Automobilindustrie sowie Hersteller von Industrieersatzteilen und komplexer industrieller Maschinen, Anlagen und Systeme.

Die Spannbreite der automatisierten Einrichtungen ist groß und umfasst alle Geräte und Anlagen, die ihre Prozesse selbsttätig ausführen und die dafür erforderlichen Informationen erfassen, verarbeiten und ausgeben. Die meisten automatisierten Systeme bestehen aus zwei miteinander gekoppelten Teilsystemen – dem Automatisierungsobjekt, das gezielt beeinflusst wird, und dem Steuerungs- oder Prozessleitsystem, das diese Beeinflussung ausübt.

Während mechanisierte Werkzeuge (beispielsweise Bohrmaschinen) den Menschen zwar unterstützen, aber weiterhin von ihm bedient werden müssen, folgt die automatisierte Ausführung einem Programm festgelegter Regeln. Die Ausführung der jeweiligen Aufgabe wird (überwiegend) durch eine Automatisierungseinrichtung übernommen. Die Tätigkeit des Menschen beschränkt sich auf die Überwachung und Kontrolle.

In der Automatisierungstechnik wird zwischen Teil- und Vollautomatisierung unterschieden. Welche Definition jeweils zutrifft, hängt vom automatisierten Anteil des Prozesses ab:

  • Teilautomatisierung: Während einige Prozessschritte automatisiert ablaufen, werden andere vom Menschen übernommen. Ein Beispiel ist die Unterteilung in Fein- und Grobarbeiten bei der Verarbeitung von Werkstoffen in Fertigungsprozessen. So werden Feinarbeiten weiterhin manuell ausgeführt, grobe beziehungsweise schwere Arbeiten laufen automatisiert – zum Beispiel mit einem Roboter oder einer CNC-Fräse – ab.

  • Vollautomatisierung: Eine Maschine oder Software ist für den gesamten Arbeitsprozess verantwortlich. Schon heute laufen zahlreiche Produktionsprozesse vollautomatisiert. Softwarelösungen sind ein weiteres Beispiel für vollautomatisierte Prozesse.

Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Automatisierungstechnik ist die Industrierobotik . Bei Industrierobotern handelt es sich um programmierbare Bewegungsautomaten, die zum Beispiel für die Montage oder Bearbeitung verwendet werden können. Programmierbar bedeutet, dass sich die Achsen der Maschinen hinsichtlich Bewegungsfolge und Winkel ohne mechanischen Eingriff programmieren lassen. Zum Teil sind diese Bewegungen auch sensorgeführt. Um Fertigungsaufgaben ausführen zu können, sind die Roboter mit Werkzeugen oder Greifern ausgerüstet.

Die Vorteile der Zusammenarbeit von Menschen und Robotern (Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK)) ist, dass sich diverse Anwendungen viel schneller und einfacher umsetzen lassen. Mensch und Maschine arbeiten dabei Hand in Hand: Während die Roboter Aufgaben übernehmen, die zum Beispiel unergonomisch sind oder an unzugänglichen Orten verlangt werden, steuert und überwacht der Mensch die Produktionsschritte.

Warum ist Automatisierung wichtig?

Der Bedeutung der Automatisierungstechnik kann kaum überschätzt werden. Der Grund: Die Automatisierungstechnik geht eng mit einer Rationalisierung einher. Gerade in der Industrie fällt so weniger manuelle Arbeit für den Menschen an, wodurch die Produktivität steigt. Darüber hinaus schützen Automaten den Menschen beim Betrieb von Anlagen oder bei gesundheitsschädlichen Arbeiten.

Die Automatisierungstechnik ermöglicht auch viele Anwendungen außerhalb der Industrie, die ohne sie gar nicht möglich wären. Zu diesen zählen zum Beispiel der automatische Zahlungsverkehr oder die automatisch erstellte Stromrechnung. Hinzu kommen Haushaltstätigkeiten wie das Waschen von Kleidung mit der Waschmaschine.

Häufig ist mit der fortschreitenden Automatisierungstechnik die Angst verbunden, dass sie durch das sinkende Arbeitsaufkommen in der Industrie Arbeitsplätze verschlingen könnte. Experten sind sich aber weitgehend einig, dass die Automatisierung auch Arbeitsplätze schafft. Zum einen steigt der Bedarf an immer fortschrittlicheren Maschinen und Anlagen mit höherem Automatisierungsgrad. Daraus folgt, dass Produkte und Wertschöpfungsnetze weiterentwickelt werden müssen. Unternehmen werden in Zukunft also einen größeren Bedarf an zusätzlichen – und vor allem entsprechend ausgebildeten – Arbeitskräften haben.

Die Automatisierungstechnik ermöglicht zahlreiche Prozesse, die bei einer manuellen Ausübung gar nicht umsetzbar wären. Zu den Vorteilen der fortschreitenden Automatisierungstechnik gehören:

  • Erhöhung der Produktivität
  • Optimierung der Produktqualität
  • schonender Umgang mit Ressourcen
  • Steigerung der Energieeffizienz
  • zuverlässigere Produktionsmittel
  • Erhöhung der Betriebs- und Arbeitssicherheit
  • Reduzierung von Umweltbelastungen
  • Erleichterung von Arbeitsprozessen

Wann lohnt sich Automatisierung?

Die Frage, wann der Einsatz von automatisierten Lösungen nicht mehr sinnvoll beziehungsweise lohnenswert ist, hängt vor allem von Wirtschaftlichkeitserwägungen ab. Die Grenze wird also dort gezogen, wo Automatisierungslösungen kostspieliger sind als die herkömmliche Produktion.

Schließlich kann zum Beispiel die Automatisierung komplexer Bewegungsabläufe und der Einsatz aufwändiger Roboter hohe Kosten verursachen. In vielen Fällen ist es schlichtweg kostengünstiger, die Arbeit menschlichen Akteuren zu überlassen. Wie die Praxis zeigt, trifft dies insbesondere bei der Endfertigung – also dem Zusammenbau von Produkten – zu.

An ihre Grenzen stößt die Automatisierungstechnik vor allem auch in Arbeitsfeldern, in denen es kreativer Entscheidungen und flexibler Problemlösungen bedarf. Solche Aufgaben können automatisierte Systeme nur in seltenen Fällen stemmen, weshalb sie meist besser Menschen überlassen bleiben.

Fazit

Die Automatisierungstechnik ist bereits seit einigen Jahren im Kommen. Automatisierte Lösungen werden vor allem eingesetzt, um Zeit und Kosten zu sparen. Außerdem sind sie weniger fehleranfällig als menschliche Arbeit und liefern eine insgesamt höhere Qualität. In vielen Bereichen werden menschliche Fähigkeiten aber weiterhin benötigt. Dazu gehören zum Beispiel Arbeitsfelder, in denen kreatives Entscheiden gefragt ist.

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