9.1 Einleitung: Von der Elektrifizierung zur Automatisierung
Nach der großflächigen Elektrifizierung und der Entwicklung elektronischer Rechentechnik verlagerte sich der Fokus der Elektrotechnik im 20. Jahrhundert zunehmend auf die Automatisierung technischer Prozesse. Ziel war es, industrielle Abläufe nicht nur elektrisch anzutreiben, sondern auch selbstständig zu steuern, zu überwachen und zu optimieren.
Automatisierungstechnik verbindet Elektrotechnik, Informatik, Regelungstechnik und Maschinenbau zu einem integrativen Systemansatz. Sie bildet das Fundament moderner Produktionssysteme.
9.2 Grundlagen der Regelungstechnik
Die Regelungstechnik ist das theoretische Herzstück der Automatisierung. Sie beschäftigt sich mit der Beeinflussung dynamischer Systeme durch Rückkopplung.
Wesentliche Begriffe:
- Regelgröße
- Führungsgröße
- Stellgröße
- Störgröße
- Regelkreis
Ein typischer geschlossener Regelkreis besteht aus:
- Sensor (Messung der Ist-Größe)
- Regler (Vergleich mit Sollwert)
- Aktor (Einwirkung auf das System)
- Prozess (zu regelndes System)
Mathematisch werden solche Systeme häufig durch Differentialgleichungen oder Zustandsraummodelle beschrieben.
9.3 Entwicklung der Automatisierungstechnik
Frühe Formen der Automatisierung nutzten mechanische und elektromechanische Steuerungen. Mit der Einführung elektronischer Bauelemente entstanden komplexere Steuerungen.
Ein Meilenstein war die Entwicklung der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS). Sie ersetzte festverdrahtete Relaissteuerungen durch flexible, programmierbare Systeme.
Vorteile der SPS:
- Hohe Zuverlässigkeit
- Einfache Anpassbarkeit
- Modularer Aufbau
- Industrietauglichkeit
SPS-Systeme wurden zum Standard in der industriellen Fertigung.
9.4 Sensorik und Aktorik
Automatisierte Systeme sind auf präzise Sensorik angewiesen. Sensoren wandeln physikalische Größen in elektrische Signale um.
Typische Messgrößen:
- Temperatur
- Druck
- Drehzahl
- Position
- Durchfluss
- Beschleunigung
Aktoren setzen elektrische Signale in mechanische oder thermische Wirkungen um, beispielsweise durch Elektromotoren, Ventile oder Heizelemente.
Die Kombination aus Sensorik und Aktorik ermöglicht geschlossene Regelkreise.
9.5 Robotik
Die industrielle Robotik ist ein bedeutendes Anwendungsfeld der Automatisierung. Roboter bestehen aus:
- Elektrischen Antrieben
- Positionssensoren
- Steuerrechnern
- Kommunikationsschnittstellen
Regelungstechnisch komplexe Bewegungsabläufe erfordern präzise Koordination mehrerer Achsen. Elektrotechnik stellt dabei die Energieversorgung, Signalverarbeitung und Steuerungslogik bereit.
Moderne Roboter nutzen zusätzlich Bildverarbeitung und künstliche Intelligenz.
9.6 Industrielle Kommunikationssysteme
Mit wachsender Komplexität von Produktionsanlagen wurde die Vernetzung einzelner Komponenten notwendig. Industrielle Kommunikationssysteme ermöglichen Echtzeit-Datenübertragung.
Beispiele für technische Konzepte:
- Feldbus-Systeme
- Echtzeit-Ethernet
- Drahtlose Sensornetze
- Edge-Computing
Die Integration von Kommunikations- und Automatisierungstechnik bildet die Grundlage vernetzter Produktionsumgebungen.
9.7 Industrie 4.0 und cyber-physische Systeme
Im 21. Jahrhundert entstand das Konzept der Industrie 4.0. Es beschreibt die vierte industrielle Revolution, geprägt durch Digitalisierung und Vernetzung.
Kennzeichen von Industrie 4.0:
- Cyber-physische Systeme
- Echtzeit-Datenanalyse
- Selbstoptimierende Produktionsprozesse
- Digitale Zwillinge
- Vernetzte Wertschöpfungsketten
Cyber-physische Systeme verbinden physikalische Prozesse mit digitalen Informationssystemen. Sensoren erfassen Prozessdaten, die in Echtzeit analysiert und zur Optimierung genutzt werden.
9.8 Künstliche Intelligenz in der Automatisierung
Die Integration künstlicher Intelligenz ermöglicht adaptive Regelungsstrategien und prädiktive Wartung.
Anwendungsfelder:
- Qualitätskontrolle durch Bildanalyse
- Vorausschauende Instandhaltung
- Optimierung von Energieverbrauch
- Autonome mobile Systeme
KI erweitert klassische Regelungstechnik um lernfähige Algorithmen.
9.9 Sicherheit und funktionale Sicherheit
Automatisierte Systeme müssen hohen Sicherheitsanforderungen genügen. Fehler können erhebliche wirtschaftliche oder menschliche Schäden verursachen.
Zentrale Aspekte:
- Redundanz
- Fehlertoleranz
- Sicherheitsgerichtete Steuerungen
- Elektromagnetische Verträglichkeit
Funktionale Sicherheit ist ein integraler Bestandteil moderner Automatisierung.
9.10 Gesellschaftliche und wirtschaftliche Auswirkungen
Die Automatisierung führte zu:
- Produktivitätssteigerung
- Globalisierung der Produktion
- Strukturwandel am Arbeitsmarkt
- Entstehung neuer Qualifikationsprofile
Gleichzeitig wirft sie ethische und soziale Fragen auf, insbesondere im Hinblick auf Beschäftigung und Datenhoheit.
9.11 Zukunftsperspektiven
Zukünftige Entwicklungen umfassen:
- Autonome Fabriken
- Kollaborative Robotik
- Vollständig vernetzte Lieferketten
- KI-gestützte Prozessoptimierung
- Nachhaltige Produktionssysteme
Die Automatisierungstechnik bleibt ein dynamisches Feld, das die industrielle Entwicklung maßgeblich prägt.
9.12 Zusammenfassung
Kapitel 9 zeigt, wie die Elektrotechnik von der reinen Energie- und Signaltechnik zur umfassenden Steuerungs- und Automatisierungswissenschaft wurde.
Zentrale Elemente:
- Regelungstechnik
- SPS-Systeme
- Sensorik und Aktorik
- Robotik
- Industrie 4.0
Die Automatisierung markiert einen weiteren Evolutionsschritt der Elektrotechnik und bildet die Grundlage moderner industrieller Wertschöpfungssysteme.
