Zur Entwicklung von Automatisierung und Antriebstechnik

Herkunft sichert Zukunft

Insbesondere die zurückliegenden 40 Jahre kennzeichnet eine enorme Akzeleration des technischen Fortschritts im allgemeinen, von Automatisierungs-/Antriebstechnik (AT, automatisierte Antriebe AA) im besonderen. Mit ihren Mitteln wird wirtschaftlich die Spanne zwischen Produktidee und Markterfolg bei höchster Qualität reduziert.

Bild 1: Schnittmenge AT - AA

Die Exportorientierung unserer Industrie geht ganz entscheidend darauf zurück. Infolge des gegenseitigen Einflusses beider Fachgebiete laufen Automatisierungs-, Bewegungs-, Stellvorgänge mit immer größerer Präzision, Schnelligkeit und Sicherheit bei wachsender Energieeffizienz ab.

Ausgehend von den Erfahrungen mit den Modulen der verdrahtungsprogrammierten, analogen Regelungs- und binären Steuerungstechnik bestimmten drei strategische Ziele den Erfolg:

  • die Wiederverwendbarkeit von typisierten Funktionseinheiten (Hard- wie Software)
  • ungestörter Echtzeit-Datenfluss
  • einheitliche (Software)-Werkzeuge für alle Phasen.

Den damit verbundenen, zu Beginn der 80iger von Steinbuch prophezeiten Schritt vom Werk- zum Denkzeug befeuerte die Dominanz der Software, die Microsoft mit PC-DOS, dem späteren Windows, einläutete.

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Anstöße zu den Veränderungen kamen - getrieben durch Wohlstandsverlangen und Kostendruck - aus Forderungen an Produktqualität und Effektivität der Fertigung. Essentielle Fortschritte in den letzten vier Jahrzehnten betreffen

  • Automatisierung technischer Abläufe,
  • Automatisierung technischer Tätigkeiten (Rationalisierung der Ingenieurtätigkeit u. a.)

Die Funktionalität, die Erfüllung unterschiedlichster Forderungen stieg bei gleichzeitiger Volumenreduzierung. Anlagen konnten kostengünstig, bedienfreundlich und projektunabhängig, in vielen Merkmalen standardisiert/typisiert bereitgestellt werden. Derartige Errungenschaften sind ebenfalls auf Silmultaneous und Functional Engineering, Qualitäts- (TQM) und Projektmanagement zurückzuführen. Komponenten unterschiedlicher Hersteller ließen sich infolge standardisierter, offener Schnittstellen und interoperabler Komponenten zur Multi-Vendor-Anlage integrieren.

Zu Beginn der 70iger waren die Aufgaben beider Fachgebiete klar getrennt. Elektrische Antriebe setzten zusammen mit Niederspannungsschaltanlagen die in der Prozessleittechnik errechneten Signale in leistungsstarke Aktionen (Stell- und Schaltvorgänge, Bewegungsabläufe) um. Den gegenwärtigen Zustand (Bild 1) kennzeichnet nicht nur die vertikale Integration der verschiedenen Leitebenen ohne Technologiebrüche zwischen Fertigung und Geschäftsprozessen, sondern zugleich eine erhebliche Schnittmenge. AA übernehmen automatisierungs- und technologiespezifische Aufgaben. Umgekehrt gehören Antriebsfunktionen zur AT.

Natürlich sind solche Installationen mit Mehrkosten verbunden. Allerdings amortisieren sie sich in kurzer Zeit, weil sich die Aufwendungen über den Lebenszyklus verringern.

Impulse

Treibende Unterstützung boten Mikro- und Energieelektronik, zugleich aber auch die Innovationen der Informationstechnologie. Seit ihrem Aufkommen folgt die Mikroelektronik dem empirischen, mindestens noch bis 2030 bestimmenden Moore`schen Wachstumsgesetz (Dublieren Integrationsdichte/Arbeitsgeschwindigkeit/1,5 Jahre, Verdopplung der Chipleistung/20 Monate).

Die Energieelektronik charakterisiert eine ähnliche Richtschnur. Schaltfrequenz und Leistungsdichte verdoppeln sich etwa alle 4,5 Jahre. Wide-Bandgap Material wie Siliziumkarbid SiC, Galliumnitrid GaN, Diamant (C)-Verbindungen ergänzen inzwischen Reinst-Si. Seine physikalischen Grenzen überschreiten die Neuen hinsichtlich Leistungsdichte, Wärmeleit- und Sperrfähigkeit.

Automatisierungstechnik

Zum IST-Zustand gehört:

  • Dezentralisierung (Funktionen wandern in den Prozess, in intelligente Aktorik/Antriebstechnik und E/A-Systeme, in die Mensch-Maschine-Schnittstelle),
  • vertikale Integration mit durchgängigem Datenfluss von Produktion bis Verwaltung,
  • horizontaler und vertikaler Datenaustausch gestützt auf international standardisierte Busstechniken (Ethernet u. a.),
  • einheitliches Tool- beziehungsweise Programmsystem - gleichermaßen nutzbar für Projektierung, Test, Fertigung, Betrieb und Wartung
  • umfassender Schutz gegen Manipulation, Kopieren etc..

Alle Funktionen, die in der Vergangenheit separat realisiert wurden, konzentriert neuerdings unter Berücksichtigung offener Standards eine homogene All-in-One-AiO-Plattform. Dank gesteigerter Leistung lassen sich Anlage/Maschine zeiteffizient programmieren beziehungsweise konfigurieren. Ihre Produktivität steigt trotz sinkendem Energieverbrauch. An die Stelle scharfer Abgrenzung von Aufgaben tritt die enge Vernetzung der Komponenten.

Die AiO-Technik setzt Reserven hinsichtlich Zeit, Dynamik, Kapazität, Kosten frei. In dem skalierbaren Terminal konzentrieren sich Engineering (zum Beispiel flexiblere Programmierung in verschiedenen Fach- und Hochsprachen) bis zur Betriebsführung. Sicherheit/Schutz (www.safety-alliance.com), Effizienz und Wirtschaftlichkeit gemäß EU-Maschinenrichtlinie 2006/42/EG und DIN EN ISO 13849-1 sind gewährleistet.

Diesen Fortschritt flankieren Innovationen an der "Peripherie" (Sensorik - wireless mit Energy Harvesting, neue Funktionsprinzipien wie Ultraschall, Radar, lagerlose Drehgeber, Magnetik u. a., Kühlung/Gefäßtechnik, Fernwartung, EMV-Maßnahmen etc.). Die härteren Antriebsforderungen (Einsatzbedingungen, EMV, Platz) werden erfüllbar.

Ein System für alle Teilprozesse birgt allerdings neue Gefahren. Gleich einer biologischen Monokultur zeigt sich die Struktur gegenüber Schädlingen als besonders empfindlich. Mit drastischer Steigerung der Security, höchster Software-Zuverlässigkeit gepaart mit in der kommerziellen Datenverarbeitung üblicher IT-Sicherheitstechnik beherrscht die neue Technologie die Infektionsgefahr.

Antriebstechnik

Ihre Evolution betrifft sowohl Bewegungs- (Umrichterantriebe <400 MW) als auch Stellantriebe. Motion Control wandert zunehmend in die Standardantriebstechnik. Elektromotoren kennzeichnet die Verdrängung des Gleichstrom- zugunsten der Wechselstrom-/Drehstromprinzips, die Senkung ihres Leistungsgewichtes um mehr als Zehnfache (vgl. Energiesparmotoren ESM der IE-Klassen 1....4). Fortschritte auf dem Felde der Magnetwerkstoffe unterstützen den Einzug permanenterregter Synchronmaschinen. Wegen der Verknappung der "seltenen Erden" wurde das Reluktanzprinzip wiederentdeckt.

In den letzten Jahrzehnten entstanden außerdem neue Bauformen sowie miniaturisierte Energiewandler (Unterwasser-, hitzbeständige Maschinen, Trommel-, Flachmotoren, Transversalflussmaschinen, Mehrkoorodinatenantriebe). Zur AT vergleichbare Entwicklungen sind an der "Peripherie" zu beobachten.

Silizium statt Kupfer

In diesem Sinne schreitet die Entwicklung von kosteneffizienter AT/AA ungebrochen voran. Zeitgleich zur engen Verschmelzung mit Geschäftsprozessen, zur fortschreitenden ethernetbasierten Kommunikation erreicht die IT-Sicherheit durchgreifend die Fertigung.

Fortschritte betreffen alle Bereiche. Erwähnung verdienen Bedienungskomfort/geführte, selbsterklärende Inbetriebnahme, interne Widerspruchsfreiheit, Nutzbarkeit von Software-Tools unterschiedlicher Hersteller. Immer mehr Funktionen wandern in die Steuerung, in die Informationsverarbeitung des automatisierten Antriebs (www.beckhoff.de). Unbedingte Zuverlässigkeit/Sicherheit garantieren extreme Fehlerunempfindlichkeit.

Ein nächster Schritt geht in Richtung "Scientific Automation". Wissensbasierte Methoden kombiniert mit schneller Mess- und Feldbustechnik machen die Automatisierung noch effizienter und 'intelligenter'. Die Bedeutung von Hochsprachen und komponenten-/objektorientierter Programmierung nimmt zu. Funktionales Engineering (Planen von Sondermaschinen, Einzelstücken oder "Extrawünschen"), lernende Verfahren zur Fehlererkennung (zum Beispiel Bildverarbeitung) und zum Verbessern/Ändern bei laufendem Betrieb, Cloud Computing für Embedded-Systeme als Speichererweiterung, Energieeffizienz (Beispiel Condition Monitoring mechanischer Systeme auch aus der Ferne), Einbau von Webservern dringen vor.

Perfektion über den gesamten Lebenszyklus einer Maschine/Anlage führt zu Operational Excellence (vgl. VigilantPlant von http://www.Yokogawa.com). Zugleich wird AT/AA für die Energiewende, für den Wandel zum SMART GRID unverzichtbar.

Zum Rang der vierten industriellen Revolution (Industrie 4.0) avanciert das Zusammenwachsen moderner Informationstechnik mit industriellen Prozessen, die künftige permanente Verbindung von Mensch, Maschine und Produkt.

AA/AT verstärken ihre wichtige Rolle beim Lösen globaler gesellschaftlicher Probleme (Energieeinsparung, -erzeugung, Wasser, Ressourcenverknappung, soziale Infrastruktur, Klima, Bevölkerungswachstum, Urbanisierung; vgl. ZVEI: Integrierte Technologie-Roadmap 2020+, http://www.zvei.org/automation), damit beim Erhalt der Exportfähigkeit der deutschen Industrie. Weil die Produktivitäts- weiterhin die Wachstumsrate übertreffen wird, erfordert die noch mehr bereitstehende Freizeit nachhaltige Alternativen ihrer Nutzung.

Zugleich ist mit der unaufhaltsamen Weiterentwicklung sicherzustellen, dass mindestens in AA/AT der Computer ein Arbeitsinstrument bleibt und der Mensch nicht zu seinem Werkzeug "verkommt" (vgl. Informations- und Finanzökonomie).

Joachim Krause

Begriffserläuterungen

Integriertes Engineering
Einheitlicher Planungs-/Überwachungsprozess einer Maschine/Anlage. Daten werden nur einmal eingegeben, an einer Stelle systemweit konsistent gepflegt.

AiO-Plattform
(Nachfolger von Programmable Automation Controller PAC): Integriertes, skalierbares Automatisierungssystem. SPS- oder PC-basiert nutzt es die Vorzüge von SPS oder IPC. In der Multidomain-Plattform verschmelzen Steuerungs-, IT-Funktionen, Prozessdatenverarbeitung, Datenaustausch/Netzwerktechnik (EtherCat u.a.), Motion Control/Bewegungssteuerung, Auswerten, Bedienen und Beobachten, Visualisierung/Bildverarbeitung, Überwachung (Condition Monitoring), CNC, Robotik, funktionale Sicherheit, Redundanz u. a.. Die softwaredominierte, schnittstellenreduzierte Architektur (integrierte Entwicklungsumgebung mit einer Software zum Programmieren, Konfigurieren, Parametrieren, Diagnostizieren, Debugging) beherrscht betriebswirtschaftlich optimal den Lebenszyklus inklusive Zuverlässigkeit, EMV, Safety, Security. AiO bietet mehr Funktionalität als die Summe der separaten Mittel. Beispiele: www.br-automation.com, http://industrial.omron.de, www.beckhoff.de.

Industrie 4.0
Vierte industrielle Revolution, Zusammenwachsen moderner Informationstechnik mit industriellen Prozessen, von realer und virtueller Welt. Grundlage: cyberphysische Systeme (CPS), die Informationen aufnehmen, Aktionen auslösen und sich wechselseitig steuern können. Ihre Komponenten, Maschinen und Anlagen lassen sich ohne Parametrierung oder Programmierung zu Produktionssystemen fügen. www.vdi.de/Industrie-4.0, www.bmbf.de

Reluktanzmotor
Dreiphasige Schenkelinnenpol-Synchronmaschine mit gezahntem, wicklungslosem, unerregtem Läufer für Umrichterspeisung.

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DownloadEntwicklung der Elektronik
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