Entdecken Sie PLC, SCADA, Steuerungssysteme, Schaltschränke und Gebäudeautomation. Lernen Sie die grundlegenden Komponenten der Fabrikmodernisierung kennen.

Was ist industrielle Automatisierung?

Industrielle Automatisierung bezeichnet die Durchführung physischer Prozesse in einer Produktionsanlage durch das Zusammenspiel elektrischer, elektronischer, softwaretechnischer und mechanischer Komponenten bei minimalen menschlichen Eingriffen. Im einfachsten Fall besteht sie aus einem Regelkreis: Ein Sensor erfasst eine Umgebungsgröße, eine Steuerung trifft auf Grundlage dieses Messwerts eine Entscheidung und ein Aktor setzt diese in eine physische Bewegung um. Dieser Ablauf kann so einfach sein wie das Öffnen eines Ventils oder so komplex wie der synchronisierte Betrieb einer Montagelinie, in der Hunderte von Stationen aufeinander warten.

Automatisierungssysteme werden üblicherweise in drei Ebenen gegliedert. Die Feldebene umfasst Sensoren, Motoren, Antriebe und Sicherheitskomponenten. Auf der Steuerungsebene befinden sich die Steuerungen, die diese Komponenten ansteuern. Die übergeordnete Ebene besteht aus Software zur Überwachung, Planung und Auswertung der Produktion. Der Erfolg eines Automatisierungsprojekts hängt häufig weniger von der Qualität einzelner Komponenten ab als davon, wie konsistent diese drei Ebenen miteinander verknüpft sind . Was ein durchgängiger Ansatz umfasst, erfahren Sie auf unseren Seiten zu Lösungsfamilien und Engineering-Dienstleistungen .

Die Gründe, aus denen produzierende Unternehmen auf Automatisierung setzen, ähneln sich: steigende Personalkosten, Schwierigkeiten bei der Suche nach qualifiziertem Bedienpersonal, kundenseitig geforderte Rückverfolgbarkeit, schwankende Qualität und unvorhersehbare Stillstände. Automatisierung setzt an all diesen Punkten gleichzeitig an. Damit sie jedoch den erwarteten Nutzen bringt, muss der Prozess zuerst verstanden und erst danach automatisiert werden. Wird ein unzureichend definierter Prozess automatisiert, werden lediglich schneller fehlerhafte Produkte hergestellt.

Fabrikautomation und Modernisierung von Produktionslinien

Fabrikautomation umfasst die Zusammenführung von Maschinen, Linien und Fördersystemen unter einer gemeinsamen Steuerungsarchitektur in Anlagen mit diskreter Fertigung. Montagelinien, Verpackungsmaschinen, Prüfstationen und Zuführsysteme sind typische Bestandteile. Bei Modernisierungsprojekten bleibt der vorhandene Maschinenpark meist erhalten; verändert wird die Steuerungs- und Datenebene, die die Maschinen miteinander verbindet.

Der Aufbau einer neuen Linie und die Modernisierung einer bestehenden Linie erfordern unterschiedliche Disziplinen. Bei einer Neuinstallation besteht gestalterischer Spielraum. Bei einer Modernisierung muss dagegen ohne Produktionsunterbrechung vorgegangen, das undokumentierte Verhalten alter Anlagen geklärt und die Inbetriebnahme auf Wochenenden begrenzt werden. Deshalb sind bei Modernisierungsprojekten die Bestandsaufnahme vor Ort, die Ist-Analyse und ein stufenweiser Umstellungsplan, ebenso entscheidend wie die Softwareentwicklung .

Die gängigste Methode zur Messung der Linieneffizienz ist die Gesamtanlageneffektivität, kurz OEE. Diese Kennzahl ergibt sich aus dem Produkt von Verfügbarkeit, Leistung und Qualitätsrate und zeigt, worauf Verbesserungsmaßnahmen ausgerichtet werden sollten. Auch die Wirtschaftlichkeit einer Automatisierungsinvestition wird häufig anhand der Steigerung der OEE, der Verringerung der Ausschussquote und der Reduzierung ungeplanter Stillstandszeiten berechnet.

Prozessautomatisierung und kontinuierliche Produktion

Die Prozessautomatisierung; in der Chemie-,, Lebensmittel-, Getränke-, Pharma-, Papier-, Zement- und Energieindustrie befasst sich mit der Regelung von Größen wie Temperatur, Druck, Durchfluss, Füllstand, pH und Leitfähigkeit in Anlagen mit kontinuierlicher oder semikontinuierlicher Produktion. Der Unterschied zur diskreten Fertigung besteht darin, dass die geregelte Größe kontinuierlich ist und die Prozessdynamik durch physikalische Gegebenheiten wie Totzeit und Wärmekapazität begrenzt wird.

In diesen Anlagen ist die Rezepturverwaltung ein eigenständiges Thema. In der chargenorientierten Produktion wird dieser Bedarf durch Batch-Systeme auf Basis von ISA-88 abgedeckt. Die Herstellung verschiedener Produkte mit unterschiedlichen Parametern auf derselben Linie erfordert, dass die Rezeptur unabhängig vom Bedienpersonal im System hinterlegt und für jede Charge dokumentiert wird, nach welcher Rezeptur sie produziert wurde. In der Lebensmittel- und Pharmaproduktion ist diese Dokumentation nicht nur ein Instrument der Qualitätssicherung, sondern eine gesetzliche Pflicht.

In der Prozessautomatisierung wirkt sich die Regelgüte unmittelbar auf die Produktkosten aus. Ein gut abgestimmter Regelkreis verringert die Schwankungen um den Sollwert und reduziert dadurch gleichzeitig den Energieverbrauch, die Rohstoffverschwendung und die Produktstreuung. Deshalb ist die Regelkreisabstimmung während der Inbetriebnahme ein mindestens ebenso wertvolles Projektergebnis wie die Software.

PLC-Programmierung und Steuerungssysteme

PLC, ausgeschrieben Programmable Logic Controller, bezeichnet eine speicherprogrammierbare Steuerung und ist die entscheidende Komponente der industriellen Automatisierung. Sie liest digitale und analoge Signale aus dem Feld ein, verarbeitet sie anhand des geladenen Programms und steuert die Ausgänge an. Sie ist für Vibrationen, Temperaturen, elektrische Störungen und den Dauerbetrieb in industriellen Umgebungen ausgelegt. Diese Robustheit, die von einem Bürocomputer nicht erwartet wird, hat die PLC zum Standard in der Produktion gemacht.

Die PLC-Programmierung erfolgt in den in der Norm IEC 61131-3 definierten Sprachen. Kontaktplan ist für Teams mit Kenntnissen der elektrischen Relaislogik gut lesbar; Funktionsbausteinsprache ist in der Prozessregelung weit verbreitet; strukturierter Text wird für Programmteile bevorzugt, die komplexe Berechnungen und Datenverarbeitung erfordern. Gute PLC-Software funktioniert nicht nur, sondern ist auch Jahre später für andere Ingenieure nachvollziehbar. Deshalb bestimmen standardisierte Bibliotheken, aussagekräftige Bezeichnungen und eine konsistente Programmstruktur die langfristigen Projektkosten.

Auch die Wahl der Steuerungsarchitektur hängt vom Projektumfang ab. Während für Anwendungen mit einer einzelnen Maschine eine Kompaktsteuerung ausreicht, kommen in Anlagen mit Hunderten dezentral erfassten Ein- und Ausgängen dezentrale Ein-/Ausgabestationen und industrielle Kommunikationsnetzwerke zum Einsatz. Die Auswahl des Kommunikationsprotokolls erfolgt unter Berücksichtigung der Zykluszeit, der Anforderungen an den Determinismus und der Kompatibilität mit dem vorhandenen Maschinenpark.

SCADA, HMI und Bedienoberflächen

SCADA -Software ist eine Anwendung auf der übergeordneten Ebene, die Daten von den Steuerungen im Feld erfasst, visualisiert, Alarme erzeugt und historische Daten archiviert. Bedienpanels, also HMI-Bildschirme, ermöglichen dagegen unmittelbare Eingriffe direkt an der Maschine. Der Unterschied liegt im Umfang: HMI dient zur Bedienung einer Maschine, SCADA zur Führung einer Anlage.

Die Gestaltung der Bedienoberfläche erhält in vielen Projekten weniger Aufmerksamkeit, als sie verdient. Dabei beeinflusst sie unmittelbar die Fehlerwahrscheinlichkeit des Bedienpersonals, das während der gesamten Schicht auf den Bildschirm blickt. Bei einer guten Bedienoberfläche vermitteln Farben eine Bedeutung und dienen nicht der Dekoration. Der Normalbetrieb wird ruhig dargestellt; Aufmerksamkeit wird nur bei Abweichungen erzeugt. Auch die Alarmliste muss verwaltet werden: In einem System, das für jede Abweichung einen Alarm auslöst, lernt das Bedienpersonal schnell, Alarme zu quittieren, und die tatsächliche Störung wird übersehen.

Die auf der SCADA-Ebene gespeicherten historischen Daten dienen nicht nur der Berichterstellung, sondern auch der Ursachenanalyse. Um zu verstehen, warum ein Stillstand aufgetreten ist, muss der Signalverlauf zum Ereigniszeitpunkt rückblickend nachvollzogen werden können. Deshalb müssen die zeitliche Auflösung der Datenerfassung und die Aufbewahrungsdauer bei der Systemauslegung bewusst festgelegt werden.

Schaltschrank, Schaltschrankplanung und Energiemonitoring

Der Schaltschrank bildet das physische Rückgrat des Automatisierungssystems. Hier kommen Energieverteilung, Schutztechnik, Antriebe, Steuerungen und Kommunikationskomponenten zusammen. Die Schaltschrankplanung umfasst einpolige Stromlaufpläne, Leistungs- und Steuerstromkreise, Klemmenpläne, Kabellisten und Aufbauzeichnungen. Eine sorgfältig erstellte Planung erleichtert nicht nur die Fertigung, sondern auch die Fehlersuche Jahre später.

Beim Schaltschrankdesign wird das Wärmemanagement häufig unterschätzt. Wird ein Schaltschrank ausgewählt, ohne die Wärmeentwicklung der Antriebs- und Leistungskomponenten zu berechnen, können im Sommer Schutzeinrichtungen auslösen und die Produktion zum Stillstand bringen. Ebenso bestimmen die Dimensionierung der Kabelquerschnitte sowie die Berechnung der Kurzschlussfestigkeit und Selektivität, ob der Schaltschrank seine ursprüngliche Leistungsfähigkeit über Jahre hinweg beibehält.

Energiemonitoring macht mithilfe zusätzlicher Messgeräte im Schaltschrank den Verbrauch je Linie, Maschine oder Bereich sichtbar. Einsparmaßnahmen, die allein auf der Gesamtrechnung beruhen, bleiben häufig erfolglos. Sobald jedoch eine Aufschlüsselung des Verbrauchs vorliegt, lassen sich ein im Leerlauf laufender Kompressor, eine unnötig eingeschaltete Heizung oder ein ineffizienter Motor schnell erkennen. Energiedaten ermöglichen außerdem die Berechnung des Verbrauchs pro Produkteinheit und bilden damit eine Grundlage für die Nachhaltigkeitsberichterstattung.

Gebäudeautomation und Gebäudemanagement

Gebäudeautomation bezeichnet die Zusammenführung der Heizungs-, Kühlungs-, Lüftungs-, Beleuchtungs-, Brandschutz- und Zutrittskontrollsysteme von Produktionsanlagen und Gewerbegebäuden auf einer gemeinsamen Managementebene. Sie nutzt dieselbe Steuerungslogik wie die Produktionsautomatisierung. Der Unterschied besteht darin, dass nicht ein Produkt, sondern die Umgebungsbedingungen geregelt werden.

Ein Gebäudemanagementsystem soll den Energieverbrauch senken und gleichzeitig die Komfortbedingungen aufrechterhalten. Typische Einsparpotenziale sind die Anpassung der Lüftung an die Belegung, die Verschiebung der Betriebskennlinie in Abhängigkeit von der Außentemperatur und die automatische Absenkung außerhalb der Schichtzeiten. In Produktionsanlagen kommen zusätzliche Prozessanforderungen hinzu: Bedingungen wie Feuchteregelung, Druckstaffelung und Partikelkonzentration beeinflussen die Produktqualität unmittelbar.

Komponenten eines Automatisierungssystems

Ein Automatisierungssystem besteht aus sich ergänzenden Komponentenfamilien . Sensoren erfassen den Prozess: Näherungssensoren erkennen die Anwesenheit eines Werkstücks, Encoder messen Position und Geschwindigkeit, Wägezellen das Gewicht und Temperatur- sowie Druckmessumformer die jeweiligen Prozessgrößen. Messgenauigkeit und Wiederholbarkeit bestimmen die Grenzen der gesamten darauf aufbauenden Steuerungs- und Regelungslogik; ein fehlerhaft messender Sensor führt selbst die beste Software in die Irre.

Aktoren setzen Entscheidungen in Bewegung um. Pneumatikzylinder werden für schnelle und einfache lineare Bewegungen eingesetzt, Servomotoren für präzise Positionieraufgaben und Asynchron-Getriebemotoren für Anwendungen mit kontinuierlichem Antriebsbedarf. Motorantriebe, also Frequenzumrichter, schalten den Motor nicht nur ein und aus, sondern regeln Drehzahl, Drehmoment und Beschleunigungsprofil. Dadurch reduzieren sie sowohl die mechanische Ermüdung als auch den Energieverbrauch.

Leistungs- und Schutzkomponenten gewährleisten den sicheren Betrieb des Systems. Schalter, Schütze, thermische Überlastrelais und Überspannungsschutzgeräte begrenzen Schäden im Fehlerfall. Unterbrechungsfreie Stromversorgungen schützen die Steuerungsebene vor Netzschwankungen. Muss eine Steuerung nach einem kurzen Spannungseinbruch neu starten, kann die Wiederaufnahme des Betriebs in vielen Anlagen mehrere Stunden dauern.

Industrielle Kommunikation und Feldnetzwerke

Die Kommunikation zwischen den Komponenten erfolgt über industrielle Kommunikationsprotokolle. Klassische serielle Protokolle sind einfach und weit verbreitet; Ethernet-basierte industrielle Protokolle bieten Vorteile bei Anwendungen, die hohe Datenvolumen und geringe Latenzen erfordern. Bei Anwendungen mit deterministischen Zeitanforderungen, etwa der Bewegungssteuerung, muss die Zykluszeit im Mikrosekundenbereich konstant bleiben. Damit wird die Protokollauswahl zu einer technischen Notwendigkeit.

Bei der Auslegung eines Feldnetzwerks sind Topologie, Kabeltyp, Schirmung und Erdung mindestens ebenso entscheidend wie die Protokollauswahl. Elektrische Störungen sind in industriellen Umgebungen unvermeidbar. Die von Motorantrieben erzeugten hochfrequenten Störanteile können bei falsch verlegten Datenleitungen zu schwer erklärbaren Kommunikationsunterbrechungen führen. Solche Störungen werden häufig für Softwarefehler gehalten, wodurch Wochen verloren gehen.

Die Anbindung der Datenebene an übergeordnete Systeme ist ein eigenständiges Thema. Werden für die Übertragung von Produktionsdaten an die Überwachungs- und Analyseebene herstellerunabhängige Datenmodelle verwendet, muss bei einem späteren Austausch von Betriebsmitteln nicht die gesamte Integration neu programmiert werden. Systeme, die über eine standardisierte Schnittstelle kommunizieren, schaffen Flexibilität in einer Anlage mit einer Lebensdauer von zehn Jahren.