Automatisierungspyramide: Aufbau und Bedeutung

1. Definition der Automatisierungspyramide
2. Geschichte der Automatisierungspyramide
3. Bedeutung der Automatisierungspyramide
4. Grundlagen der Automatisierungspyramide
5. Ebenen der Automatisierungspyramide
6. Beispiele für die Automatisierungspyramide
7. Automatisierungspyramide und Industrie 4.0
8. Dienstleistungen bei der Automatisierungspyramide

Definition der Automatisierungspyramide

Die Automatisierungspyramide ist ein Konzept der industriellen Automatisierung, welche die Hierarchie der Leit- und Automatisierungsebene in einer klar gegliederten Pyramide abbildet. Sie besteht aus verschiedenen Ebenen, beginnend mit der Prozessleitebene, die die übergeordnete Planung und Steuerung umfasst, über die Steuerungsebene, die Leitebene und schließlich die Sensor-/Aktuatoren, die für die Datenerfassung und die physikalische Umsetzung verantwortlich ist.

Geschichte der Automatisierungspyramide

Die Geschichte der Automatisierung reicht zurück bis zu den ersten Bemühungen des Menschen, seine Arbeit durch den Einsatz von Maschinen zu erleichtern. Mit der industriellen Revolution im 18. und 19. Jahrhundert gewann die Automatisierung weiter an Bedeutung und wurde durch Erfindungen wie der Dampfmaschine vorangetrieben. Im 20. Jahrhundert hat sich die Automatisierung mit der Entwicklung der Elektronik, der Informatik und der Robotik noch weiter beschleunigt. Der Begriff "Automatisierungspyramide" wurde zur Beschreibung der Hierarchie der Ebenen von Steuerung und Automatisierung geprägt. Das Aufkommen der Informations- und Kommunikationstechnik hat die Automatisierung weiter vorangetrieben. Mit Industrie 4.0 wurde schließlich der Begriff der vernetzten Produktion geprägt, in der Maschinen und Systeme miteinander kommunizieren und Daten austauschen, wodurch die Automatisierung auf eine neue Ebene gehoben wurde.

Bedeutung der Automatisierungspyramide

Die Automatisierungspyramide bietet eine klare Struktur für die Planung, Implementierung und Wartung von Automatisierungssystemen. Sie erleichtert die Integration der verschiedenen Technologien und ermöglicht eine effiziente Zusammenarbeit zwischen den einzelnen Ebenen. Besonders wichtig ist die Pyramide in komplexen Industrien wie Fertigung, Energie und Logistik. Dort hilft sie, Prozesse zu optimieren, Ressourcen zu sparen und die Produktivität zu steigern. Sie ist hilfreich, wenn es darum geht, klare Hierarchien und eine reibungslose Kommunikation zwischen den Automatisierungsebenen zu erreichen.

Grundlagen der Automatisierungspyramide

Bei der Automatisierungspyramide handelt es sich um eine hierarchische Darstellung der Steuerungs- und Automatisierungsebenen in industriellen Prozessen. Sie ist gekennzeichnet durch einen aufsteigenden Aufbau mit je nach Definition insgesamt drei bis sieben Ebenen. Jede Ebene hat ihre eigenen Aufgaben und Funktionen, die Teil der Gesamtfunktionalität des Automatisierungssystems sind. Die Pyramide zeigt, wie Informationen von der obersten Ebene, die die Gesamtstrategie und Planung umfasst, schrittweise nach unten zur Ausführung physischer Aktionen auf der untersten Ebene weitergegeben werden. Diese Struktur erleichtert die Koordination, die Kommunikation und die Skalierbarkeit von Automatisierungssystemen. Sie ermöglicht eine effiziente und reibungslose Steuerung komplexer Prozesse.

Ebenen der Automatisierungspyramide

Zur Steuerung und Optimierung industrieller Prozesse besteht die Automatisierungspyramide aus fünf hierarchischen Ebenen. Die fünf Ebenen lassen sich in zwei Systemarten unterscheiden. Die Ebenen 1 bis 3 gehören zur Fertigungsleitebene bzw. zum Automatisierungsbereich und die Ebenen 4 und 5 gehören zur Unternehmensleitebene bzw. zur Office-IT. Die Ebene 0 repräsentiert die Fertigung bzw. den Produktionsprozess. Für eine effiziente Automatisierung und Überwachung der Produktionsprozesse erfüllt jede der fünf Ebenen spezifische Aufgaben und spielt eine wichtige Rolle.

Ebene 0: Prozessebene

Die Prozessebene ist die Basis der Automatisierungspyramide und stellt den Produktions- oder Fertigungsprozess als ungeregeltes dynamisches System in Form eines mechanischen oder verfahrenstechnischen Prozesses dar.

Ebene 1: Feldebene

Hier findet die direkte Interaktion mit der physikalischen Umgebung statt. Sensoren (Eingangssignale) erfassen Daten, wie z. B. Temperatur und Druck, während die Aktoren (Ausgangssignale) Aktionen ausführen. Diese Ebene bildet die Grundlage für die Automatisierung und die Bereitstellung von Echtzeitinformationen für die höheren Ebenen.

Ebene 2: Steuerungsebene

Hier werden Geräte und Anlagen koordiniert. Elektronische Steuereinheiten wie speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) verarbeiten die Daten der Feldebene, steuern Maschinen und regeln Prozesse nach den Vorgaben übergeordneter Ebenen.

Ebene 3: Prozessleitebene

Auf dieser Ebene erfolgt die Planung und Überwachung der Gesamtproduktion mit Hilfe von Systemen wie SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Automatisierte Systeme auf dieser Ebene optimieren die Ressourcen, überwachen Leistungsindikatoren und passen die Produktionspläne an, um die strategischen Ziele zu erreichen.

Ebene 4: Betriebsleitebene

Hier werden die verschiedenen Prozessbereiche koordiniert und die Kommunikation zwischen den Abteilungen ermöglicht. Hier laufen die Daten aus der Prozessleitebene zusammen, um mit Hilfe von MES (Manufacturing Execution System) operative Entscheidungen zu unterstützen und die Produktionsleistung zu steuern.

Ebene 5: Unternehmensebene

Die oberste Ebene bestimmt die strategische Ausrichtung. Hier werden langfristige Ziele wie Rentabilität und Marktposition festgelegt und die Automatisierung in die Gesamtstrategie des Unternehmens integriert, um Wettbewerbsvorteile zu erzielen und die Geschäftsentwicklung zu steuern. Zur Unterstützung werden ERP-Systeme (Enterprise Resource Planning) eingesetzt.

Beispiele für die Automatisierungspyramide

Industrielle Fertigung:

• Prozessebene: Schweiß-, Montage- oder Verpackungsprozesse werden von Robotern und Maschinen ausgeführt.
• Steuerungsebene: Geschwindigkeit, Position und Bewegung der Maschinen werden durch speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) geregelt.
• Prozessleitebene: Überwachung der Produktion, Optimierung des Materialflusses, Anpassung der Produktion an Nachfrageänderungen.

Energieversorgung:

• Prozessleitebene: Steuerung und Optimierung des Energieflusses im Stromnetz, Berücksichtigung von Schwankungen und Lastspitzen.
• Steuerungsebene: Regelung der Drehzahl von Turbinen und Generatoren, um eine stabile Stromversorgung zu gewährleisten.
• Feldebene: Messung von Spannung, Strom und Frequenz, Datenerfassung für Echtzeitüberwachung.

Logistik:

• Prozessebene: Automatisierte Förder- und Sortiersysteme zur Verteilung von Gütern im Lager oder Versand.
• Steuerungsebene: Überwacht den Lagerbestand, plant die Warenverteilung und optimiert die Lagerhaltung.
• Betriebsleitebene: Überwacht Lieferketten, koordiniert Transporte und steuert Logistikprozesse.

Transportsysteme:

• Prozessleitebene: Verkehrsleitsysteme werten Verkehrsdaten aus und optimieren die Verkehrsführung.
• Steuerungsebene: Ampeln und Verkehrsschilder werden gesteuert, der Verkehrsfluss wird an die aktuelle Situation angepasst.
• Feldebene: Sensoren erfassen Fahrzeuge und ermöglichen die Kommunikation zwischen Fahrzeugen und Infrastruktur.

Gebäudeautomatisierung:

• Prozessebene: Steuerung von Heizung, Kühlung und Beleuchtung durch Sensoren in Abhängigkeit von Raumtemperatur und -belegung.
• Steuerungsebene: Überwachung des Energieverbrauchs, Planung des Ressourceneinsatzes und Optimierung des Betriebs.
• Betriebsleitebene: Integration von Sicherheitssystemen, Planung von Wartungsarbeiten und Steuerung des gesamten Gebäudebetriebs.

Automatisierungspyramide und Industrie 4.0

Die Automatisierungspyramide stellt die Hierarchie für die Automatisierungssysteme zur Verfügung. Mit Industrie 4.0 wird diese durch umfassende Vernetzung, IoT und KI erweitert. Beide Konzepte ermöglichen eine effiziente Steuerung und Reaktion in Echtzeit. Industrie 4.0 erneuert die Automatisierungspyramide mit digitalen Technologien, um eine agile und flexible Produktion zu erreichen.

Dienstleistungen bei der Automatisierungspyramide

Die Einbindung eines professionellen Dienstleisters in die Gestaltung der Digitalisierung und Automatisierung entlang der Automatisierungspyramide ist von entscheidender Bedeutung. Er bietet Fachkompetenz, technologisches Wissen und Risikominderung. Dies gewährleistet eine fundierte Beratung, eine reibungslose Implementierung, Anpassungsfähigkeit an Veränderungen, Effizienz und langfristige Wartung, wodurch die Vorteile der Automatisierung maximiert werden.

Wenn Sie mehr über die Digitalisierung und Automatisierung erfahren möchten, kontaktieren Sie gerne die Ansprechpartnerin Frau Dr.-Ing. Maren Müller unter mueller@iph-hannover.de oder +49 (0)511 279 76-443.