Industrielle Automatisierung: Geschichte, Eigenschaften, Typen und Anwendungen
Industrielle Automatisierung ist die Technologie, die über Steuerungssysteme wie Computer, Roboter und Informationstechnologien verwendet wird, um den automatischen Betrieb verschiedener Maschinen und Prozesse in einer Branche zu ermöglichen, ohne dass menschliche Bediener erforderlich sind.
Es soll die Entscheidungsfindung von Menschen und manuelle Befehlsantwortaktivitäten durch die Verwendung von mechanisierten Geräten und logischen Programmierbefehlen ersetzen.
Bisher bestand der Zweck der Automatisierung darin, die Produktivität zu steigern, da automatisierte Systeme rund um die Uhr arbeiten können und die mit menschlichen Bedienern verbundenen Kosten wie Gehälter und Sozialleistungen gesenkt werden.
Diese Automatisierung wurde durch verschiedene Mittel erreicht, wie mechanische, hydraulische, pneumatische, elektrische, elektronische und Computergeräte, die im Allgemeinen miteinander kombiniert sind.
Zu den Allzwecksteuerungen für industrielle Prozesse gehören: speicherprogrammierbare Steuerungen, unabhängige E / A-Module und Computer.
Gegenwärtige Situation
In letzter Zeit hat die industrielle Automatisierung aufgrund ihrer enormen Vorteile im Herstellungsprozess, wie z. B. gesteigerte Produktivität, Qualität, Flexibilität und Sicherheit bei niedrigen Kosten, eine zunehmende Akzeptanz bei verschiedenen Industrietypen gefunden.
Es hat auch Vorteile bei der Arbeitseinsparung, bei den Strom- und Materialkosten sowie bei der Genauigkeit der Messungen.
Ein wichtiger Trend ist der verstärkte Einsatz von künstlichem Sehen, um automatische Inspektionsfunktionen bereitzustellen. Ein weiterer Trend ist der kontinuierliche Einsatz von Robotern.
Energieeffizienz in industriellen Prozessen ist mittlerweile zu einer der höchsten Prioritäten geworden.
Beispielsweise bieten Halbleiterhersteller 8-Bit-Mikrocontroller-Anwendungen an, die in allgemeinen Motor- und Pumpensteuerungen zum Einsatz kommen, um den Stromverbrauch zu senken und damit die Effizienz zu steigern.
Der Weltentwicklungsbericht 2018 der Weltbank zeigt, dass die industrielle Automatisierung zwar die Arbeitnehmer verdrängt, aber durch Innovation neue Branchen und Arbeitsplätze entstehen.
Geschichte
Seit ihrer Gründung hat die industrielle Automatisierung große Fortschritte bei den Aktivitäten erzielt, die zuvor manuell durchgeführt wurden.
Industrielle Revolution
Mit der Einführung der ersten Motoren und der Dampfmaschine wurden neue Anforderungen an automatische Steuerungssysteme wie Temperaturregler und Druckregler gestellt.
1771 wurde die erste vollautomatische Spinnerei erfunden, die mit hydraulischer Kraft betrieben wurde. 1785 wurde eine automatische Getreidemühle entwickelt, die zum ersten vollautomatisierten industriellen Prozess wurde.
Ford Motor
1913 führte die Ford Motor Company eine Montagelinie für die Automobilproduktion ein, die als eine der wegweisenden Automatisierungsarten in der Fertigungsindustrie gilt.
Zuvor wurde ein Auto von einem Team qualifizierter und ungelernter Arbeiter gebaut. Die Automatisierung der Produktion verbesserte die Produktionsraten von Ford und steigerte die Gewinne.
Das Montageband und die Massenproduktion von Automobilen waren weltweit die ersten ihrer Art. Reduzierte die Montagezeit des Autos von 12 Stunden pro Auto auf ungefähr eineinhalb Stunden.
Fortschritte im 20. Jahrhundert
Kontrollräume wurden in den 1920er Jahren üblich. Bis in die frühen 1930er Jahre war die Prozesssteuerung nur ein- / ausgeschaltet.
In den 1930er-Jahren wurden Controller eingeführt, die in der Lage waren, berechnete Änderungen als Reaktion auf Abweichungen von einer Kontrollzahl vorzunehmen.
Die Kontrollräume verwendeten codierte Farblichter, um den Werksmitarbeitern Signale zu senden, um bestimmte Änderungen manuell vorzunehmen.
In den 1930er Jahren war Japan führend in der Entwicklung von Bauteilen. Der erste Mikroschalter, die Schutzrelais und die hochpräzise elektrische Zeitschaltuhr wurden entwickelt.
Im Jahr 1945 initiierte Japan ein Programm für den industriellen Wiederaufbau. Das Programm basierte auf neuen Technologien, im Gegensatz zu den veralteten Methoden, die der Rest der Welt verwendete.
Japan wurde zum Weltmarktführer in der industriellen Automatisierung. Autofirmen wie Honda, Toyota und Nissan könnten zahlreiche zuverlässige und hochwertige Automobile produzieren.
Eigenschaften
Mechanisierung ist die manuelle Bedienung einer Aufgabe mit einer motorisierten Maschine, die jedoch von menschlichen Entscheidungen abhängt.
Die Automatisierung stellt einen zusätzlichen Schritt zur Mechanisierung dar, da sie die Beteiligung des Menschen durch die Verwendung logischer Programmierbefehle und leistungsfähiger Maschinen ersetzt.
Geringere Betriebskosten
Mit der industriellen Automatisierung entfallen die Kosten für Urlaub, medizinische Versorgung und Prämien, die mit einem menschlichen Arbeitnehmer verbunden sind. Ebenso sind keine weiteren Leistungen der Mitarbeiter wie Rentenversicherung, Prämien usw. erforderlich.
Dies ist zwar mit hohen Anschaffungskosten verbunden, spart jedoch das monatliche Gehalt der Arbeitnehmer, was zu erheblichen Einsparungen für das Unternehmen führt.
Die Wartungskosten, die mit den für die industrielle Automatisierung verwendeten Geräten verbunden sind, sind geringer, da sie normalerweise nicht ausfallen. Wenn sie ausfallen, sollten sie nur von Computer- und Wartungsingenieuren repariert werden.
Hohe Produktivität
Während viele Unternehmen Hunderte von Produktionsmitarbeitern einstellen, um die Anlage im Dreischichtbetrieb für maximal 24 Stunden zu betreiben, muss sie immer noch wegen Urlaub und Wartung geschlossen werden.
Industrielle Automatisierung erfüllt das Ziel eines Unternehmens: Die Produktionsanlage kann 24 Stunden am Tag, 7 Tage die Woche und 365 Tage im Jahr betrieben werden. Dies führt zu einer signifikanten Verbesserung der Produktivität des Unternehmens.
Hohe Qualität
Die Automatisierung besänftigt den auf den Menschen bezogenen Fehler. Darüber hinaus haben die Roboter keine Art von Erschöpfung, was zu Produkten von gleichbleibender Qualität führt, selbst wenn sie zu unterschiedlichen Zeiten hergestellt werden.
Hohe Flexibilität
Wenn dem Fließband eine neue Aufgabe hinzugefügt wird, ist dies für den menschlichen Bediener einer Schulung erforderlich.
Andererseits können Roboter für jede Art von Arbeit programmiert werden. Dies macht den Herstellungsprozess flexibler.
Hohe Genauigkeit der Informationen
Die automatisierten gesammelten Daten ermöglichen die Analyse der wichtigsten Fertigungsinformationen mit großer Genauigkeit dieser Daten, wodurch die Kosten für die Zusammenstellung gesenkt werden.
Dies ermöglicht korrekte Entscheidungen, wenn versucht wird, Prozesse zu verbessern und Abfall zu reduzieren.
Hohe Sicherheit
Industrielle Automatisierung kann die Produktionslinie für Arbeiter sicher machen, indem Roboter eingesetzt werden, um gefährliche Situationen zu manövrieren.
Hohe Anschaffungskosten
Die Anfangsinvestition im Zusammenhang mit dem Wechsel von einer menschlichen zu einer automatischen Produktionslinie ist sehr hoch.
Darüber hinaus ist die Schulung der Mitarbeiter in Bezug auf diese hoch entwickelten neuen Geräte mit erheblichen Kosten verbunden.
Typen
Feste Automatisierung
Es wird verwendet, um sich wiederholende und feste Vorgänge auszuführen, um hohe Produktionsraten zu erzielen.
Es verwendet eine spezielle Ausrüstung zur Automatisierung von Prozessen mit fester Abfolge oder Montagevorgängen. Die Reihenfolge der Vorgänge wird durch die Konfiguration des Geräts bestimmt.
Die programmierten Befehle sind in den Maschinen in Form von Zahnrädern, Kabeln und anderer Hardware enthalten, die nicht einfach von einem Produkt zum anderen gewechselt werden können.
Diese Form der Automatisierung zeichnet sich durch hohe Anfangsinvestitionen und hohe Produktionsraten aus. Daher ist es für Produkte geeignet, die in großen Mengen hergestellt werden.
Programmierbare Automatisierung
Es ist eine Form der Automatisierung für die Herstellung von Produkten in Chargen. Die Produkte werden in Chargen von mehreren Dutzend bis zu mehreren Tausend Stück hergestellt.
Für jede neue Charge muss die Produktionsausrüstung neu programmiert werden, um sie an den neuen Produkttyp anzupassen. Diese Neuprogrammierung erfordert Zeit, da eine unproduktive Zeitspanne gefolgt von einem Produktionslauf für jedes Los vorliegt.
Die Produktionsraten sind in der Regel niedriger als in der festen Automatisierung, da die Geräte so ausgelegt sind, dass sie den Produktwechsel erleichtern, anstatt sich auf das Produkt zu spezialisieren.
Beispiele für dieses Automatisierungssystem sind numerisch gesteuerte Maschinen, Industrieroboter, Stahlwerke usw.
Flexible Automatisierung
Mit diesem System wird eine automatische Steuerung geliefert, die eine große Flexibilität bietet, um die Änderungen für jedes Produkt vorzunehmen. Es ist eine Erweiterung der programmierbaren Automatisierung.
Der Nachteil der programmierbaren Automatisierung ist die Zeit, die erforderlich ist, um die Produktionsausrüstung für jede neue Produktcharge neu zu programmieren. Hierdurch geht Produktionszeit verloren, was teuer ist.
Bei der flexiblen Automatisierung erfolgt die Neuprogrammierung schnell und automatisch in einem Computerterminal, ohne dass die Produktionsausrüstung als solche verwendet werden muss.
Diese Änderungen werden durch Anweisungen in Form von Codes von menschlichen Bedienern vorgenommen.
Folglich ist es nicht erforderlich, die Produkte in Chargen zu gruppieren. Es kann nacheinander eine Mischung verschiedener Produkte entstehen.
Anwendungen
Industrie 4.0
Der Aufstieg der industriellen Automatisierung steht in direktem Zusammenhang mit der "vierten industriellen Revolution", besser bekannt als Industrie 4.0. Die ursprünglich aus Deutschland stammende Industrie 4.0 umfasst zahlreiche Geräte, Konzepte und Maschinen.
Industrie 4.0 arbeitet mit dem industriellen Internet der Dinge, das die perfekte Integration verschiedener physischer Objekte im Internet über eine virtuelle Darstellung und die Verbindung von Software / Hardware darstellt, um die Herstellungsprozesse zu verbessern.
Mit diesen neuen Technologien ist es möglich, eine intelligentere, sicherere und fortschrittlichere Fertigung zu schaffen. Es eröffnet eine zuverlässigere, konsistentere und effizientere Fertigungsplattform als zuvor.
Industrie 4.0 deckt viele Bereiche des verarbeitenden Gewerbes ab und wird dies auch im Laufe der Zeit tun.
Industrierobotik
Die Industrierobotik ist ein Zweig der industriellen Automatisierung, der bei verschiedenen Fertigungsprozessen wie Bearbeiten, Schweißen, Lackieren, Montieren und Handhaben von Materialien hilft.
Industrieroboter verwenden verschiedene mechanische, elektrische und Softwaresysteme, um eine hohe Präzision und Geschwindigkeit zu ermöglichen, die jede menschliche Leistung bei weitem übertrifft.
Diese Systeme wurden dahingehend überarbeitet und verbessert, dass ein einzelner Roboter 24 Stunden am Tag ohne oder mit geringem Wartungsaufwand arbeiten kann. 1997 waren 700.000 Industrieroboter im Einsatz, 2017 sind es 1, 8 Millionen.
Speicherprogrammierbare Steuerungen
Die industrielle Automatisierung bezieht speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) in den Fertigungsprozess ein. Diese verwenden ein Verarbeitungssystem, mit dem die Eingabe- und Ausgabesteuerung durch einfache Programmierung variiert werden kann.
Eine SPS kann eine Vielzahl von Eingängen empfangen und eine Vielzahl von Logikausgängen zurückgeben. Die Eingabegeräte sind Sensoren und die Ausgabegeräte sind Motoren, Ventile usw.
SPS ähneln Computern. Während Computer für Berechnungen optimiert sind, sind SPS für Steuerungsaufgaben und den Einsatz in industriellen Umgebungen optimiert.
Sie sind so konstruiert, dass nur Grundkenntnisse in der Programmierung auf der Basis von Logik erforderlich sind, um mit Vibrationen, hohen Temperaturen, Feuchtigkeit und Geräuschen umzugehen.
Der größte Vorteil von SPS ist ihre Flexibilität. Sie können verschiedene Steuerungssysteme bedienen. Sie machen es unnötig, ein System neu zu verdrahten, um das Steuersystem zu ändern. Diese Flexibilität macht sie für komplexe und vielfältige Systeme rentabel.
Beispiele
In der Automobilindustrie erfolgte der Einbau von Kolben in den Motor manuell mit einer Fehlerquote von 1-1, 6%. Derzeit wird dieselbe Aufgabe mit einer automatisierten Maschine mit einer Fehlerrate von 0, 0001% ausgeführt.
Künstliche Intelligenz (KI) wird in der Robotik zur automatischen Etikettierung verwendet, wobei Roboterarme als automatische Etikettenapplikatoren verwendet werden, und KI zur Erkennung der zu etikettierenden Produkte.
Automatisierung bei Audi
Im Audi-Werk in Deutschland sind fast 800 Mitarbeiter mit Robotern beschäftigt. Sie erledigen die meiste schwere Arbeit sowie potenziell gefährliche Schweißnähte und führen langwierige Wiederholungstests durch.
Zu den Vorteilen der Automatisierung bei Audi zählen eine deutlich höhere Produktivität und geringere Anforderungen an Arbeitnehmer ohne Schulung.
Die bei Audi eingesetzten Roboter sind nicht nur für die gefährlichen Arbeiten von Mitarbeitern verantwortlich, die zuvor nicht geschult wurden, sondern sammeln auch eine große Menge an Daten, die analysiert und zur Verbesserung des Betriebs des Werks verwendet werden können.
Es gibt jedoch immer noch Aufgaben, die Roboter nicht ausführen können, und Menschen sind besser vorbereitet, um damit umzugehen.
Durch die Übernahme der gefährlichsten Aufgaben und die Verbesserung der Effizienz und Produktivität dieser Aufgaben kann Audi besser ausgebildete und spezialisierte Arbeitskräfte für Aufgaben gewinnen, die sich auf den Menschen konzentrieren.
Automatisierte Produktionslinie
Es besteht aus einer Reihe von Arbeitsstationen, die durch ein Transfersystem verbunden sind, um Teile zwischen Stationen zu bewegen.
Dies ist ein Beispiel für eine feste Automatisierung, da diese Linien normalerweise für lange Produktionsläufe konfiguriert sind.
Jede Station ist so ausgelegt, dass sie einen bestimmten Bearbeitungsvorgang ausführt, sodass das Stück oder Produkt schrittweise hergestellt wird, während es sich entlang der Linie bewegt.
Im normalen Betrieb der Linie wird in jeder Station ein Stück bearbeitet, so dass viele Stücke gleichzeitig bearbeitet werden und mit jedem Zyklus der Linie ein fertiges Stück entsteht.
Die verschiedenen Vorgänge, die stattfinden, müssen sequenziert und richtig koordiniert werden, damit die Linie effizient arbeitet.
Moderne automatisierte Linien werden von speicherprogrammierbaren Steuerungen gesteuert. Sie können die für ihren Betrieb erforderlichen Arten von Timing- und Sequenzierungsfunktionen ausführen.
