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Automatisierungstechnik bleibt spannend!

Salopp ausgedrückt: Automatisierung gehört zum Stand der Technik. Sie ist unverzichtbar im Maschinen- und Anlagenbau, der Verfahrenstechnik, der Produktion fast aller und unter-schiedlichster materieller Güter, in Transporttechnologien, in der Energiewirtschaft, der Gebäudetechnik bis hin zur Welt der Medizintechnik und Konsumgüter. In unübersehbar vielen Prozessen bestimmen Komponenten der Automatisierungstechnik deren Produktivität.

Eine Vielzahl technischer Fachgebiete schaffen Voraussetzungen und leisten Beiträge zur Automatisierungstechnik. Einige Beispiele sind Messtechnik, Sensortechnik, Bildverarbeitung, Elektromotorische Antriebstechnik, Pneumatik und Hydraulik, Rechentechnik, Datenverarbeitung und Bustechnologie. Historische Kristallisationspunkte der Automation waren zuerst Steuerungs- und Regelungstechnik. Ein Blick auf das Beispiel Totally Integrated Automation (TIA) des Unternehmens Siemens AG lässt erkennen, welche Vielzahl von Disziplinen und Komponenten heute zur Automatisierungstechnik gehören.

Anforderungen und Normen der Automatisierungstechnik werden von der Industrie gesetzt, in Deutschland dominierend von der Automobilindustrie. Besonders sichtbar wird die Automatisierung der Fertigungstechnik in der PLC-(SPS)-Technik (1), der CNC-(2) und der Robotertechnik. Die Erneuerungsrate der Komponenten und Systeme bleibt unvermindert hoch. Mit Automatisierungstechnik wird die Zukunft gestaltet.

Innovationen der Automatisierungstechnik sind eng gekoppelt an Fortschritte der Rechentechnik und digitalen Signalverarbeitung. Die Schritte von der Acht-Bit-Rechentechnik zu 16, 32 und 64 Bit Breite sind in der Automatisierungstechnik direkt nachzuvollziehen. Immer mehr Komponenten, Methoden und Denkweisen der Datenverarbeitung werden in der Automatisierungstechnik eingesetzt. Das verständliche Grundprinzip „EVA“ (3) gilt hier wie dort.

Aktuelle Produktionsanlagen zeichnen sich seit zwei Jahrzehnten durch den Einsatz vernetzter SPS- und Visualisierungstechnik und die Integration leistungsfähiger Antriebstechnik aus. Betrachtet man allein die SPS-Technik, so wird das enorme Tempo der Entwicklung deutlich. 1973 begann in Deutschland mit der ersten programmierbaren Steuerung die Ablösung der verdrahtungs- (auch genannt verbindungs-) programmierten Steuerung auf Basis von Kontakten und diskreten elektronischen Bauelementen. Der traditionellen Denkweise in Schaltschränken geschuldet waren die SPS der ersten Generation zumeist Zentraleinheiten mit paralleler Verkabelung aller Sensoren und Aktoren. Von Anfang an wurde um Vor- und Nachteile der Programmiersprachen Anweisungsliste (AWL), Funktionsplan (FUP) und Kontaktplan (KOP) gestritten. Auch hier herrschte zunächst viel traditionelle Denkweise: In welcher Fachpublikation tauchte damals nicht die Aufgabe auf, ausgerechnet eine Wendeschützschaltung durch ein SPS-Programm nachzubilden! Darüber darf man heute gewiss lächeln!

Innovationen der neunziger Jahren wurden besonders durch die Dezentralisierung und die damit einhergehenden Vernetzung der Automatisierungstechnik geprägt. Immer mehr Feldbusse traten in Konkurrenz zueinander auf den Markt, salopp prägte die Fachwelt den Begriff des „Feldbuskrieges“. Bleibende Marktanteile errangen besonders die Systeme Profibus-DP, Interbus-S, Modbus und CAN bzw. CANopen, daneben auch das Aktor-Sensor-Interface ASi. Von Anfang an spielte auch „Industrial Ethernet“ eine Rolle. Im Zuge dieser Entwicklungen wurde die programmierbare Automatisierungstechnik erweitert durch Busmaster und dezentral angeordnete Busmodule für das Anschalten von Ein- und Ausgangssignalen.

Ab etwa 2000 treten Industrie PC verstärkt neben die klassische SPS-Technik. Mit industrie-tauglichen und wartungsfreien „embedded Systems“ werden Lösungen mit größeren Datenspeichern und anspruchsvoller Weiterverarbeitung der Daten realisiert. Vollständige SPS lassen sich mit Koprozessoren und Busanschaltbaugruppen (Busmaster) als „Slot-SPS“ auf Kartenbaugruppen reduzieren. Der IndustriePC übernimmt als Hostrechner alle gewünschten Aufgaben der nachfolgenden Datenverarbeitung und der Visualisierung der Anlagen. Heute erlauben leistungsfähige Prozessoren bereits den Verzicht auf spezielle Koprozessoren für SPS-Aufgaben im Host und damit Lösungen als reine „SoftSPS“.

Die bedeutende Steigerung der Leistungsfähigkeit von Prozessoren führt auch zu Kleinsteuerungen und Programmierbaren Logikmodulen wie beispielsweise Simatic S7-200, LOGO! oder easy mit Funktionen, wie sie noch vor zehn Jahren für eine SPS mittlerer Leistung typisch waren!

Zukünftige Markterfolge der Automatisierungstechnik werden heute durch Strategien für die Vernetzung von Automatisierungs-, Produktionsleit- und Unternehmensleitebene sowie die durchgängige Datenhaltung dieser Ebenen entschieden. Die erfolgreiche Vernetzung der Bürowelten mit Ethernet gemäss Protokollfamilien IEEE 802.x und TCP/IP sowie die unübersehbaren Erfolge des Internet bewirkten ab der Jahrhundertwende große Anstrengungen, diese Technik auch für die Vernetzung von Automatisierungstechnik zu nutzen. Die Hoffnung der Ingenieure, dadurch den Mühen der Kopplung unterschiedlicher Bussysteme zu entgehen, wurden und werden jedoch nicht erfüllt. Um Ethernet TCP/IP für die originären Aufgaben der Automatisierungstechnik schneller („echtzeitfähiger“) zu machen, werden unterschiedliche Erweiterungen der Protokolle vorgenommen. Die daraus resultierenden unterschiedlichen Systeme wie Profinet, Ethercat oder Ethernet Powerline geben Anlass, hinter vorgehaltener Hand von einem „Feldbuskrieg Teil II“ zu sprechen. Vorteilhaftes Ergebnis der Entwicklung ist aber das Zusammenwachsen von Büro- und Automatisierungsnetzen.

Aktuelle Fachbegriffe der Automatisierungstechnik sind gegenwärtig Machine Vision und Motion Control. Hinter Machine Vision verbirgt sich die Integration der technischen Bildverarbeitung in die Automatisierungstechnik. Im einfachen Fall enthalten kompakte Vision Sensoren Beleuchtung, Optik, Bildsensoren und Bildverarbeitungssysteme in einem gemeinsamen Gehäuse. Damit werden Teile oder Details erkannt, und es werden Steuerbefehle zur weiteren Behandlung der Teile bereitgestellt. Bei leistungsfähigeren Systemen arbeitet die Bildverarbeitung in PCbasierten Komponenten.

Motion Control steht für die Integration anspruchsvoller mechatronischer Lösungen in die SPS- bzw. PLC-Technik. Maschinenbauer der Branchen Druck, Kunststoff, Verpackung, Textil, Robotik, Handhabung und Sondermaschinen erwarten heute einen skalierbaren "Baukasten" für die Steuerung ihrer Verstell-, Betriebs, Zuführ- und Transportachsen in der Ausführung Linear- oder Rundachse. Aufgaben sind beispielsweise das Anfahren absoluter Positionen, das relative Verfahren von Achsen oder das Sichern von Achsengleichlauf. Die Lösung solche Aufgaben war noch vor wenigen Jahren – wenn sie nicht durch spezielle CNC-Technik gelöst wurden - ein spezielles Fachgebiet, in welchem geregelte elektro-motorische Antriebe eine Schlüsselstellung innehatten. Heute nun stehen neben ausgereiften Systemen für geregelte Achsantriebe mechatronische Software-Bausteine zur Verfügung. Mit ihnen und der wachsende Leistungsfähigkeit von CPU’s der SPS-Technik können immer mehr mechanische Komponenten durch Softwarelösungen substituiert werden wie z.B. Getriebe durch "Elektronische Getriebe", Kurvenscheiben durch elektronisch gesteuerte x- und y-Achsen. Motion Control Applikationen finden stets in einer Automatisierungsumgebung statt, in der weiter beispielsweise auch schnelles Zählen, Messen, Nockensteuern und Regeln gefordert werden. Oft werden diese Funktionen zusammen mit Motion Control als Einheit betrachtet bzw. dem Fachgebiet Motion Control zugeordnet.

Bei einer Betrachtung der Automatisierungstechnik müssen unbedingt die Fortschritte der elektromotorische Antriebstechnik genannt werden. Seit Anbeginn der Automatisierung kommt diesem Fachgebiet eine bedeutende Rolle zu. Mit der Entwicklung der Leistungselektronik vollzog der sogenannte Servoantrieb den Weg vom klassischen („gebürsten“) Gleichstrommotor hin zum frequenzgestellten Synchron- und Asynchron-Drehstromantrieb mit Vektorregelung bzw. bei kleineren Leistungen auch zum elektronisch kommutierten („nicht gebürsteten“) Spezialantrieb mit Permanenterregung. Der Leistungsbereich drehzahlgestellter Antriebe umfasst heute 0.75 kW ... 75 MW. Dafür stehen ausgereifte Umrichter zur Verfügung. Mehrfach kaskadierte Regelkreise sorgen für Drehzahlkonstanz, hohe Dynamik und Positioniergenauigkeit. Qualität und Dynamik von Servoantrieben bestimmen Möglichkeiten und auch Grenzen der CNC- und der Roboter-Technik und weiter auch der Motion Control Applikationen von klassischen SPS-Systemen.

Die Diskrepanz zwischen sinkenden Hardwarekosten und steigenden Aufwänden für die Beherrschung unterschiedlicher „Dialekte“ der Programmiersprachen zwangen und zwingen auch heute noch zur Standardisierung. Dieses Ziel verfolgt die Organisation PLCopen. 1993 gegründet, ringt sie um die Durchsetzung der Norm IEC 61131. Proprietäre Systeme weichen offenen Standards, und über die Frage der Offenheit wird heftig gestritten. Letztlich aber gehört den PLCopen-konformen Systemen die Zukunft. Der Zwang zur Entwicklung hin zur IEC-Konformität lässt sich auch beim Engineering Tool Step7 des „Industriestandard“ Siemens Simatic S7 verfolgen. Auch für Step7 wird in naher Zukunft eine veränderten Software zumindest mit Portability Level zu erwarten sein, also eines Standes, der den Austausch von Software-Bausteinen und die Verwendung herstelleroffener Programmbibliotheken immer mehr erleichtert. Solche Bibliotheken erleichtern und verkürzen die Programmerstellung.

Parametrieren „fertiger“ (parametrierbarer) Bausteine anstelle von immer erneutem Programmieren ist ein fortwährendes Ziel auf verschieden Feldern der Automatisierungstechnik. Sie setzt aber stets Vereinbarungen und Standards voraus, also die Abkehr von herstellerspezifischen Lösungen. Ein aktuelles anders geartetes Beispiel ist derzeit IO-Link. Hier ist die Möglichkeit zum Parametrieren von Aktoren und Sensoren über Kommunikationssysteme anstelle aufwändiger Einstellungen vor Ort Triebfeder für die herstellerüber-greifende Entwicklung der neuartigen Kommunikationsschnittstelle.

Ab etwa 2000 wurde auch „Gebäudeautomation“, d.h. die automatische Steuerung von Systemen der Gebäudetechnik im Zweckgebäude und im Wohnbereich, ein Dauerthema. Die Gebäudesystemtechnik wurde von vornherein dezentreal angelegt. Heftig wurde über Bussysteme in Gebäuden gestritten. Anders als die Industrieautomation hinterlässt jedoch der Begriff Gebäudeautomation bis heute nicht nur positive Assoziationen, sondern trifft auch auf Ablehnung. Nicht alles, was als technisch machbar realisiert wurde, konnte vom Gebäudenutzer auch bedient werden. Kombinationen mit acht Tasterwippen oder intelligente Einzelraumregler in der Schalterdose sorgten eher für Verwirrung. Der Einsatz dezentraler Automatisierungstechnik in Gebäuden bleibt jedoch trotz mancher Rückschläge unbestritten. Multifunktionale Fassaden, biometrische Personenerkennungs- und Zutrittskontrolle, komplexes Gefahrenmanagement, Webbasierte Regel- und Steuerungsstrategien, ferngesteuertes Lastmanagement u.a. mehr werden sich im Zweckbau dort durchsetzen, wo sie von Vorteil sind. Aber nicht übertriebene Vorstellungen technikverliebter Freaks, sondern sichere, energieeffiziente und zunehmend auch altersgerechte Lösungen der Gebäudeautomation bleiben weiterhin wünschenswert.

Über längere Zeit standen die Fragen „Wieviel Bus braucht ein Gebäude?“ und „Welcher Bus ist der richtige?“ viel zu sehr im Mittelpunkt! Wichtiger bleibt bis heute die Frage: „Wieviel durchgängige (gewerkeübergreifende) Funktionen braucht das Gebäude, und mit welchem System können die dafür erforderlichen Netzwerke am günstigsten realisiert werden?“ Das jedoch erfordert die Abkehr von der strikt nach Gewerken organisierten Planung und Ausführung der technischen Gebäudeausrüstung und auch eine Abkehr von der Praxis der Vergabe von Leistungen der Gebäudetechnik bis hin zur Vergabe an inkompetente Firmen, die weiter „subvergeben“! Systemintegration anstelle klassischer Trennung der Gewerke bleibt eine Herausforderung.

Der Nebel um das „richtige Bussystem“ lichtet sich im Kontext mit der internationalen und europäischen Normung. Zweifellos hat der europäische Installationsbus (EIB) und sein Nachfolger Konnex (KNX) die weiteste Verbreitung in der Gebäudetechnik Europas gefunden. Die hohen Erwartungen an das System LonWorks® erfüllten sich offenbar insgesamt nicht. Dabei gab es in den Jahren um 1998 geradezu eine „LON-Euphorie“: Local Operating Network (LON) schien das Potential zu haben, insbesondere in der Gebäudetechnik – aber nicht nur dort - als alleiniges (!), durchgängiges und gewerke-übergreifendes Bussysteme alle herstellerspezifischen Bussysteme überflüssig zu machen. Diese Überzeugung wurde genährt von der (damals) bemerkenswerten Leistungsfähigkeit des 8-Bit-Neuron®-Chips aus dem Hause Echelon. Mit LON kann man sehr viel sehr individuell lösen, aber vor dem Erfolg steht hier in besonderer Weise harte Arbeit! (Einen ersten Einblick in LON erlaubt der Artikel „Mein Bild der LonWorks-Technologie“ auf dieser Homepage.) Beim Einsatz von KONNEX stellen sich Erfolge schneller ein. Unaufhaltsam scheint auch das in den USA kreierte Protokoll BACNET in der europäischen Gebäude-systemtechnik Marktanteile erstreiten. Diese Einschätzungen schmälern nicht die Brillanz bestimmter Herstellersysteme wie z.B. LCN, nur können diese lokale Schranken nicht überwinden!

Ethernetbasierte Bustechnologie macht auch vor der Gebäudesystemtechnik nicht halt: LON, BACNET und KNX werden mit Internettechnologie kombiniert. So werden beispielsweise LonWorks-Daten in IP-Telegramme „verpackt“ und über Ethernet-Netze geleitet. Man spricht hier von „Tunnelung“ und von „LON over IP“ oder „LonWorks/IP“ nach der Norm EIA-852.

Wie auch andere Automatisierungssysteme erhält die Gebäudesystemtechnik neue Konkurrenz in Form der Busklemmentechnologie. Mit fortschreitender Miniaturisierung der Elektronik übernehmen reihenklemmenähnliche Bauteile die Aufgaben von E/A-Baugruppen klassischer SPS-Technik. Ergänzt mit programmierbaren Controllern oder nicht program-mierbaren Kopplern steht so feinskalierbare SPS-Technik mit vielen Möglichkeiten dezentraler Gestaltung zur Verfügung. Die Controller werden hersteller- und busneutral nach IEC 61131 programmiert, d.h. feldseitig kann das gesamte System gestaltet und verdrahtet werden, ohne sich auf das Bussystem festlegen zu müssen. Mit zahlreichen Programm-bibliotheken können auch gebäudespezifische Aufgaben gelöst werden, ohne dass dann spezielle LON- oder KNX-Kenntnisse erforderlich sind. Durch Stecken entsprechender Controller und Koppler ist am Ende die Vernetzung mit allen bekannten Bussystemen möglich. Das verfügbare Sortiment an Controllern bzw. Kopplern des hier beispielhaft genannten Systems WAGO-IO-750 liest sich wie ein „Who is who?“ der Automatisierungs-technik: PROFINET IO, Profibus-DP, Ethernet TCP/IP, Device Net, CANopen, Ethernet Powerlink, MODBUS, INTERBUS; CC-LINK, Fire Wire, CAL, I/O LIGHTBUS, KNX / IP; BACNET / IP, LonWorks. Entscheidet man sich für die Vernetzung mit Ethernet TCP/IP, so können möglicherweise vorhandene Datennetze genutzt werden. Unter zwingender Berücksichtigung von Safety- und Security-Anforderungen wachsen Büro- und Automatisierungswelten zusammen.

Nach diesen einführenden Sätzen darf wohl mit Fug- und Recht gesagt werden: Ja, Automatisierungstechnik bleibt innovativ und spannend! Durch die Zunahme PCbasierter Automatisierungstechnik, ihre fortschreitende ethernet-basierte Vernetzung und die Nutzung von Internetdiensten und weiter auch durch konkurrierende Systeme besteht fortwährend großer Informations- und Weiterbildungsbedarf. Nicht länger genügt das Beherrschen von Step7 den Anforderungen an einen Automatisierungstechniker und Mechatroniker. Wer sich heute in berufsvorbereitenden Bildungseinrichtungen, im Studium oder in der persönlichen Weiterbildung der Automatisierungstechnik zuwendet, findet fast ideale Voraussetzungen vor: kostenfreie IEC-konforme Software für das Programmieren in sechs Sprachen, Prüfmöglichkeiten und Fehlerausgabe beim Schreiben von Programmen, gute Simulationsmöglichkeiten von Programmdetails und integrierte Visualisierung. Letztere gestattet in Grenzen den Test von Programmen auch ohne oft kostenintensive Technologiemodelle, frei nach dem Motto: „Wir haben keine Hardware, also zeichnen wir diese!“ Alles, was ein Automatisierungstechniker in spe braucht, ist ein PC mit aktueller Ausstattung und ein Internetzugang für die Beantwortung seiner Fragen, die Beschaffung von Unterlagen und Programmbibliotheken.

Die hier vorgestellte Informationsplattform für Steuerungs- und Automatisierungstechnik (ipsta) basiert auf der Arbeit der Fachgruppe Automatisierungstechnik im Kompetenzzentrum Gebäude-, Energie- und Systemtechnik der Handwerkskammer Südthüringen im BTZ Rohr-Kloster. Sie will Anregungen geben zur Aus- und Weiterbildung auf diesem innovativen und für die deutsche Wirtschaft wichtigen Feld. Ein Fachkräftemangel zeichnet sich bereits heute ab! Neben einführenden Kapiteln werden vor allem Automatisierungsaufgaben und Lösungen mit Software nach IEC 61131 (CoDeSys), aber auch mit Simatic S7 / Step vorgestellt.

(1) PLC: Programmable Logic Control (Programmierbare Logik)
SPS: Speicherprogrammierbare Steuerung (in Deutschland übliche Bezeichnung für PLC)
(2) CNC: Computerized Numeric Control (Computergestützte Numerische Steuerung)
(3) EVA: Prinzip der Signal- oder Datenverarbeitung mit Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe