Automatisiertes System (System, das ohne manuelle Eingriffe arbeitet) in der Technologie

Automatisierte Systeme stehen im Mittelpunkt des modernen technologischen Fortschritts und treiben alles an – von Flugzeug-Autopiloten und intelligenten Fabriken bis hin zu selbstfahrenden Fahrzeugen und digitaler Prozessautomatisierung in Büros. Dieser umfassende Glossareintrag beleuchtet, was automatisierte Systeme sind, wie sie funktionieren, ihre Architektur, Komponenten, Anwendungen und den transformativen Einfluss, den sie branchenübergreifend haben.

Definition und Grundkonzept

Ein automatisiertes System ist jede technologische Konfiguration, die darauf ausgelegt ist, Aufgaben, Prozesse oder Abläufe eigenständig auszuführen – und so den Bedarf an direkter menschlicher Beteiligung erheblich zu reduzieren oder zu eliminieren. Dies reicht von einfachen mechanischen Geräten wie Thermostaten bis hin zu komplexen digitalen Ökosystemen mit künstlicher Intelligenz, maschinellem Lernen und umfangreichen Sensornetzwerken.

Wichtige Merkmale:

• Wahrnehmen: Nimmt die Umgebung mithilfe von Sensoren wahr.
• Denken: Verarbeitet Informationen und trifft Entscheidungen über Steuerungen und Software.
• Handeln: Führt Aktionen über Aktoren oder andere Ausgabegeräte aus.

Die Hauptziele automatisierter Systeme sind die Steigerung der Effizienz, die Verbesserung der Sicherheit, die Gewährleistung von Konsistenz und die Ermöglichung von Abläufen im großen Maßstab oder in für Menschen unsicheren bzw. unpraktischen Umgebungen.

Alternative Begriffe

• Automatisiertes Steuerungssystem
• Handfreies System
• Unbeaufsichtigter Betrieb
• Automatisierungsplattform
• Selbsttätiges System

Wie automatisierte Systeme funktionieren: Das Sense–Think–Act-Paradigma

Im Kern folgen automatisierte Systeme dem Sense–Think–Act-Kreislauf, einem Modell, das grundlegend für Regelungstechnik, Robotik und industrielle Automatisierung ist.

1. Wahrnehmen

Automatisierte Systeme nutzen verschiedene Sensoren zur Messung physikalischer Größen (Temperatur, Druck, Geschwindigkeit, Position usw.). In der Luftfahrt liefern beispielsweise Sensoren wie Pitot-Rohre, Kreisel und Radarhöhenmesser Echtzeitdaten über den Zustand und die Umgebung eines Flugzeugs.

2. Denken

Steuerungen (SPS, DCS, Mikrocontroller oder Embedded-Computer) verarbeiten Sensordaten mithilfe von Algorithmen, Logik und gelegentlich KI. Sie treffen Echtzeitentscheidungen, oft mit Redundanz und Ausfallsicherheit, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten – entscheidend in sicherheitskritischen Anwendungen wie der Flugsicherung oder autonomen Fahrzeugen.

3. Handeln

Aktoren erhalten Befehle von Steuerungen und führen Aktionen aus: Sie bewegen die Steuerflächen eines Flugzeugs, aktivieren Förderbänder in einem Lager oder öffnen ein Ventil in einer Chemieanlage.

Beispiel: Flugzeug-Autopilot

Ein moderner Autopilot misst die Fluglage, Höhe und den Kurs eines Flugzeugs, verarbeitet diese Daten, um die vorgegebene Flugroute einzuhalten, und steuert entsprechend die Steuerflächen. Rückmeldungen gewährleisten Genauigkeit und Stabilität während des gesamten Flugs.

Zentrale Komponenten automatisierter Systeme

Sensoren

Die „Augen und Ohren“ des Systems umfassen Näherungsschalter, Temperaturfühler, Beschleunigungsmesser und mehr. In der Luftfahrt ist Sensor-Redundanz aus Sicherheitsgründen vorgeschrieben.

Steuerungen

Das „Gehirn“ der Automatisierung – SPS für robuste, Echtzeitsteuerung; DCS für verteiltes Management großer Anlagen; Mikrocontroller für eingebettete Anwendungen.

Aktoren

Wandeln Steuersignale in physische Aktionen um – Motoren, Pneumatikzylinder, Hydraulikaktoren und mehr.

Kommunikationsnetzwerke

Industrielle Protokolle (Modbus, Profibus, CAN-Bus), Ethernet und drahtlose Kommunikation verbinden die Systemelemente und sorgen für einen sicheren und zuverlässigen Datenfluss.

Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI)

Zeigt den aktuellen Systemstatus, Alarme und Steueroptionen an. HMI werden so gestaltet, dass sie schnell erfassbar sind und minimale Fehler ermöglichen – besonders in sicherheitskritischen Umgebungen.

Architekturebenen in automatisierten Systemen

Automatisierte Systeme sind in hierarchische Ebenen gegliedert, um Skalierbarkeit, Zuverlässigkeit und Wartbarkeit zu gewährleisten:

Feld-/Geräteebene: Sensoren und Aktoren interagieren mit der realen Welt.
Steuerungs-/Ausführungsebene: Steuerungen führen Echtzeitlogik aus.
Überwachungs-/Steuerungsebene: SCADA/HMI-Systeme überwachen und aggregieren Systemdaten.
Unternehmens-/IT-Ebene: Verbindet die Automatisierung mit Unternehmensführung und Analytik.

Arten automatisierter Systeme

• Feste Automatisierung: Hohe Stückzahlen, geringe Variantenvielfalt (z. B. Gepäcksortieranlagen am Flughafen).
• Programmierbare Automatisierung: Chargen- oder variantenreiche Produktion (z. B. CNC-Maschinen).
• Flexible Automatisierung: Schnelle Umrüstungen, Individualisierung (z. B. Roboter-Montagelinien).
• Prozessautomatisierung: Verknüpft Abläufe abteilungs- oder standortübergreifend.
• Integrierte Automatisierung: Zentralisiert mehrere Systeme für einheitliches Management.
• Robotic Process Automation (RPA): Automatisiert digitale Aufgaben in IT-/Büroumgebungen.

Detaillierte Komponentenübersicht

Sensoren

• Typen: Näherung, Position, Temperatur, Druck, optisch, Beschleunigung.
• Beispiel: Sensoren zur Wetterüberwachung auf Rollbahnen lösen automatisches Enteisen aus.

Aktoren

• Typen: Elektromotoren (Förderbänder), Hydraulikaktoren (Fahrwerk), Pneumatikaktoren (Türen), Magnetventile.
• Beispiel: Motoren und pneumatische Weichen im Gepäcksystem sortieren Koffer.

Steuerungen (SPS, DCS)

• SPS: Robust, echtzeitfähig, Standard in der Industrieautomatisierung.
• DCS: Koordiniert Steuerung über große Bereiche (z. B. Energiesysteme am Flughafen).
• Beispiel: DCS steuert die Klimaanlage in allen Flughafenterminals.

SCADA-Systeme

• Rolle: Zentrale Überwachung, Datenaufzeichnung und Steuerung.
• Beispiel: Flughafen-SCADA sammelt Daten von Beleuchtung, Wetter, Gepäck und Sicherheit.

Netzwerke und Kommunikation

• Feldbusse: Profibus, Modbus, CAN-Bus für die Verbindung von Geräten auf Feldebene.
• Unternehmensnetzwerke: Ethernet, WLAN für die Integration auf höherer Ebene.

Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI)

• Funktion: Bedienerpulte zur Überwachung und manuellen Eingriffen.
• Beispiel: HMI im Flughafen-Kontrollraum zeigt den aktuellen Status und Alarme live an.

Automatisierung vs. manuelle Prozesse

Automatisierte Systeme werden wegen ihrer Geschwindigkeit, Konsistenz und Skalierbarkeit bevorzugt. Manuelle Prozesse bleiben bei einzigartigen, kleinen oder sehr variablen Aufgaben sinnvoll.

Automatisierung und Orchestrierung: Abgrenzung und Zusammenspiel

• Automatisierung: Ausführung einzelner Aufgaben oder Prozesse mit Technologie – ohne manuelle Eingriffe.
• Orchestrierung: Koordination und Verwaltung mehrerer automatisierter Aufgaben/Systeme zur Erreichung übergeordneter Ziele (z. B. eine Betriebszentrale am Flughafen, die Gepäck, Beleuchtung, Klimaanlage und Sicherheitssysteme gemeinsam steuert).

Praxisanwendungen

Luftfahrt: Autopilot, Flugsicherung, Gepäckabfertigung, Rollbahnbeleuchtung.
Fertigung: Roboter-Montage, Prozesssteuerung, Qualitätskontrolle.
Logistik: Automatisierte Lager, Sortierzentren, selbstfahrende Transportmittel.
Versorgung: Intelligente Netze, automatisierte Umspannwerke, Fernüberwachung.
Gesundheitswesen: Automatisierte Diagnostik, Medikamentenausgabe, Laborroboter.
Büros: RPA für Dateneingabe, Compliance, Kundenservice-Bots.

Herausforderungen und Überlegungen

• Cybersicherheit: Vernetzte Systeme sind anfällig für Cyberangriffe.
• Sicherheit: Redundanz, Ausfallsicherheit und kontinuierliche Überwachung sind entscheidend.
• Integration: Die Verbindung von Alt- und Neusystemen erfordert sorgfältige Planung.
• Menschliche Faktoren: HMIs müssen intuitiv sein, um Bedienfehler zu minimieren.
• Wartung: Prädiktive und präventive Wartung ersetzen reaktive Instandhaltung.

Zukünftige Trends

• KI und maschinelles Lernen: Steigende Anpassungsfähigkeit und autonome Entscheidungsfindung.
• Edge Computing: Datenverarbeitung näher an den Sensoren für Echtzeitreaktion.
• Cloud-Integration: Zentrale Analysen, Fernüberwachung und Systemaktualisierungen.
• Kollaborative Roboter (Cobots): Sicheres Zusammenarbeiten von Mensch und Roboter.
• Nachhaltigkeit: Automatisierte Systeme optimieren den Energieeinsatz und reduzieren Abfall.

Automatisierte Systeme sind ein Grundpfeiler des technologischen Fortschritts und ermöglichen es Unternehmen in Luftfahrt, Fertigung, Logistik und darüber hinaus, neue Maßstäbe bei Effizienz, Sicherheit und Innovation zu setzen.