Geschichte und Perspektiven der Automatisierungstechnik Prof. Dr.-Ing. Birgit Steffenhagen FH Stralsund
Der erste Entwicklungsschritt [Tröster] Bearbeitung und Umgang mit Materialien 1 Geschichte der Automatisierungstechnik 2
Entwicklungsschritte 1 und 2 1. Bearbeitung und Umgang mit Materialien 2. Einsetzen von Energie Bohrmaschine mit Bogenantrieb Bohrmaschine mit Wasserkraft Nutzung der Windenergie 1 Geschichte der Automatisierungstechnik [Tröster] 3
3. Entwicklungsschritt 3. Automatisieren durch Information Dampfmaschinen mit Fliehkraftregler Durch weiteren Windflügels stellt sich Mühle eigenständig in den Wind [Tröster] 1 Geschichte der Automatisierungstechnik 4
Prinzip des Fliehkraftreglers 1 Entwicklung der Automatisierungstechnik 5
Anfänge der industriellen AT Whiskey-Destille in Irrland Wasserrad 6 Fliehkraftregler für die Dampfmaschine 1 Entwicklung der Automatisierungstechnik
Anfänge der industriellen AT Whiskey-Destille in Irrland die Schalttafel 7 So funktionierte Informationsübertragung 1 Entwicklung der Automatisierungstechnik
Anfänge der industriellen AT der Kessel 8 1 Entwicklung das der fertige Automatisierungstechnik Produkt
4. Entwicklungsschritt 4. Ausstatten mit Intelligenz Selbstfahrende Maschinen (Quelle: Fa. Electrolux) 1 Geschichte der Automatisierungstechnik 9
Technisches System (Prozess) Informationen Material Energie Technisches System indem Prozess abläuft Produkt Umgebung Störungen 2 Gegenstand der Automatisierungstechnik 10
Duschen mit und ohne Automation ohne Automation mit Automation [Tröster] 2 Gegenstand der Automatisierungstechnik 11
Ziele der Automatisierungstechnik Beherrschung von für den Menschen schwierig zu erledigenden Aufgaben. Erzielung besserer Ergebnisse bei Produktionsprozessen durch Steigerung der Qualität, Einsparung von Zeit, Energie und Material und vieles mehr. Erhöhung der Zuverlässigkeit durch automatisches Beseitigen von Störeinflüssen. Verbesserung von Arbeits- und Lebensbedingungen durch die Ablösung geistig anspruchsloser, monotoner, anstrengender, gefährlicher oder gesundheitsschädlicher Prozesse. 2 Gegenstand der Automatisierungstechnik 12
Was ist Automatisierungstechnik? Bei der Automatisierungstechnik geht es um das selbsttätige (automatische) Ablaufen von Prozessen (z.b. chemische, technische, biologische, informationstechnische Prozesse). Im Prinzip deckt die Automatisierungstechnik alle Bereiche vom Sensor/ Aktor, über Steuerungen und Regelungen bis hin zur Leittechnik/ Visualisierung unter Einbezug der erforderlichen Kommunikation ab. Software und Hardware (Mikroprozessortechnik, Embedded Systems, Software-Engineering) spielen neben den Kernkompetenzen (Steuern, Regeln) gleichermaßen eine große Rolle. Ziel der Ausbildung ist es, die komplexen Zusammenhänge realer Systeme zu erfassen, um Problemstellungen zu lösen. Diese Aufgaben fallen in allen Branchen an, somit gibt es keine Einschränkung auf eine bestimmte Branche. 2 Gegenstand der Automatisierungstechnik 13
Systematik der Automatisierungstechnik 2 Gegenstand der Automatisierungstechnik [Tröster] 14
Vorkommen in der Technik im täglichen Leben in der Gesellschaft in der Natur 15
Anwendungsgebiete Chemie-, Verfahrens- & Prozesstechnik (Chemieanlagen, Kraftwerke) Energietechnik Regelungsaufgaben in Energieverbundsystemen Luft- und Raumfahrt Militär Automobil- und Verkehrstechnik Bio- und Medizintechnik Gebäudeautomatisierung Fertigungsautomatisierung Antriebsregelung Kursregelung (Schiffe, Flugzeuge, Raumkörper) Werkzeugmaschinen, Robotik Volkswirtschaft, Sozialwissenschaften Viele verschiedene Gebiete, eine gemeinsame Theorie & Herangehensweise!!! 16
Beispiele für Branchen und Arbeitsgebiete Chemische Industrie, Biotechnologien (Verfahrenstechnik) Fabrikautomation/ Produktion inkl. Handhabungstechnik Gebäudeautomatisierung Energietechnik/ Regenerative Energien 17
Beispiele für Branchen und Arbeitsgebiete Medizintechnik Automobil- und Verkehr Maritime Wirtschaft 18
Militärtechnik Eurofighter Mechanisch instabil ausgelegt wesentlich wendiger Braucht Regelung zur Stabilisierung, selbst beim normalen Geradeausflug 19
Automatisierungstechnik im Auto I ABS, ASR: Regelung des Brems- bzw. Antriebsschlupfes der Räder ESP: Ausbrechen des Autos wird verhindert Zustandsraummethoden nötig Hydroaggregat mit Anbausteuerung Raddrehzahlsensoren Lenkwinkelsensor Drehraten- & Querbeschleunigungssensor 20
Automatisierungstechnik im Auto II 50 und mehr Steuergeräte im Kfz für: Motor, Bremse, Lenkung, Batterie, Getriebe, Verteilergetriebe,... ESP (inkl. ABS, ASR), Airbags, Schließsystem, Reifendruck,... Komfortfunktionen, Klimaanlage, Sitze, Türen, Cockpit,... Nicht nur Steuerung und Regelung, sondern auch Diagnosefunktionen: 1 Lambda-Sonde 2, 2 Drosselklappenstellung, 3 Luftmasse, 4 Nockenwellenstellung, 5 Ansauglufttemperatur, 6 Motortemperatur, 7 Getriebestufe, 8 Fahrzeuggeschwindigkeit, 9 Klopfintensität, 10 Kurbelwellendrehzahl und oberer Totpunkt (OT), 11 Batterie, 12 Hauptrelais, 13 Lambda-Sonde 1, 14 Zündkerzen, 15 EGAS-Steller, 16 Motordrehzahl, 17 Einspritzventile, 18 Kraftstoffpumpenrelais, 19 Nockenwellensteuerung, 20 Tankentlüftung, 21 Saugrohrumschaltung, 22 Sekundärlufteinblasung und Abgasrückführung, 23 Heizung Lambda-Sonde 21
Harddisk, Transrapid Regelung des Schreib/Lesekopfes einer Harddisk: Auf der Spur bleiben: Festwertregelung (Regulation). In neue Spur fahren: Folgeregelung (Tracking). Sehr hohe Geschwindigkeitsanforderungen. Große Störungen: Periodische durch Exzentrizität und stoßweises Arbeiten. Magnetschwebebahn Transrapid: Regelung in vertikaler Richtung (Sollwert Abstand Stator-Tragmagnet 10 mm). Regelung in horizontaler Richtung mittels Führungsmagnet. 22
Biologische Regelkreise Regelkreise im menschlichen Körper: Helligkeitsabhängige Pupillenöffnung der Augen Blutdruck, Blutzucker, Atmung Körpertemperaturregelung Hormone Anpassung an schwankende Umwelteinflüsse Aufgabe der Medizin: Reparieren oder Kompensieren defekter oder aus dem Gleichgewicht geratener Regelkreise Diabetes Typ I: Bauchspeicheldrüse (Stellglied) defekt. Insulin (Stellsignal) muss von außen zugeführt werden. Diabetes Typ II: Insulin hat reduzierte Wirkung; Zellen nehmen Zucker schlecht auf Regelstrecke defekt, Reparatur wünschenswert; Nicht möglich Insulingabe von außen. 23
Wirtschaft und Soziales Viele wirtschaftliche oder soziale Kenngrößen laufen in Zyklen ab: Wachstumsraten, Inflation, Devisenkurse, Aktienkurse, Insolvenzen,... Schollen/Hai-Population, Studentenanfänger-/Neueinstellungszahlen,... Diesen Vorgängen liegen ähnliche Differentialgleichungen (mathematische Modelle) zugrunde! 1. Viele Hai fressen viele Schollen Es gibt weniger Schollen 2. Haie sterben an Hunger, weil nicht genug Schollen da sind weniger Haie 3. Weniger Haie fressen nicht mehr so viele Schollen mehr Schollen 4. Haie großes Nahrungsangebot mehr Haie 24
Automatisierungstechnik Automatisieren ist mehr als Steuern und Regeln kontinuierlicher Prozesse: Steuerung ereignisdiskreter Prozesse (SPS) Prozessvisualisierung Überwachung, Fehlererkennung, Fehlerdiagnose, Rekonfiguration Optimierung Datenspeicherung & -achivierung Kommunikationsysteme / Vernetzung / Bussysteme Messtechnik / Sensorik Stellglieder / Aktorik 25
Aufgabenspektrum in der Automatisierungtechnik Bedienen und Beobachten (Prozessleit-, SCADA- und MES-Systeme) Mikroprozessortechnik/ Embedded Systems Steuern, Regeln (Steuerungsund Regelungstechnik) Frontend- Entwicklung (Software- Engineering/ C ++, JAVA, Script-Sprachen usw.) Kommunikationstechnologien (LAN, Feldbusse) Hardwarenahe Entwicklung (Software- Engineering/ Assembler, C usw.) Sensoren, Aktoren (Prinzipien und Anwendung) 26
Aufgaben in der Automatisierungstechnik 27
Beispiele für mögliche Tätigkeiten Entwicklungsingenieur für steuerungs- und regelungstechnische Problemstellungen in allen Branchen Entwicklungsingenieur - Software-Engineering (hardwarenah) Entwicklungsingenieur - Embedded-Systems (Hard- und Software) Projektingenieur - Planung und Projektierung Systemen zur Automatisierung (Industrie, Produktion, Gebäudeautomation) Betriebsingenieur - Betrieb und Wartung von Leitsystemen in der Industrie (Produktionssysteme, Energieversorgungsunternehmen, Gebäudeautomation usw.) Service-Ingenieur Wartung komplexer Systeme in allen Branchen Vertriebstätigkeiten für komplexe technische Produkte in allen Branchen (später!) usw. Die Wertschöpfung der industriellen Produkte liegt heute zu 80% im Software-Engineering!!! Unabhängig von der Vertiefungsrichtung werden nur ca. 5-10% in der Entwicklung tätig sein, der Rest in der Planung, Projektierung im Servicebereich und im Vertrieb!!! 28
Weltmarkt für Automatisierungstechnik 29
Qualifikationen der Ingenieure Trends im Maschinen- und Anlagenbau Komplexität und Vernetzungsgrad steigen. In sich abgeschlossene Aufgabenpakete (gut definierte Schnittstellen, wenig Kommunikationsbedarf) werden in kostengünstigere Standorte ausgelagert. Anteil an Elektronik, Funktionen, Software wächst stetig. Zukünftig gefragte Qualifikationen für Ingenieure (MB, Elektrotechnik, Verfahrenstechnik) Solide Grundlagen: Besser wenige Dinge richtig verstehen als viele Dinge auswendig lernen. Systemorientiertes Denken, Schnittstellenwissen: Durchschauen eines komplexen Gesamtsystems. Schnittstellen/Kommunikation zu Kollegen anderer Fachgebiete. Wissen in digitaler Informationsverarbeitung, Modellierung, Simulation, Regelung, Optimierung. 30
Interdisziplinäre Zusammenarbeit - Mechatronik 31
Energietechnik Intelligente Vernetzung 32
Ingenieure werden gesucht Jung-Ingenieure verzweifelt gesucht Quelle: FTD Mit einem Ingenieurstudium haben Absolventen derzeit beste Chancen auf dem Arbeitsmarkt zeigt eine aktuelle Auswertung von Stellenangeboten. Ingenieurmangel kostet Deutschland Milliarden Quelle: FTD Der Ingenieurmangel in Deutschland ist verheerender als bislang angenommen. 2006 fehlten nach Angaben des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI) bundesweit 50.000 Fachkräfte, der wirtschaftlich Schaden geht in die Milliarden. Prämie pro Neueinstellung Quelle: FTD Deutschland grotesk: Der Fachkräftemangel entwickelt sich zur Gefahr für den Aufschwung. Unternehmen aus allen Branchen fahren am Limit, lehnen Aufträge ab und streiten sich um junge Talente. So bekommen Mitarbeiter der Siemens-Sparte Kraftwerkstechnik eine Prämie von 3000 für einen Tipp, der zur Neuseinstellung von einem Mitarbeiter führt. Teurer Mangel Quelle: FAZ Volkswirtschaft im vergangenen Jahr mindestens 3,5 Milliarden Euro an entgangener Wertschöpfung. Ingenieurmangel gefährdet Technologiestandort Deutschland / Berufsbild Ingenieur am stärksten nachgefragt Quelle: innovationsreport 33
Steigender Ingenieurbedarf 34
Vorsprung der Stellenanzeigen für Ingenieure Quelle: Agentur für Arbeit Hamburg 35
Bedarf an Elektroingenieuren 36
Bedarf an Elektroingenieuren 37
Bedarfsentwicklung Jährlicher Bedarf an Absolventen pro Jahr: 80.000 Aktuelle Zahl der Absolventen pro Jahr: 50.000 38