Moderne Automatisierungssysteme als Enabler der Industrie 4.0


Hausarbeit, 2019

22 Seiten, Note: 1,3


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Die industriellen Revolutionen bis zur Gegenwart
2.1 Der Anfang der industriellen Revolution
2.2 Die Elektrifizierung, die zweite industrielle Revolution
2.3 Ursprung der Automatisierungstechnik, die dritte industrielle Revolution

3 Industrie 4.0 – Die Revolution der Gegenwart
3.1 Der Begriff „Industrie 4.0“
3.2 Methoden und neue Technologien im Fokus
3.2.1 IoT – Internet of Things
3.2.2 Cyber-Physische-Systeme (CPS)
3.2.3 Losgröße 1

4 Die „Automatisierung“
4.1 Beschreibung der „Automatisierung“
4.1.1 Automatisierungstechnik
4.1.2 Aktorik und Sensorik
4.2 Neueste Automatisierungslösung der „Industrie 4.0“

5 Kritische Diskussion und Fazit

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Befragung zu der Nutzung von Losgröße 1

Abbildung 2: Roboter

1 Einleitung

Moderne Digitalisierung und die Ausbreitung intelligenter Systeme führen die vierte Industrielle Revolution voran. Die vernetzte Welt der „Industrie 4.0“ bringt Unternehmer zu einer zukunftsfähigen technologischen Aufrüstung.

Die vorliegende Hausarbeit setzt sich mit dem Weg zu der heutigen Industriellen Revolution und den daraus entstandenen modernen Technologien auseinander. Dabei stehen die „Industrie 4.0“ und die Automatisierung im besonderen Fokus.

Die globale digitale Vernetzung und der Fortschritt bei der Entwicklung von Automatisierungstechnologien führten zu selbstständig handelnden und miteinander kommunizierenden Systemen und Maschinen, des Fertigungsprozesses in der Industrie. Die Folgen daraus sind der Ersatz von Arbeitnehmern durch intelligente Systeme, höhere Flexibilität bei der Fertigung und die Optimierung von Prozessen, sowohl in der Industrie wie auch in der Logistik und in Unternehmen.

Das Ziel dieser Hausarbeit ist es, moderne Automatisierungssysteme und die „Industrie 4.0“ zu präsentieren. Die Veranschaulichung und Erläuterung der Ursache-Wirkungskette, erfüllt dieses Ziel.

In Kapitel 2 wird der Ursprung der Industriellen Revolution bis zu der Gegenwart dargestellt. Kapitel 3 setzt sich mit dem Begriff „Industrie 4.0“ auseinander und erörtert dessen technologischen Inhalt. In Kapitel 4 wird die „Automatisierung“ verdeutlicht. Kapitel 5 setzt sich mit den Themen der vorherigen Kapitel auseinander, die Hausarbeit endet mit dem Fazit.

2 Die Industriellen Revolutionen bis zur Gegenwart

Vor mehr als 200 Jahren begann sich der Prozess und die Technologie in der Industrie stetig zu wandeln, so dass jede Phase neue Meilensteine hervor brachte und sich von der vorherigen unterschied. Von dem noch manuellem Hantieren zur Mechanisierung und Automatisierung, die industrielle Revolution war und ist ausschlaggebend für unsere heutige Technologie.

2.1 Der Anfang der Industriellen Revolutionen

Die erste Industrielle Revolution ereignete sich in Europa zwischen 1830 und 1871. England gilt als Mutterland der Industrialisierung. Sie begann schon vor dem 19. Jahrhundert mit der Einführung mechanischer Produktionsanlagen mit Hilfe von Wasserkraft, gefolgt von der Dampfkraft. Die erste Mechanisierung betraf die Textil-, Eisen-, und Stahlindustrie, in der weitere große Errungenschaften, wie die Dampfmaschine, der Dampfkraft betriebene Webstuhl oder die Lokomotive folgten. Es war der Übergang von der Handproduktion zur Maschinellen Produktion. „Die Menschen wurden vom Eigentümer zum Maschinenbediener.“1

Der englische Ingenieur Thomas Newcomen (1664-1729) erfand 1712 die erste funktionierende Dampfmaschine. Genau genommen war es eine Kondensmaschine, da die Verringerung seines Volumens, beim Erkalten des heißen Wassers, die Maschine antrieb. Bereits 1706 leistete der französische Naturwissenschaftler Denis Papin (1647-1712) die Vorarbeit, indem er in Kassel den ersten Dampfzylinder baute. 1764 wurde der schottische Hausmechaniker der Universität Glasgow James Watt (1736-1819) damit beauftragt eine der newcomenischen Dampfmaschinen zu reparieren. Dabei löste er einen der Konstruktionsfehler, welche den Dampf vernachlässigte und baute den ersten Kondensator der die Dampfmaschine effektiver machte.

In der Textilindustrie kam es nach der ersten industriellen Spinnmaschine, die „Spinning Jenny“, zur ersten Dampfkraft betriebenen Webmaschine. Erfinder war der Engländer Edmund Cartwright (1743-1823), seine „Power Loom“ wurde 1787 in seiner Weberei eingeweiht. Diese neue Maschine sorgte für eine hohe Arbeitslosigkeit und vielen Protesten. Der erste erfolgreich eingesetzte Raddampfer, die „Clermont“ von Robert Fulton (1765-1815) läutete die Dampfschifffahrt ein. 1838 starteten zwei Dampfschiffe die erfolgreiche Reise über den Atlantik und verdrängten mit der Zeit die Vormachtstellung der Großsegler. Die erste Schienenlokomotive wurde 1803 gebaut und die erste Personendampfeisenbahn fuhr 1830.

Ende des 18. Jahrhunderts gab es durch bessere Werkzeuge und landwirtschaftlicher Technik höhere Erträge und genügend Nahrungsmittel. Das Bevölkerungswachstum stieg rasant. Viele Bauern zogen in die Städte um in den dortigen Industrien zu arbeiten. Die Umstellung von der alten Agrargesellschaft auf die neue Industriegesellschaft begann, und somit die Industrialisierung. Als Weltmacht konnte England viele Rohstoffe aus den Kolonien durch expandierende Hafenstädte importieren und durch den Überseehandel wieder exportieren.

Durch die Industrialisierung eröffneten sich für Ingenieure neue Möglichkeiten, wie den Maschinenbau, mit Dampfmaschinen, Textilmaschinen und Werkzeugmaschinen. Sie gehören zu den mechanischen Technologien, einem der Vorläufer der Fertigungstechnik.

2.2 Die Elektrifizierung, die zweite Industrielle Revolution

Ende des 19. Jahrhundert startete die zweite Industrielle Revolution. Leitsektoren dafür waren, hauptsächlich in den USA und Deutschland, eingesetzte, Elektrotechnik, Chemie und die Automobilindustrie. Das Handwerk wurde von angelernten Arbeitern übernommen, da die monotone Fließbandarbeit keine Bedienung durch ein hohes Qualifikationsniveau mehr benötigte. Durch Telegramme, Telefone und dem Radio erreichte die Elektrizität einen großen Fortschritt in der Kommunikation. Der Alltag bei der Büroarbeit und im Haushalt wurde um ein Vielfaches erleichtert. „Für Unternehmen waren die neuen Möglichkeiten zur Massenproduktion Ausgangpunkt, Arbeitsabläufe und Strukturen in der Organisation neu zu überdenken und im Sinne der Produktivität zu optimieren.“2

Schon vor dem 19. Jahrhundert gewann das Wissen über die Elektrizität immer mehr an Bedeutung. Benjamin Franklin (1706-1790) bewies, dass Blitze im Zusammenhang mit natürlicher Elektrizität stehen und 1772 baute der Italiener Allessandro Volta (1745-1827) die erste Batterie. Der Strom wurde hauptsächlich für die Straßenbeleuchtung genutzt, bis Joseph Wilson Swan (1828-1914) 1878 ihn mit seiner Kohlefadenlampe für Haushalte nutzbar machte. 1866 ließ Ernst Werner Siemens (1816-1892) die erste Dynamomaschine patentieren. Die Dynamomaschine war die Voraussetzung für den Elektromotor, der den Gasmotor, die Dampfmaschinen und andere Antriebe ersetzt hat. 1862 erfand der Deutsche Nikolaus August Otto (1832-1891) den ersten Verbrennungsmotor und 1886 meldete Carl Benz (1844-1929) das erste Automobil beim Reichspatentamt an, ein Meilenstein der Fortbewegung.

Ausschlaggebend für die zweite Revolution war die Fließbandarbeit. Henry Ford (1863-1947) setzte die Fließbandarbeit das Erste mal 1913 ein und beschleunigte damit die Produktion des Ford Models „Ford-T“; in 19 Jahren verkaufte er 15 Millionen Exemplare. Der Kaufpreis sank und das Automobil wurde in den 1920er Jahren zum Massenprodukt. Zum ersten Mal wurde diese Technik 1870 in einem Schlachthof in Cincinnati eingesetzt.

Der Forscher Samuel Morse (1791-1872) entwickelte 1837 mit anderen Forschern zusammen den Elektromagneten und den ersten nutzbaren Telegrafen. Der Morsetelegraf war das erste Gerät mit dem über weite Strecken kommuniziert werden konnte. 1887 entdeckte Heinrich Hertz (1857-1894) elektromagnetischen Wellen, die Voraussetzung für drahtlose Telegrafie. Das erste Radio bildeten röhrenbetriebene Sendeanlagen. Sie erzeugten Hochfrequenz-schwingungen und somit die Möglichkeit Sprache und Töne zu übertragen.

Der Maschinenbau wurde durch die rasante Entwicklung dieser und anderer neuen Techniken ausgebaut und das Ingenieurwesen dehnte sich in viele neue Bereiche aus, wie zum Beispiel die Automobiltechnik oder die Haushalts- und Unterhaltungstechnik. Die Anzahl der ausgebildeten Ingenieure stieg im 20. Jahrhundert gewaltig an.

2.3 Ursprung der Automatisierungstechnik, die dritte Industrielle Revolution

Globalisierung und Automatisierung brachten in den 1960er Jahren die dritte Industrielle Revolution. Elektronik und Informationstechnologien trugen dazu bei, dass Prozesse automatisiert wurden. Durch die Verbreitung des Internets konnten Wissen und Informationen nun weltweit abgerufen werden und der Wunsch der Kunden nach Qualität und Individualismus stieg an.

Der erste und der zweite Weltkrieg unterbrachen zwar die Industrielle Entwicklung, allerdings wurde der Druck auf die Forschung, neue Technologien zu entwickeln, erhöht. Das Ingenieurwesen gewann an neuen Fachgebieten, wie die Luft- und Raumfahrttechnik, die Energietechnik oder die Kerntechnik. Das wohl folgenschwerste Produkt der Ingenieur-wissenschaften und anderen Wissenschaften zu dieser Zeit, war die Computertechnologie.

Durch seine Anwendung gewann die Wissenschaft zahlreiche neue Möglichkeiten komplexe Berechnungen durchzuführen, als Ingenieur zu konstruieren oder in der Industrie effektiver und genauer zu produzieren. 1941 entwickelte der deutsche Bauingenieur Konrad Ernst Otto Zuse (1910-1995) den Computer „Z3“. Dieser war vollautomatisch, frei programmierbar und programmgesteuert. Der erste kommerzielle Computer war der „Z4“ der, durch die Zuse KG, an die ETH in Zürich verliehen wurde. Es folgten weitere Modelle des Computers und die Entwicklung nahm rasant zu. Im November 1969 konnte Richard E. „Dick“ Morley (1932-2017), mit seinem Team, die erste Speicherprogrammierbare Steuerung, im amerikanischen kurz PLC (Programmable Logic Controller) präsentieren. Bisher dauerte die Programmierzeit um die sechs Monate, nun waren es nur noch sechs Tage.

Den großen Rechenmaschinen folgten Computer für das Personal oder dem privaten Gebrauch, womit ein neuer Industriezweig geschaffen wurde.

3 Industrie 4.0 – Die Revolution der Gegenwart

3.1 Der Begriff „Industrie 4.0“

Der Begriff „Industrie 4.0“ wurde 2011 das erste Mal auf der „Hannover Messe 2011“ im Rahmen einer Hightech-Strategie als Zukunftsprojekt vorgestellt. In Koordination durch die Deutsche Akademie der Technikwissenschaften (acatech) wurden 2012 erste Handlungsempfehlungen der Arbeitsgruppe, mit dem Vorsitz Dr. Siegfried Dais (Robert-Bosch GmbH) und Prof. Henning Kagermann (Präsident von acatech), an die Bundesregierung übergeben.

Der Branchenverband Bitkom, der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) und der Zentralverband der Elektroindustrie (ZVEI) richteten 2013 die „Plattform Industrie 4.0“ ein. Ziel war es Wissen zu bündeln und neue Innovationen und Forschungsansätze auf diesem Gebiet der Digitalisierung zu erarbeiten. Das Bundesforschungsministerium und das Bundeswirtschaftsministerium (BMWi) übernahmen 2015 diese Plattform und gaben bisher 550 Millionen Euro Fördermittel für das Gebiet der Industrie 4.0 frei. „Die Bundesregierung hat Vorschläge aus diesem Expertenkreis schon vorab aufgegriffen und setzt seither die Forschungsagenda Industrie 4.0 um.“3

Im Mittelpunkt von „Industrie 4.0“ stehen die Intelligenz von Produkten und die Vernetzung von Maschinen, Systemen und Produkten. Echtzeitfähige IT-Systeme leiten intelligente Produkte, sowie die Maschinen oder auch komplexe Lagersysteme und schaffen so einen selbstständigen Ablauf in dem Prozess der Fertigung bis zu der Logistik. Ermöglicht wird dieser kontinuierliche Informationsaustausch durch Techniken wie das CPS, „Smart Tags“, RFID-Chips oder einfachen Barcodes. Dabei spielt die Verbindung durch das Internet die wichtigste Rolle, damit ein barrierefreier Informationsaustausch gewährleistet werden kann. International wurde der Begriff „Industrie 4.0“ am Anfang nur in Regierungs- und Expertenkreisen diskutiert. In der Öffentlichkeit fand es zwar Erwähnung, jedoch verständigte man sich eher auf andere Schwerpunkte oder setzte es, wie in der USA, mit dem Internet der Dinge (IoT) gleich.

Industrie 4.0 ist für die heutigen industriellen Produktionen von großer Bedeutung, da durch effizientes Erfassen von Daten und dem Einsatz präziser Simulationen, Produktionsprozesse besser und schneller geplant und flexibler durchgeführt werden können. Immer mehr autonome intelligente Systeme, Maschinen und Robotern werden in der Industrie mit einbezogen. In der Logistik wird durch hoch entwickelte Algorithmen und optionaler Routenplanung ein idealer Warenfluss gewährleistet, während Maschinen benötigtes Material selbstständig anfordern. Zudem ist es durch die digitale Vernetzung möglich besser ins Detail genau zu planen und Fertigungsmaschinen optional auszulasten. „der Mensch wird von automatisierbaren und schweren Tätigkeiten entlastet und wird zum intelligenten Bediener der Anlagen. Diese Entwicklung setzt sich in der Industrie 4.0 fort: Der Umfang automatisierbarer Prozesse soll in allen Bereichen zunehmen, um einen vollständig automatisierbaren Produktionsprozess herzustellen.“4

[...]


1 Schönfelder, C. (2018): Industrie 1.0 bis 3.0. In: Muße – Garant für unternehmerischen Erfolg. Springer, Wiesbaden

2 Schönfelder, C. (2018): Industrie 1.0 bis 3.0. In: Muße – Garant für unternehmerischen Erfolg. Springer, Wiesbaden

3 Bundesministerium für Bildung und Forschung, (2018). Industrie 4.0. Zugriff am 20.02.2020, Verfügbar unter https://www.bmbf.de/de/zukunftsprojekt-industrie-4-0-848.html

4 Kellner F., Lienland B., Lukesch M. (2018): Einführung in das Konzept Industrie 4.0. In: Produktionswirtschaft. Springer, Heidelberg

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Details

Titel
Moderne Automatisierungssysteme als Enabler der Industrie 4.0
Hochschule
SRH Fernhochschule
Veranstaltung
Einführung in die Ingenieurwissenschaften
Note
1,3
Autor
Jahr
2019
Seiten
22
Katalognummer
V917772
ISBN (eBook)
9783346238740
ISBN (Buch)
9783346238757
Sprache
Deutsch
Schlagworte
moderne, automatisierungssysteme, enabler, industrie, Industrie4.0
Arbeit zitieren
Marwyn Koch (Autor:in), 2019, Moderne Automatisierungssysteme als Enabler der Industrie 4.0, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/917772

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