Benlong 
Das höchste Automatisierungsniveau findet sich in
Wenn ein Siliziumwafer in einer Halbleiterfertigungsanlage in Taiwan hergestellt wird, um in einem Multi-Dollar-Prozessor verwendet zu werden, erfolgt dies auf eine Weise, bei der er aus rohem Polysilizium produziert wird und alles ohne menschliches Eingreifen vom Anfang bis zum letzten Schritt durchgeführt wird. Der Wafer durchläuft viele Prozessstufen, die alle von automatisierter Technologie in einem Reinraum mit sauberer Luft durchgeführt werden, die tausendmal sauberer ist als die in einem Operationssaal. Maschinen kommunizieren miteinander, um ihre Arbeit gleichzeitig zu erledigen. Das Management Execution System (MES) verfolgt die Entwicklungen und laufenden Prozesse. Wenn etwas nicht korrekt funktioniert, kann es das Problem selbst beheben, ohne dass ein menschlicher Ingenieur eingreifen muss, und das Ereignis in der Datenbank aufzeichnen. Die prädiktive Wartungsfunktion der Technologie ermöglicht es, Wartungsarbeiten für die Ausfallzeiten der Maschinen zu planen. Dies stellt das höchste heute mögliche Automatisierungsniveau dar, da es über einfache Robotik hinausgeht, da alle Aspekte des Betriebs zu einer Einheit eng integriert sind. Zu verstehen, wie dieses Niveau aussieht und was es bedeutet, vermittelt ein Verständnis für die Arten von Automatisierung, die heute weltweit existieren und die im Produktionsprozess jeder Produktart nützlich sein können.
Zusammenfassung: Das fortschrittlichste Automatisierungsniveau in der Produktion ist die vollständig integrierte, datengetriebene und sich selbst optimierende Fabrik, die allgemein als Industrie 4.0 oder lights-out Fertigung bekannt ist. In dieser Art von Fabrik sind alle Prozesse, von dem Zeitpunkt, an dem Rohmaterialien eintreffen, bis zu dem Moment, in dem fertige, getestete und zertifizierte Produkte versandt werden, automatisiert, miteinander vernetzt und werden durch mehrere Softwareebenen gesteuert, einschließlich SPS und SCADA für den Maschinenbetrieb, MES (Manufacturing Execution System) für den Produktionslinienprozess und ERP (Enterprise Resource Planning) für Geschäftsaktivitäten.
Wie das höchste Automatisierungsniveau aussieht: Die vollständig integrierte, sich selbst optimierende Fabrik
Der höchstes Automatisierungsniveau in der Fertigung ist keine einzelne Maschine oder eine einzelne Softwareplattform. Es ist eine Architektur – ein Technologie-Stack, der zusammenarbeitet, um eine Kundenbestellung mit minimalem menschlichen Eingreifen in ein versandtes Produkt zu verwandeln. Die Architektur besteht aus drei Schichten, von denen jede vorhanden sein muss, damit die Fabrik auf dem höchsten Niveau arbeiten kann.
Schicht Eins: Die physische Automatisierung – die Maschinen, die Roboter und die Materialhandhabung. Auf der höchsten Betriebsebene wird jede Tätigkeit, die automatisiert werden kann, tatsächlich automatisiert. In einer korrekten Betrachtung ist die Produktionslinie nicht nur eine Anzahl halbautomatisierter Stationen mit manuellen Übergaben dazwischen, sondern vielmehr ein kontinuierlicher Fluss, bei dem das Produkt dank des Fördersystems oder Ähnlichem von einer Position zur nächsten durch das System bewegt wird. Die Stationen führen Operationen durch, die mit einem oder mehreren komplexen Prozessen wie Montage, Schweißen usw. zusammenhängen, und es gibt keine Arbeiter, die das Teil be- oder entladen. Maschinen gehören nicht zu einem bestimmten Typ: Sie sind flexibel und in der Lage, mit vielen Produkttypen zu arbeiten. Die Maschinen sind mit verschiedenen Geräten ausgestattet, d.h. es sind Motoren und Sensoren installiert, die den Status der Geräte melden. Für das Unternehmen, das Geräte für elektrische Schutzanwendungen herstellt, umfasst Schicht Eins auch Fertigungslinien, die zur Montage und Prüfung von Leitungsschutzschaltern (MCB), Leistungsschaltern (MCCB) und Schützen verwendet werden. MCB-Automatisierungslinie Ein System, das die Teilezuführung, Montage, Kalibrierung, Prüfung, Markierung und Sortierung in einen einzigen, kontinuierlichen Fluss integriert und alle paar Sekunden einen kalibrierten und zertifizierten Leistungsschalter produziert, ist ein Beispiel für die physische Automatisierung, die das höchste Niveau erfordert. Für einen tieferen Einblick in die Prüfstationen, die in diese Linien integriert sind, erklärt unser Leitfaden zu Was ist eine automatische MCB-Testlinie? die Kalibrierung, den magnetischen Auslöser und die Hochspannungsprüfung, die an jeder Einheit durchgeführt werden müssen.
Schicht 2: Die Daten- und Steuerungsinfrastruktur—Überwachungs- und Datenerfassungssystem (SCADA), Manufacturing Execution System (MES), Digitaler Faden. Die Ausrüstung in der Fabrik erzeugt viele nützliche Daten—Prozessparameter, Qualitätsdaten, Fehlercodes, Energieverbrauch und Zykluszeiten. Das höchste Automatisierungsniveau muss all diese Datenpunkte verfolgen, Kontext für den Prozess bereitstellen und sie dem System und den Personen zur Verfügung stellen, die sie verwenden werden. Das SCADA-System ist darauf ausgelegt, alle Daten in Echtzeit von SPS, Antrieben und Sensoren an den Maschinen zu erfassen, die einen Überblick über die Fabrik geben und den Bediener über Alarme und Abweichungen informieren. MES arbeitet auf SCADA auf, da es für die Verwaltung von Produktionsaufträgen, das Vorantreiben jedes einzelnen Artikels entlang der Linie, die Aufzeichnung von Prozessdaten pro Einheit und Qualitätsdaten pro Einheit verantwortlich ist. MES ist ein System, das alle benötigten Informationen für Zertifizierung und Garantie nachvollziehen kann—nach Verlassen der Fabrik kann jeder Leistungsschalter seine Kalibrierungsinformationen, Testergebnisse sowie Informationen über die Maschine, den Bediener und das Rohmaterial, mit dem er hergestellt wurde, anzeigen. Das ERP-System (Enterprise Resource Planning) baut auf MES auf und umfasst die Verwaltung von Aufträgen, Beständen, Lieferketten und Finanzen. Forschung von McKinsey & Company zur digitalen Fertigung identifiziert diese vertikale Integration als den wichtigsten Faktor für die Produktivitäts-, Qualitäts- und Flexibilitätsverbesserungen, die Industrie 4.0 verspricht.
Schicht Drei: Die Intelligenz und Autonomie – Predictive Analytics, KI und Closed‑Loop Control. Das fortschrittlichste Automatisierungsniveau informiert nicht nur über Ereignisse. Es liefert Vorhersagen über zukünftige Entwicklungen und ergreift Maßnahmen basierend auf diesen Vorhersagen ohne menschlichen Befehl. Zum Beispiel überwacht ein Predictive-Maintenance-Algorithmus Parameter wie Vibrationssignatur, Motorstrom und Temperatur einer wichtigen Spindel oder Roboterverbindung und plant die Wartung während der nächsten geplanten Stillstandszeit, bevor ein Element ausfällt und zu ungeplanten Stillständen führt. Ein KI-gesteuertes Vision-System kontrolliert die Qualität jedes Produkts in der Liniengeschwindigkeit, erkennt Defekte, die von einem regelbasierten System nicht erkannt werden können, und lernt, neue Defekttypen zu identifizieren, sobald sie auftreten. Ein Closed-Loop-Prozesssteuerungsalgorithmus überwacht den Wert des Qualitätsparameters, z. B. die Kalibrierung einer thermischen Auslösungseinheit oder den Qualitätsparameter einer geschweißten Verbindung, und passt Prozessvariablen automatisch an, damit das Ergebnis innerhalb des Spezifikationsbereichs bleibt, ohne dass ein Eingreifen des Prozessingenieurs erforderlich ist. Auf diesem Niveau besteht die Rolle des Menschen nicht darin, Maschinen zu bedienen, Produkte zu prüfen oder Informationen zu erfassen. Stattdessen besteht die menschliche Aufgabe darin, Ausnahmen zu verwalten, Fälle zu untersuchen, die vom System nicht diagnostiziert werden können, und unverzichtbare Produktionsentscheidungen zu treffen. Internationale Föderation für Robotik (IFR) und Deloitte haben die zunehmende Einführung von KI-gesteuerter Qualitätsprüfung und Predictive Maintenance dokumentiert, und der Trend ist klar: Das höchste Automatisierungsniveau ist das Niveau, auf dem die Fabrik lernt.
Die Automatisierungspyramide: Fünf Stufen von manuell bis autonom
Der Automatisierungsstufen in der Fertigung werden oft als Pyramide beschrieben, mit der einfachsten Stufe an der Basis und der höchsten an der Spitze. Die folgende Tabelle fasst die fünf Stufen, die wichtigsten Merkmale jeder Stufe sowie die Branchen und Produktionsmengen zusammen, für die jede typischerweise geeignet ist.
| Stufe | Beschreibung | Datenintegration | Materialhandling | Typische Anwendung |
|---|---|---|---|---|
| Stufe 0: Manuelle Bedienung | Jeder Prozessschritt – Be- und Entladen, Verarbeitung, Inspektion und Dokumentation – wird von einem menschlichen Bediener durchgeführt. Die Werkzeuge können kraftunterstützt sein, aber die Prozesssteuerung liegt vollständig in den Händen des Bedieners. | Keine – Aufzeichnungen erfolgen papierbasiert oder in einer einfachen Tabelle, ohne Rückverfolgbarkeit auf Einheitsebene. | Manuell – der Bediener bewegt das Produkt von Station zu Station. | Produktion mit geringem Volumen und hoher Variantenvielfalt; Forschung & Entwicklung und Prototypenbau; Prozesse, die noch nicht stabil genug für eine Automatisierung sind. |
| Stufe 1: Halbautomatisierte Zellen (Automationsinseln) | Eine Maschine führt automatisch einen kritischen Prozessschritt aus – Schweißen, Kalibrierung, Prüfung, Dosierung – aber ein menschlicher Bediener lädt das Teil in die Vorrichtung, startet den Zyklus und entnimmt das fertige Teil. Die Maschine steuert den Prozess; der Mensch übernimmt das Materialhandling. | Die Maschine protokolliert ihre eigenen Prozessdaten, aber diese Daten sind nicht mit anderen Stationen oder einem zentralen System integriert. Die Rückverfolgbarkeit ist fragmentiert. | Manuell – der Bediener bewegt das Produkt zwischen den halbautomatisierten Stationen. | Mittelgroße Produktion; qualitätskritische Prozesse, bei denen Wiederholgenauigkeit wesentlich ist, aber eine vollständige Automatisierung noch nicht gerechtfertigt ist. Dies ist das Niveau, auf dem viele Elektrohersteller beginnen, mit einem halbautomatischen Kalibrier- oder Teststand von Benlong Automation. |
| Stufe 2: Vollautomatische Produktionslinie (Feste Automatisierung) | Eine integrierte Linie führt das Produkt im normalen Produktionszyklus automatisch zu, verarbeitet, inspiziert und sortiert es ohne Eingriff des Bedieners. Die Linie ist für ein einzelnes Produkt oder eine enge Produktfamilie ausgelegt. Bediener überwachen die Linie, füllen Materialien nach und reagieren auf Alarme. | Die SPS der Linie und das zentrale SCADA-System erfassen Daten von jeder Station. Die Daten werden protokolliert, sind jedoch möglicherweise nicht in das MES oder ERP der Anlage integriert. | Automatisiert – Förderbänder, Drehtische oder robotergestützter Transfer bewegen das Produkt zwischen den Stationen. | Hochvolumige, gering variierende Produktion; Produkte mit stabilen Designs und vorhersehbarer Nachfrage. Eine dedizierte MCB-Montagelinie, die einen einzelnen Leistungsschaltertyp mit hoher Geschwindigkeit produziert, ist ein Stufe-2-System. |
| Stufe 3: Integrierte und flexible Automatisierung (MES-verbunden) | Mehrere automatisierte Linien sind durch ein zentrales MES verbunden, das Produktionsaufträge verwaltet, den Arbeitsfortschritt verfolgt und Qualitätsdaten für jede Seriennummer protokolliert. Die Linien können durch Rezeptwechsel zwischen Produktvarianten wechseln, und das MES steuert den Ablauf. Automatisierte Materialhandhabung – AGVs, AMRs oder automatisierte Lager- und Abrufsysteme – transportiert Materialien zwischen den Linien und dem Lager. | Vollständige vertikale Integration vom Sensor über das MES bis zum ERP. Die Prozess- und Qualitätsdaten jeder Einheit werden gespeichert und sind rückverfolgbar. Echtzeit-Dashboards bieten werksweite Transparenz. | Automatisiert zwischen den Linien – AGVs, AMRs oder Förderbänder bewegen Materialien und Fertigprodukte zwischen den Produktionslinien und dem Lager. | Hochvolumige, mittelvariantenreiche Produktion; regulierte Branchen (Automobil, Medizin, Elektrik), die vollständige Rückverfolgbarkeit erfordern; Hersteller, die mehrere Kunden mit unterschiedlichen Kennzeichnungs- und Zertifizierungsanforderungen bedienen. |
| Stufe 4: Selbstoptimierend, vorausschauend und autonom (das höchste Niveau) | Das gesamte Fertigungsökosystem – Maschinen, Materialhandling, MES, ERP und Lieferkette – ist zu einem selbstregulierenden Ganzen integriert. KI-gesteuerte Analysen prognostizieren Ausfälle, optimieren Prozesse und passen Produktionspläne in Echtzeit an. Die menschliche Rolle ist strategisch: Ausnahmen managen, das System verbessern und Entscheidungen treffen, die das System nicht programmieren kann. | Vollständige horizontale und vertikale Integration. Daten fließen nahtlos vom Sensor bis zum Vorstandszimmer und von der Fabrik des Lieferanten bis zum Wareneingang des Kunden. Ein digitaler Zwilling der Fabrik simuliert und optimiert die Produktion, bevor sie stattfindet. | Vollautomatisiert über die gesamte Anlage – AMRs und AGVs bewegen Materialien, und automatisierte Lagersysteme verwalten Bestände mit minimalem menschlichen Eingriff. | Halbleiterfertigung, Endmontage im Automobilbereich, pharmazeutische Verpackung und jede andere Branche, in der die Kosten eines Defekts oder eines Stillstands in Millionen von Dollar gemessen werden und in der das Volumen die Investition in das höchste Automatisierungsniveau rechtfertigt. |
Der Industry 4.0-Rahmen und die Automatisierungspyramide
Das Automatisierungsstufenmodell ist in wenigen anderen Modellen erkennbar, aber das gebräuchlichste ist das Industry 4.0-Reifegradmodell, das von Institutionen wie der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften (acatech) entwickelt wurde und von verschiedenen Herstellern und Beratungsunternehmen weltweit verwendet wird. Industry 4.0 kann als eine Stufe definiert werden, die von Industry 1.0 (Mechanisierung, Dampfmaschinen) über Industry 2.0 (Massenproduktion und Elektrizität) und Industry 3.0 (Entwicklung von Computern und SPS zur Automatisierung einiger Prozesse) bis hin zur endgültigen Stufe des Reifegradmodells reicht, die ein vollständig autonomes und datengetriebenes Produktionssystem umfasst. Die in dieser Anleitung erläuterten Automatisierungsstufen, die von Stufe 0 (manuell) bis Stufe 4 (selbstoptimierend) reichen, passen in dieses Modell und ermöglichen es Herstellern, sowohl ihre aktuelle Position auf dem Weg zu einer besseren Produktion als auch ihre Ziele zu verstehen. Aus praktischer Sicht wird die Pyramide der Stufen von unten aufgebaut, wo verschiedene Maschinentypen platziert sind, gefolgt von verschiedenen Steuerungssystemen einschließlich SPS und SCADA-Systemen, dann dem MES und schließlich dem ERP-System als letzte Stufe. Es ist nicht möglich, einfach eine Maschine zu kaufen, um Stufe 4 zu erreichen. Es ist notwendig, alle Phasen ohne Missverständnisse zwischen den Ebenen der Automatisierungsarchitektur zu durchlaufen, was die Notwendigkeit für einen Hersteller bedeutet, mindestens mit einem automatisierten Prozess zu beginnen. Zum Beispiel können Hersteller in dieser Anfangsphase mit der Automatisierung eines qualitätskritischen Prozesses wie Kalibrierung oder Prüfung beginnen. Das Prinzip, das Benlong Automation in allen seinen Fertigungsprozessen umsetzt, ist, dass alle Geräte einschließlich SPS-Geräte, HMIs und Kommunikationssysteme kompatibel sein und zusammenarbeiten sollten, um den Herstellern die Implementierung eines vollständig automatisierten Produktionssystems zu ermöglichen.
Häufig gestellte Fragen
Was ist ein hohes Automatisierungsniveau?
Der höchste Automatisierungsgrad in der Fertigung zeigt sich in der integrierten, datenorientierten und selbstoptimierenden Fabrik, bekannt als Industry 4.0 oder Lights-Out Manufacturing. Diese Automatisierung hat Produktionsprozesse vollständig automatisiert, wobei die Daten vertikal vom Sensor ins ERP und horizontal zwischen den Prozessschritten fließen. IT-gestützte Analysen ermöglichen die Vorhersage von Ausfällen und die Durchführung routinemäßiger Aufgaben ohne menschliches Eingreifen. Die Rolle des Menschen ist jedoch strategisch, das heißt, sie umfasst das Handling von Ausnahmen, die Verbesserung des Systems und das Treffen von Entscheidungen, die nicht in den Kompetenzbereich des automatisierten Systems fallen.
Was sind die Automatisierungsstufen?
Automatisierungsstufen in der Fertigung werden als eine Abfolge von fünf Stufen betrachtet: Stufe 0 (manuelle Bedienung), Stufe 1 (halbautomatisierte Zellen – Prozess wird mit Hilfe der Maschine durchgeführt, aber mit manueller Materialhandhabung), Stufe 2 (vollautomatisierte Linie – Prozess und Materialhandhabung werden von der Maschine durchgeführt und sind für ein Produkt ausgelegt), Stufe 3 (integrierte und flexible Automatisierung – mehrere Linien sind durch ein System zur Produktionsüberwachung und automatisierte Materialhandhabung vernetzt), Stufe 4 (selbstoptimierende und selbstverwaltende Automatisierung – die gesamte Fabrik ist integriert, intelligent und nahezu selbstregulierend).
Was ist Automatisierungsstufe 4?
Automatisierungsstufe 4 umfasst die vollständigste Form der Automatisierung, eine vorausschauende und selbstoptimierende Fabrik. Alle Materialhandhabungs- und Produktionsprozesse sind physisch automatisiert; Daten sind vollständig vertikal und horizontal integriert – von den Sensoren bis zum ERP – von den Lieferanten bis zu den Kunden; KI-basierte Algorithmen werden in der vorausschauenden Wartung und der geschlossenen Prozesssteuerung eingesetzt. Die Folge ist eine Fabrik, die ohne menschliches Eingreifen betrieben werden kann, wobei der Mensch nur in strategischer Aufsicht, Problemlösung und kontinuierlichen Verbesserungen tätig ist.
Was ist Automatisierungsstufe 3?
Automatisierungsstufe 3 bezieht sich auf die vernetzte Fabrik, die sowohl intelligent als auch flexibel ist. In dieser Art von Fabrik werden verschiedene Automatisierungslinien durch ein zentrales Manufacturing Execution System (MES) verbunden, das Produktionsaufträge ausführt, die Arbeit überwacht und Qualitätsinformationen jedes produzierten Artikels erfasst. Diese Linien können durch Änderung des Rezeptes auf jede Produktvariante umgestellt werden. Die automatische Materialhandhabung wird mit Hilfe von fahrerlosen Transportsystemen (AGV), autonomen mobilen Robotern (AMR) oder automatischer Lagerung von Materialien in der Fabrik umgesetzt. Der vollständig integrierte Arbeitsablauf ermöglicht die Erfassung von Daten auf allen Ebenen vom Sensor über das MES bis zum ERP-System. Automatisierungsstufe 3 wird typischerweise in den Bereichen Automobil, Medizintechnik und Energieerzeugung eingesetzt.
Referenzen
- acatech — Industrie 4.0 Reifegradindex. Der Rahmen der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften zur Bewertung und Weiterentwicklung des Automatisierungs- und Digitalisierungsgrades eines Herstellers.
- McKinsey & Company – Digitale Fertigung und Industrie 4.0. Forschung zu Produktivitäts- und Qualitätsauswirkungen der vertikalen und horizontalen Datenintegration sowie zur Kapitalrendite der Industrie 4.0-Technologien, die die höchsten Automatisierungsstufen kennzeichnen.
- International Federation of Robotics (IFR) – World Robotics Report. Jährliche Daten zu Roboterinstallationen nach Branchen und Ländern, einschließlich der Akzeptanzraten der flexiblen und integrierten Automatisierung, die die oberen Ebenen der Automatisierungspyramide ausmachen.
- International Society of Automation (ISA) — ISA‑95 Standard für die Integration von Unternehmens- und Steuerungssystemen. Der internationale Standard, der die Architektur und die Datenmodelle für die vertikale Integration zwischen der Werksebene und den Geschäftssystemen definiert – die Architektur, die die höchste Automatisierungsstufe erfordert.
Der Höhepunkt der Automatisierung findet in der Fabrik statt, in der die Maschinen, die Anwendungen, die Daten und die Prozesse nicht nur miteinander verbunden, sondern vollständig integriert sind, wo die Kundenbestellung mühelos zwischen dem ERP, dem MES und dem Produktionsprozess bewegt wird, wobei jede qualitätsbezogene Daten jedes Artikels mit seiner Seriennummer verknüpft ist und jederzeit während des gesamten Lebenszyklus des Artikels verwendet werden kann, und wo Abweichungen erkannt, bestimmt und korrigiert werden können, bevor ein menschlicher Bediener versteht, dass sich etwas geändert hat.
