Automatisierung

Mindestens menschlicher Eingriff ist erforderlich, um viele große Einrichtungen wie diese elektrische Erzeugungstation zu kontrollieren.

Automatisierung Beschreibt eine breite Palette von Technologien, die die menschlichen Intervention in Prozessen verringern. Die menschliche Intervention wird durch vorbestimmende Entscheidungskriterien, Subprozessbeziehungen und verwandte Handlungen reduziert - und die Verkörperung dieser Vorbestimmungen in Maschinen.[1]

Automatisierung,[2] beinhaltet die Verwendung verschiedener Geräte und Kontroll systeme wie zum Beispiel Maschinen, Prozesse in Fabriken, Kessel,[3] und Hitzebehandlung Öfen, anschalten Telefonnetzwerke, Lenkungund Stabilisierung von Schiffen, Flugzeugund andere Anwendungen und Fahrzeuge mit verringerter menschlicher Intervention.[4]

Automatisierung deckt Anwendungen ab, die von einem Haushalt reichen Thermostat Steuerung eines Kessels zu einem großen industriellen Steuerungssystem mit Zehntausenden von Eingangsmessungen und Ausgangsregelsignalen. Die Automatisierung hat auch Platz im Bankensektor gefunden. In der Kontrollkomplexität kann es von einer einfachen Ein-Aus-Steuerung bis hin zu multi-variablen hochrangigen Algorithmen reichen.

In der einfachsten Art einer Automatik KontrollschleifeEin Controller vergleicht einen gemessenen Wert eines Prozesses mit einem gewünschten Satzwert und verarbeitet das resultierende Fehlersignal, um einige Eingaben in den Prozess zu ändern, so dass der Prozess trotz Störungen an seinem Sollwert bleibt. Diese Kontrolle mit geschlossenem Loop ist eine Anwendung negativer Feedback an ein System. Die mathematische Grundlage von Kontrolltheorie wurde im 18. Jahrhundert begonnen und im 20. rapide vorrückte.

Die Automatisierung wurde auf verschiedene Weise erreicht, einschließlich mechanisch, hydraulisch, pneumatisch, elektrisch, elektronische Geräte, und Computers, normalerweise in Kombination. Komplizierte Systeme wie moderne Fabriken, Flugzeugeund Schiffe verwenden normalerweise alle diese kombinierten Techniken. Der Vorteil der Automatisierung umfasst Arbeitseinsparungen, Verringerung von Abfällen, Einsparungen in Stromkosten, Einsparungen der Materialkosten und Verbesserungen an Qualität, Genauigkeit und Präzision.

Das Weltbank's Weltentwicklungsbericht 2019 zeigt Hinweise darauf, dass die neuen Industrien und Arbeitsplätze im Technologiesektor die wirtschaftlichen Auswirkungen von Arbeitnehmern überwiegen, die durch Automatisierung vertrieben werden.[5]

Arbeitsplatzverluste und Abwärtsmobilität Die verantwortliche Automatisierung wurde als einer von vielen Faktoren bei der Wiederaufnahme von angeführt Nationalist, Protektionist und Populist Politik in den USA, Großbritannien und Frankreich unter anderen Ländern seit den 2010er Jahren.[6][7][8][9][10]

Der Begriff Automatisierung, inspiriert vom früheren Wort automatisch (kommen von Automat), wurde vor 1947 nicht weit verbreitet, als Ford eine Automatisierungsabteilung gründete.[2] In dieser Zeit nahm die Industrie rasant an Feedback -Controller, die in den 1930er Jahren eingeführt wurden.[11]

Open-Loop- und Closed-Loop-Steuerung (Feedback)

Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Kontrollschleifen: Open-Loop-Kontrolle, und Kontrolle mit geschlossener Schleife.

Bei der Steuerung der Open-Loop-Steuerung ist die Steueraktion des Controllers unabhängig von der "Prozessausgabe" (oder "kontrollierten Prozessvariablen"). Ein gutes Beispiel hierfür ist ein Zentralheizkessel, der nur von einem Timer gesteuert wird, sodass Wärme unabhängig von der Temperatur des Gebäudes für eine konstante Zeit aufgetragen wird. (Die Steueraktion schaltet den Kessel aus und eins. Der Prozessausgang baut Temperatur auf.)

Bei der Steuerung mit geschlossenem Schleifen hängt die Steueraktion des Controllers von der Prozessausgabe ab. Im Falle der Kesselanalogie würde dies einen Temperatursensor zur Überwachung der Gebäudetemperatur umfassen und dadurch ein Signal an den Controller zurückgeben, um sicherzustellen Thermostat. Ein Controller mit geschlossenem Loop verfügt daher über eine Rückkopplungsschleife, mit der sichergestellt wird, dass der Controller eine Steueraktion ausübt, um eine Prozessausgabe zu ergeben, die dem "Referenzeingang" oder "Sollwert" entspricht. Aus diesem Grund wird auch die Kontrolle über geschlossene Schleife als Feedback-Steuerung bezeichnet.[12]

Die Definition eines Kontrollsystems mit geschlossenem Loop gemäß der britischen Standardeinrichtung ist 'ein Steuerungssystem mit Überwachungsfeedback. Um die Abweichung auf Null zu reduzieren. '[13]

Ebenso a Feedback -Steuerungssystem ist ein System, das dazu neigt, eine vorgeschriebene Beziehung einer Systemvariablen zu einer anderen aufrechtzuerhalten, indem sie Funktionen dieser Variablen vergleichen und den Unterschied als Kontrollmittel verwenden.[13] Die fortgeschrittene Art der Automatisierung, die die Feedback -Steuerung in der Regel die Feedback -Kontrolle revolutioniert hat, ist die Feedback -Kontrolle kontinuierlich und beinhaltet Messungen mit a Sensor und berechnete Anpassungen vornehmen, um die gemessene Variable innerhalb eines festgelegten Bereichs zu halten.[11][14] Die theoretische Basis der Automatisierung mit geschlossener Schleife ist Kontrolltheorie.

Kontrollmaßnahmen

Diskrete Kontrolle (Ein/Aus)

Eine der einfachsten Arten der Kontrolle ist an aus Kontrolle. Ein Beispiel ist ein Thermostat, das für Haushaltsgeräte verwendet wird, die einen elektrischen Kontakt öffnen oder schließen. (Thermostate wurden ursprünglich eher als echte Feedback-Kontroll-Mechanismen als als ein ON-Off-Thermostat der Haushaltsgeräte entwickelt.)

Sequenzkontrolle, bei der eine programmierte Sequenz von diskret Operationen werden durchgeführt, häufig basierend auf Systemlogik, die Systemzustände betrifft. Ein Aufzugskontrollsystem ist ein Beispiel für die Sequenzsteuerung.

PID -Controller

A Blockdiagramm eines PID -Controllers in einer Rückkopplungsschleife, R (t) ist der gewünschte Prozesswert oder "Sollwert" und y ((t) ist der gemessene Prozesswert.

Ein proportional -integral -derivativer Controller (PID -Controller) ist a Kontrollschleife Rückkopplungsmechanismus (Regler) weit verbreitet in Industrial Control Systems.

In einer PID -Schleife berechnet der Controller kontinuierlich eine Fehlerwert als Unterschied zwischen einem gewünschten Sollwert und eine gemessene Prozessvariable und wendet eine Korrektur an, die auf basiert proportional, Integral-, und Derivat Begriffe (manchmal bezeichnet P, I, und D) die ihren Namen dem Controller -Typ geben.

Das theoretische Verständnis und das Anwendungsdatum aus den 1920er Jahren und sie werden in nahezu allen analogen Steuerungssystemen implementiert. Ursprünglich in mechanischen Controllern und dann diskrete Elektronik und zuletzt in industriellen Prozesscomputern.

Sequentielle Steuerung und logische Sequenz- oder Systemzustandskontrolle

Die sequentielle Steuerung kann entweder zu einer festen Sequenz oder einer logischen Ausführung von unterschiedlichem Systemzustand sein. Ein Beispiel für eine einstellbare, aber ansonsten feste Sequenz ist ein Timer auf einem Rasensprinkler.

Zustände beziehen sich auf die verschiedenen Bedingungen, die in einem Verwendung oder Sequenzszenario des Systems auftreten können. Ein Beispiel ist ein Aufzug, der Logik verwendet, der auf dem Systemstatus basiert, um bestimmte Aktionen als Reaktion auf die Eingabe des Zustands und des Bedieners auszuführen. Wenn der Bediener beispielsweise die Taste des Bodens n drückt, reagiert das System je nach gestoppt oder bewegt, nach oben oder unten oder, ob die Tür geöffnet oder geschlossen ist, und andere Bedingungen.[15]

Frühe Entwicklung der sequentiellen Kontrolle war Relaislogik, durch welches elektrische Relais Geben Sie elektrische Kontakte ein, die die Stromversorgung entweder starten oder unterbrechen. Relais wurden erstmals in Telegraphennetzwerken verwendet, bevor sie zur Kontrolle anderer Geräte entwickelt wurden, z. Magnetventile. Die Verwendung von Relais für Kontrollzwecke ermöglichte eine ereignisorientierte Steuerung, wobei Aktionen als Reaktion auf externe Ereignisse aus der Sequenz ausgelöst werden konnten. Diese waren in ihrer Reaktion flexibler als die starre Single-Sequenz Cam -Timer. Kompliziertere Beispiele bestand darin, sichere Sequenzen für Geräte wie Schwangerbrückensteuerungen aufrechtzuerhalten, bei denen ein Schlossschraube ausgelöst werden musste, bevor die Brücke bewegt werden konnte, und der Schließschrauben erst freigegeben werden konnte, bis die Sicherheitsstätten bereits geschlossen waren.

Die Gesamtzahl der Relais und Cam -Timer kann in einigen Fabriken zu Hunderten oder sogar Tausenden zählen. Frühzeitig Programmierung Techniken und Sprachen waren erforderlich, um solche Systeme überschaubar zu machen, eines der ersten Wesen Leiterlogik, wo Diagramme der miteinander verbundenen Relais den Sprossen einer Leiter ähnelten. Spezielle Computer genannt Programmierbare Logikkontroller wurden später so konzipiert, dass diese Hardwaresammlungen durch ein einzelnes, leichter neu programmiertes Gerät ersetzt wurden.

In einem typischen, fest verdrahteten Motorstart- und Stoppschaltungskreis (genannt a Steuerkreis) Ein Motor wird mit dem Drücken einer "Start" oder "Auslauf" -Taste gestartet, die ein Paar elektrischer Relais aktiviert. Das "Lock-In" -Relais sperrt Kontakte ein, die den Steuerkreis mit Strom versorgen, wenn der Druckknopf freigesetzt wird. (Der Startknopf ist ein normalerweise geöffneter Kontakt und die Stopptaste ist normalerweise geschlossener Kontakt.) Ein weiterer Relais energetisiert einen Schalter, der das Gerät mit Strom versorgt, das den Motorstarterschalter (drei Sätze von Kontakten für dreiphasige Industrieleistung) in die Hauptleistung wirft Schaltkreis. Große Motoren verwenden hohe Spannung und erleben einen hohen Rush-Strom, was die Geschwindigkeit für den Kontakt und das Brechen von Kontakten wichtig macht. Dies kann für Personal und Eigenschaft mit manuellen Schalter gefährlich sein. Die "Sperren" -Kontakte in der Startschaltung und die Hauptstromkontakte für den Motor werden von ihren jeweiligen Elektromagneten beauftragt, bis ein "Stopp" oder "Aus" -Taste gedrückt wird, der die Sperre in Relais entleert.[16]

Dieses Zustandsdiagramm zeigt, wie Uml Kann zum Entwerfen eines Türsystems verwendet werden, das nur geöffnet und geschlossen werden kann.

Häufig Verriegelungen werden zu einem Steuerkreis hinzugefügt. Nehmen wir an, dass der Motor im Beispiel Maschinerie betreibt, der einen kritischen Schmiermittelbedarf hat. In diesem Fall könnte eine Verriegelung hinzugefügt werden, um sicherzustellen, dass die Ölpumpe vor dem Start des Motors läuft. Timer, Begrenzungsschalter und elektrische Augen sind andere häufige Elemente in Kontrollschaltungen.

Magnetventile sind weit verbreitet auf Pressluft oder Hydraulikflüssigkeit zum Antrieb Aktuatoren an mechanisch Komponenten. Während Motoren werden verwendet, um kontinuierlich zu liefern Drehbewegung, Aktuatoren sind in der Regel eine bessere Wahl, um zeitweise einen begrenzten Bewegungsbereich für eine mechanische Komponente zu schaffen, z. B. das Bewegen verschiedener mechanischer Arme, Öffnen oder Schließen Ventileschwere Presseinrollen erhöhen, Druck auf Pressen ausüben.

Computersteuerung

Computer können sowohl eine sequentielle Steuerung als auch die Rückkopplungssteuerung durchführen, und in der Regel wird ein einzelner Computer in einer industriellen Anwendung durchgeführt. Programmierbare Logikkontroller (SPS) sind eine Art Spezialzweck Mikroprozessor Das ersetzte viele Hardwarekomponenten wie Timer und Drum -Sequenzer, die in verwendet wurden Relaislogik Typsysteme. Allgemeine Prozesskontrollcomputer haben zunehmend eigenständige Controller ersetzt, wobei ein einziger Computer die Operationen von Hunderten von Controllern ausführen kann. Prozesssteuerungscomputer können Daten aus einem Netzwerk von SPS, Instrumenten und Controllern verarbeiten, um eine typische (z. B. PID-) Steuerung vieler einzelner Variablen oder in einigen Fällen zur Implementierung einer komplexen Steuerung zu implementieren Algorithmen Verwendung mehrerer Eingaben und mathematischer Manipulationen. Sie können auch Daten analysieren und grafische Echtzeit-Displays für Betreiber erstellen und Berichte für Betreiber, Ingenieure und Management ausführen.

Kontrolle von an Geldautomat (ATM) ist ein Beispiel für einen interaktiven Prozess, bei dem ein Computer eine logisch abgeleitete Antwort auf eine Benutzerauswahl basierend auf Informationen aus einer vernetzten Datenbank ausführt. Der ATM -Prozess hat Ähnlichkeiten mit anderen Online -Transaktionsprozessen. Die verschiedenen logischen Antworten werden aufgerufen Szenarien. Solche Prozesse sind typischerweise mit Hilfe von entworfen Anwendungsfälle und Flussdiagramme, die das Schreiben des Softwarecodes leiten. Der früheste Rückkopplungssteuermechanismus war die Wasseruhr, die vom griechischen Ingenieur Ctesibius (285–222 v. Chr.) Erfunden wurde.

Geschichte

Frühe Geschichte

Ctesibius 'Clepsydra (3. Jahrhundert v. Chr.)

Es war eine Beschäftigung der Griechen und Araber (im Zeitraum zwischen ca. 300 v. Chr. Und ungefähr 1200 n. Chr.), Um die Zeit genau zu verfolgen. Im Ptolemäisches Ägypten, ca. 270 v. Chr., Ctesibius beschrieb einen Float -Regler für a Wasseruhr, ein Gerät, das dem Ball und Schwanz in einer modernen Flush -Toilette nicht unähnlich ist. Dies war der früheste feedback kontrollierte Mechanismus.[17] Das Erscheinungsbild der mechanischen Uhr im 14. Jahrhundert machte die Wasseruhr und das Rückkopplungssteuersystem veraltet.

Das persisch Banū Mūsā Brüder in ihren Buch mit genialen Geräten (850 n. Chr.) Bezeichnete eine Reihe automatischer Steuerelemente.[18] Zwei-Schritte-Ebenenkontrollen für Flüssigkeiten, eine Form diskontinuierlicher Variable Strukturkontrollenwurde von den Banu Musa Brothers entwickelt.[19] Sie beschrieben auch a Feedback Controller.[20][21] Die Gestaltung von Feedback-Steuerungssystemen durch die industrielle Revolution erfolgte zusammen mit viel technischer Intuition. So war es eher eine Kunst als eine Wissenschaft. Erst Mitte des 19. Jahrhunderts wurde die Stabilität von Feedback-Steuerungssystemen mithilfe der Mathematik, der formalen Sprache der automatischen Kontrolltheorie, analysiert.

Das Zentrifugalgouverneur wurde erfunden von Christiaan Huygens im 17. Jahrhundert und verwendet, um die Lücke zwischen anzupassen Mühlsteine.[22][23][24]

Industrielle Revolution in Westeuropa

Dampfmaschinen Förderung der Automatisierung durch die Notwendigkeit, die Motordrehzahl und -leistung zu steuern.

Die Einführung von erstaunliche Umzugsunternehmen, oder selbstgetriebene Maschinen fortgeschrittene Getreidemühle, Öfen, Kessel und die Dampfmaschine erstellte eine neue Anforderung für automatische Steuerungssysteme einschließlich Temperaturregulierungsbehörden (1624 erfunden; siehe Cornelius Drebbel), Druckregulierungsbehörden (1681), Float -Regulatoren (1700) und Geschwindigkeitskontrolle Geräte. Ein weiterer Kontrollmechanismus wurde verwendet, um die Segel der Windmühlen zu zelten. Es wurde 1745 von Edmund Lee patentiert.[25] Auch im Jahr 1745, Jacques de Vaucanson erfand das erste automatisierte Webstuhl. Um 1800, Joseph Marie Jacquard erstellt ein Punch-Card-System Programme programmieren.[26]

1771 Richard Arkwright erfand die erste vollständig automatisierte Spinnmühle, die von der Wasserleistung angetrieben wurde, die damals als die als die bekannt ist Wasserrahmen.[27] Eine automatische Mehlmühle wurde von entwickelt von Oliver Evans 1785 ist es zum ersten vollständig automatisierten Industrieprozess.[28][29]

A Flyball Gouverneur ist ein frühes Beispiel für ein Feedback -Steuerungssystem. Eine Geschwindigkeitssteigerung würde dazu führen, dass sich die Gegengewichte nach außen bewegen und eine Verknüpfung schieben, die dazu neigte, das Ventil zu schließen, das Dampf lieferte, und so den Motor verlangsamte.

Ein zentrifugaler Gouverneur wurde 1784 von einer Herrn England als Teil eines Modells verwendet Dampfkran.[30][31] Der Zentrifugalgouverneur wurde von verabschiedet von verabschiedet James Watt zum Einsatz bei einem Dampfmaschine im Jahr 1788, nachdem Watts Partner Boulton einen in einer Mehlmühle gesehen hatte Boulton & Watt bauten.[25] Der Gouverneur konnte eine festgelegte Geschwindigkeit nicht halten; Der Motor würde eine neue konstante Geschwindigkeit als Reaktion auf Laständerungen annehmen. Der Gouverneur war in der Lage, kleinere Variationen zu bewältigen, wie sie durch schwankende Wärmebelastung am Kessel verursacht wurden. Außerdem gab es eine Neigung zur Schwingung, wenn sich eine Geschwindigkeitsänderung gab. Infolgedessen waren Motoren, die mit diesem Gouverneur ausgestattet sind, nicht für Operationen geeignet, die eine konstante Geschwindigkeit erfordern, wie z. B. Baumwoll -Spinnen.[25]

Mehrere Verbesserungen des Gouverneurs sowie Verbesserungen des Ventilabschnitts für die Dampfmaschine machten den Motor vor Ende des 19. Jahrhunderts für die meisten industriellen Zwecke geeignet. Die Fortschritte in der Dampfmaschine blieben der Wissenschaft, sowohl die Thermodynamik als auch die Kontrolle der Theorie.[25] Der Gouverneur erhielt relativ wenig wissenschaftliche Aufmerksamkeit, bis James Clerk Maxwell veröffentlichte ein Papier, in dem der Beginn einer theoretischen Grundlage für das Verständnis der Kontrollestheorie festgestellt wurde.

20. Jahrhundert

Relaislogik wurde mit Fabrik eingeführt Elektrifizierung, die von 1900 bis in die 1920er Jahre eine schnelle Adaption unterzogen wurde. Auch zentrale elektrische Stromstationen wurden schnelles Wachstum unterzogen und der Betrieb neuer Hochdruckkessel, Dampfturbinen und elektrische Umspannwerke führte zu einem großen Nachfrage nach Instrumenten und Kontrollen. In den 1920er Jahren wurden die zentralen Kontrollräume üblich, aber erst in den frühen 1930er Jahren waren die meisten Prozesskontrollen eingeschaltet. Die Betreiber überwachten typischerweise Diagramme, die von Rekordern gezeichnet wurden, die Daten aus Instrumenten aufzeichneten. Um Korrekturen vorzunehmen, öffneten die Bediener manuell oder geschlossene Ventile oder schalten Schalter ein oder aus. Kontrollräume verwendeten auch farbcodierte Lichter, um Signale an Arbeiter in der Anlage zu senden, um bestimmte Änderungen manuell vorzunehmen.[32]

Die Entwicklung des elektronischen Verstärkers in den 1920er Jahren, was für eine Fernie von Fernstöcken wichtig war, erforderte ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis, das durch negative Rückkopplungsrauschunterdrückung gelöst wurde. Diese und andere Telefonie -Anwendungen haben zur Kontrolle der Kontrolle beigetragen. In den 1940er und 1950er Jahren deutscher Mathematiker Irmgard Flügge-lotz entwickelte die Theorie diskontinuierlicher automatischer Kontrollen, die militärische Anwendungen während des Zweiter Weltkrieg zu Brandsteuerungssysteme und Flugzeug Navigationssysteme.[11]

In den 1930er Jahren wurden Controller, die berechnete Änderungen als Reaktion auf Abweichungen von einem Sollwert und nicht der Ein-Aus-Kontrolle vornehmen konnten. Controllern ermöglichten es, die Produktivitätsgewinne weiter zu zeigen, um den rückläufigen Einfluss der Fabrikelektrifizierung auszugleichen.[33]

Die Fabrikproduktivität wurde in den 1920er Jahren durch die Elektrifizierung erheblich erhöht. Das Wachstum der US -amerikanischen Herstellungsproduktivität ging von 5,2%/Jahr 1919–29 auf 2,76%/Jahr 1929–41 zurück. Alexander Field stellt fest, dass die Ausgaben für nicht medizinische Instrumente von 1929 bis 1933 signifikant zunahmen und danach stark blieben.[33]

Der erste und zweite Weltkriegen verzeichnete im Bereich von großen Fortschritten auf dem Gebiet von Massenkommunikation und Signalverarbeitung. Weitere wichtige Fortschritte bei automatischen Steuerelementen sind Differentialgleichung, Stabilitätstheorie und Systemtheorie (1938), Frequenzdomänenanalyse (1940), Schiffskontrolle (1950) und Stochastische Analyse (1941).

Ab 1958 verschiedene Systeme basieren auf fester Zustand[34][35] Digitale Logik Module für hart verdrahtete programmierte Logikcontroller (die Vorgänger von Programmierbare Logikkontroller (SPS)) entstanden, um die elektromechanische Relaislogik in zu ersetzen Industrial Control Systems zum Prozesssteuerung und Automatisierung, einschließlich früh Telefunkeln/AEG Logistat, Siemens Simatisch, Philips/Mullard/Valvo[DE] Norbit, BBC Sigmatronic, ACEC Logacec, Akkord[DE] Estacord, Krone Mibakron, Bistat, Datapac, Norlog, SSR oder Procontic Systems.[34][36][37][38][39][40]

1959 Texaco's Port Arthur Raffinerie wurde die erste chemische Pflanze, die verwendet wurde Digitale Kontrolle.[41] Die Umwandlung von Fabriken in die digitale Kontrolle begann sich in den 1970er Jahren als Preis von schnell auszubreiten Computerhardware fiel.

Bedeutende Anwendungen

Die Automatik Telefonzentrale wurde 1892 zusammen mit Zifferblatttelefonen eingeführt. Bis 1929 waren 31,9% des Glockensystems automatisch.[42]: 158 Automatische Telefonumschaltung ursprünglich verwendete Vakuumrohrverstärker und elektromechanische Schalter, die eine große Menge Strom verbrauchten. Das Anrufvolumen wuchs schließlich so schnell, dass das Telefonsystem alle Stromerzeugung konsumieren würde Bell Labs Um mit der Forschung über die zu beginnen Transistor.[43]

Die Logik, die von Telefonverleitungsrelais durchgeführt wurde, war die Inspiration für den digitalen Computer. Die erste kommerziell erfolgreiche Glasflaschenblasmaschine war ein automatisches Modell, das 1905 eingeführt wurde.[44] Die Maschine, die von einer zweiköpfigen Besatzung betrieben wird, die 12-Stunden-Schichten arbeitet, könnte in 24 Stunden 17.280 Flaschen produzieren, verglichen mit 2.880 Flaschen, die von einer Besatzung von sechs Männern und Jungen hergestellt wurden, die einen Tag in einem Geschäft arbeiten. Die Kosten für die Herstellung von Flaschen mit Maschine betrugen 10 bis 12 Cent pro Brutto, verglichen mit 1,80 USD pro Brutto durch die manuellen Glasbläser und Helfer.

Sektionale elektrische Laufwerke wurden unter Verwendung der Kontrolltheorie entwickelt. Schnitt elektrische Laufwerke werden in verschiedenen Abschnitten einer Maschine verwendet, in denen ein präzises Differential zwischen den Abschnitten aufrechterhalten werden muss. In Stahlrollen verlängert sich das Metall, wenn es durch Rollenpaare fließt, die mit nacheinander schnellerer Geschwindigkeiten laufen müssen. In Papierarbeiten schrumpft das Blatt, wenn es in Gruppen angeordnet ist, die mit einer nacheinander langsameren Geschwindigkeit verlaufen müssen. Die erste Anwendung eines elektrischen Abschnitts fand 1919 auf einer Papiermaschine statt.[45] Eine der wichtigsten Entwicklungen in der Stahlindustrie im 20. Jahrhundert war ein kontinuierliches Weitstreifen, das 1928 von Armco entwickelt wurde.[46]

Automatisierte Pharmakologieproduktion

Vor der Automatisierung wurden viele Chemikalien in Chargen hergestellt. Im Jahr 1930 trat der Gründer von Dow Chemical Co. mit der weit verbreiteten Verwendung von Instrumenten und der aufkommenden Verwendung von Controllern ein kontinuierliche Produktion.[47]

Selbst wirkende Werkzeugmaschinen, die Handlebigkeit verdrängten, damit sie von Jungen betrieben werden konnten, und ungelernte Arbeiter wurden von entwickelt von James Nasmyth In den 1840er Jahren.[48] Werkzeugmaschinen wurden automatisiert mit Numerische Kontrolle (NC) Verwenden Sie in den 1950er Jahren ein geschlagenes Papierband. Dies entwickelte sich bald zu computergestützter numerischer Steuerung (CNC).

Heutzutage wird in praktisch jeder Art von Herstellungs- und Montageprozess umfangreiche Automatisierung praktiziert. Einige der größeren Prozesse umfassen elektrische Stromerzeugung, Ölraffinierung, Chemikalien, Stahlmühlen, Kunststoffe, Zementanlagen, Düngemittelanlagen, Zellstoff- und Papierfabrik Verarbeitung, Konserven und Abfüllung und Herstellung verschiedener Arten von Teilen. Roboter sind besonders nützlich für gefährliche Anwendungen wie Automobilspray -Malerei. Roboter werden auch verwendet, um elektronische Leiterplatten zusammenzustellen. Das Automobilschweißen erfolgt mit Robotern und automatische Schweißer werden in Anwendungen wie Pipelines verwendet.

Raum-/Computeralter

Mit dem Aufkommen des Weltraumalters im Jahr 1957 wandte sich das Design, insbesondere in den Vereinigten Staaten, von den Frequenz-Domänen Domain. In den 1940er und 1950er Jahren deutscher Mathematiker Irmgard flugge-lotz entwickelte die Theorie der diskontinuierlichen automatischen Steuer Hysterese -Steuerungssysteme wie zum Beispiel Navigationssysteme, Feuer-Kontrollsysteme, und Elektronik. Durch Flugge-Lotz und andere sah die moderne Ära Zeit-Domänen-Design für Nichtlineare Systeme (1961), Navigation (1960), optimale Kontrolle und Schätztheorie (1962), Nichtlineare Kontrolltheorie (1969), Digitale Kontrolle und Filtertheorie (1974) und die persönlicher Computer (1983).

Vorteile, Nachteile und Einschränkungen

Der vielleicht am häufigsten zitierte Vorteil der Automatisierung in der Industrie besteht darin, dass sie mit einer schnelleren Produktion und billigeren Arbeitskosten verbunden ist. Ein weiterer Vorteil könnte sein, dass es harte, physische oder monotone Arbeit ersetzt.[49] Zusätzlich sind Aufgaben, die in stattfinden gefährliche Umgebungen oder die ansonsten über menschliche Fähigkeiten hinausgehen, können von Maschinen erfolgen, da Maschinen auch unter extremen Temperaturen oder in atioaktiv oder giftigen Atmosphären arbeiten können. Sie können auch mit einfachen Qualitätsprüfungen gepflegt werden. Zu dieser Zeit können jedoch nicht alle Aufgaben automatisiert werden, und einige Aufgaben sind teurer zu automatisieren als andere. Die anfänglichen Kosten für die Installation der Maschinen in den Werkseinstellungen sind hoch, und das Versäumnis, ein System zu warten, kann zum Verlust des Produkts selbst führen.

Darüber hinaus scheinen einige Studien darauf hinzudeuten, dass die industrielle Automatisierung schwerwiegende Auswirkungen auf die operativen Bedenken hinweisen könnte, einschließlich der Verschiebung der Arbeitnehmer aufgrund des systemischen Beschäftigungsverlusts und der verschärften Umweltschäden. Diese Ergebnisse sind jedoch sowohl verwickelt als auch umstritten und können möglicherweise umgangen werden.[50]

Die Hauptstufe Vorteile der Automatisierung sind:

  • Erhöhter Durchsatz oder Produktivität
  • Verbesserte Qualität
  • Erhöht Vorhersagbarkeit
  • Verbessert Robustheit (Konsistenz), von Prozessen oder Produkten
  • Erhöhte Konsistenz der Ausgabe
  • Reduzierte die direkten Kosten und Ausgaben der menschlichen Arbeitskräfte
  • Reduziert Zykluszeit
  • Erhöhte Genauigkeit
  • Menschen von monoton wiederholten Arbeiten entlasten [51]
  • Erforderliche Arbeiten in der Entwicklung, Bereitstellung, Wartung und Betrieb automatisierter Prozesse - häufig als „Jobs“ strukturiert
  • Erhöhte menschliche Freiheit, andere Dinge zu tun

Die Automatisierung beschreibt in erster Linie Maschinen, die menschliche Wirkung ersetzen, aber auch locker mit Mechanisierung verbunden, Maschinen, die menschliche Arbeit ersetzen. In Verbindung mit Mechanisierung, Erweiterung der menschlichen Fähigkeiten in Bezug auf Größe, Stärke, Geschwindigkeit, Ausdauer, Visualbereich & Schärfe, Hörfrequenz & Präzision, elektromagnetische Erfassung & Effekte usw., Vorteile umfassen:[52]

  • Menschen mit gefährlicher Arbeit erleichtert und belastet Stress und Berufsverletzungen (z. B. weniger angespannte Rücken vom Heben schwerer Objekte)
  • Menschen aus gefährlichen Umgebungen entfernt (z. B. Feuer, Raum, Vulkane, nukleare Einrichtungen, Unterwasser usw.)

Die Hauptstufe Nachteile der Automatisierung sind:

  • Hohe anfängliche Kosten
  • Eine schnellere Produktion ohne menschliche Intervention kann eine schnellere ungeprüfte Produktion von Mängel bedeuten, wenn automatisierte Prozesse defekt sind.
  • Skalierte Kapazitäten können auf skalierte Probleme bedeuten, wenn Systeme versagen-und gefährliche Toxine, Kräfte, Energien usw. mit skalierten Raten freisetzen.
  • Die Anpassungsfähigkeit des Menschen wird von Automatisierungsinitiatoren oft schlecht verstanden. Es ist oft schwierig, jede Kontingenz zu antizipieren und für jede Situation vollständig vorgefertigte automatisierte Antworten zu entwickeln. Die Entdeckungen, die mit der Automatisierung von Prozessen verbunden sind, können unerwartete Iterationen erfordern, um zu lösen, was zu unerwarteten Kosten und Verzögerungen führt.
  • Personen, die das Beschäftigungseinkommen antizipieren, können von anderen, die Automatisierung einsetzen, bei denen kein ähnliches Einkommen verfügbar ist, ernsthaft gestört werden.

Paradox der Automatisierung

Das Paradox Die Automatisierung sagt, dass je effizienter das automatisierte System ist, desto wichtiger der menschliche Beitrag der Betreiber. Menschen sind weniger involviert, aber ihre Beteiligung wird kritischer. Lisanne BainbridgeEin kognitiver Psychologe identifizierte diese Probleme insbesondere in ihrem weit verbreiteten Papier "Ironies of Automation".[53] Wenn ein automatisiertes System einen Fehler aufweist, multipliziert es diesen Fehler, bis es festgelegt oder heruntergefahren ist. Hier kommen menschliche Operatoren ins Spiel.[54] Ein fatales Beispiel dafür war Air France Flug 447, wo ein Automatisierungsversagen die Piloten in eine manuelle Situation versetzte, auf die sie nicht vorbereitet waren.[55]

Einschränkungen

  • Die aktuelle Technologie kann nicht alle gewünschten Aufgaben automatisieren.
  • Viele Operationen mit Automatisierung haben große Mengen an investiertem Kapital und produzieren hohe Produktvolumina, was Fehlfunktionen äußerst kostspielig und potenziell gefährlich macht. Daher wird ein Personal benötigt, um sicherzustellen, dass das gesamte System ordnungsgemäß funktioniert und die Sicherheit und die Produktqualität beibehalten werden.[56]
  • Wenn ein Prozess zunehmend automatisiert wird, müssen immer weniger Arbeitskräfte gerettet werden oder eine Qualitätsverbesserung erzielt werden. Dies ist ein Beispiel für beide Rückgänge abnehmen und die Logistische Funktion.
  • Da immer mehr Prozesse automatisiert werden, gibt es weniger verbleibende nicht automatische Prozesse. Dies ist ein Beispiel für die Erschöpfung von Chancen. Neue technologische Paradigmen können jedoch neue Grenzen setzen, die die vorherigen Grenzen überschreiten.

Aktuelle Einschränkungen

Viele Rollen für Menschen in Industrieprozessen liegen derzeit über den Umfang der Automatisierung hinaus. Menschenebene Mustererkennung, Sprachverständnisund Sprachproduktionsfähigkeit geht weit über die Fähigkeiten moderner mechanischer und Computersysteme hinaus (siehe aber Watson Computer). Aufgaben, die subjektive Bewertung oder Synthese komplexer sensorischer Daten wie Düfte und Sounds sowie hochrangige Aufgaben wie strategische Planung erfordern, erfordern derzeit menschliches Fachwissen. In vielen Fällen ist der Einsatz des Menschen mehr kosteneffizient als mechanische Ansätze, selbst wenn die Automatisierung von Industrieaufgaben möglich ist. Die Überwindung dieser Hindernisse ist ein theoretisierter Weg zu Post-Scarcity Wirtschaft.

Gesellschaftliche Auswirkungen und Arbeitslosigkeit

Eine erhöhte Automatisierung veranlasst häufig Arbeitnehmer, sich darüber zu beschäftigen, ihre Arbeit zu verlieren, da die Technologie ihre Fähigkeiten macht oder unnötig erlebt. Früh in der Industrielle Revolution, wenn Erfindungen wie die Dampfmaschine machten einige Jobkategorien entbehrlich, die Arbeiter widersetzten sich diesen Änderungen gewaltsam. LudditenZum Beispiel waren Englisch Textilarbeiter wer protestierte gegen die Einführung von Webmaschinen durch Zerstörung.[57] In jüngerer Zeit einige Bewohner von Chandler, Arizonahaben Reifen und Steine ​​geschlitzt haben Fahrerlose Autosaus Protest gegen die wahrgenommene Bedrohung der Autos für die Sicherheit des Menschen und die Berufsaussichten.[58]

Die relative Angst vor Automatisierung, die sich in Meinungsumfragen widerspiegelt, scheint eng mit der Stärke von zu korrelieren organisierte Arbeit in dieser Region oder Nation. Zum Beispiel während eine Studie von der Pew Research Center gab an, dass 72% der Amerikaner besorgt sind, die Automatisierung am Arbeitsplatz zu erhöhen, 80% der Schweden sehen Automatisierung und künstliche Intelligenz Als eine gute Sache, aufgrund der immer noch mächtiger Gewerkschaften des Landes und eines robusteren National Sicherheitsnetz.[59]

In den Vereinigten Staaten können 47% aller aktuellen Arbeitsplätze bis 2033 vollständig automatisiert werden, so die Forschung von Experten Carl Benedikt Frey und Michael Osborne. Darüber hinaus scheinen Löhne und Bildungsniveaus stark negativ mit dem Risiko eines Berufs zu korrelieren, automatisiert zu werden.[60] Sogar hochqualifizierte professionelle Jobs wie a Anwalt, Arzt, Techniker, Journalist sind das Risiko einer Automatisierung.[61]

Die Aussichten sind besonders düster für Berufe, die derzeit keinen Universitätsabschluss erfordern, z. B. LKW -Fahren.[62] Auch in High-Tech-Korridoren wie Silicon ValleyDie Besorgnis verbreitet sich um eine Zukunft, in der ein beträchtlicher Prozentsatz der Erwachsenen wenig Chance hat, eine Anstellung zu erwerben.[63] "Im Das zweite Maschinenalter, Erik Brynjolfsson und Andrew McAfee argumentieren, dass "... es nie einen besseren Zeitpunkt gab, um ein Arbeiter mit besonderen Fähigkeiten oder die richtige Ausbildung zu sein, da diese Menschen Technologie nutzen können, um Wert zu schaffen und zu erfassen. Seien Sie ein Arbeiter mit nur „gewöhnlichen“ Fähigkeiten und Fähigkeiten zu bieten, da Computer, Roboter und andere digitale Technologien diese Fähigkeiten und Fähigkeiten mit außerordentlicher Geschwindigkeit erwerben. "[64] Wie das Beispiel Schwedens jedoch vermuten lässt, muss der Übergang zu einer automatisierteren Zukunft keine Panik inspirieren, wenn ausreichend politischer Wille besteht, die Umschulung von Arbeitnehmern zu fördern, deren Positionen veraltet werden.

Nach einer Studie 2020 in der Journal of Political EconomyDie Automatisierung hat robuste negative Auswirkungen auf Beschäftigung und Löhne: "Ein weiterer Roboter pro tausend Arbeitnehmer reduziert das Verhältnis von Beschäftigung zu Bevölkerung um 0,2 Prozentpunkte und Löhne um 0,42%."[65]

Forschung von Carl Benedikt Frey und Michael Osborne von der Oxford Martin School argumentierte, dass Mitarbeiter "Aufgaben nach genau definierten Verfahren, die leicht durch ausgefeilte Algorithmen ausgeführt werden können", ausgesetzt sind, und 47% der Arbeitsplätze in den USA waren gefährdet. Die Studie, freigelassen als Arbeitspapier Im Jahr 2013 und veröffentlicht im Jahr 2017 prognostizierte die Automatisierung mit niedrig bezahlten physischen Berufen am stärksten gefährdet, indem sie eine Gruppe von Kollegen auf ihre Meinungen befragte.[66] Laut einer Studie, die in veröffentlicht wurde McKinsey Quarterly[67] Im Jahr 2015 ist der Einfluss der Computerisierung in den meisten Fällen nicht der Austausch von Mitarbeitern, sondern die Automatisierung von Teilen der von ihnen ausgeführten Aufgaben.[68] Das Methodik der McKinsey -Studie wurde stark dafür kritisiert, dass sie immaten intransalent ist und sich auf subjektive Bewertungen stützt.[69] Die Methodik von Frey und Osborne wurde Kritik unterzogen, ohne Beweise, historisches Bewusstsein oder glaubwürdige Methodik.[70][71] Zusätzlich OECDstellte fest, dass in den 21 OECD -Ländern 9% der Arbeitsplätze automatisch sind.[72]

Das Obama -Regierung hat darauf hingewiesen, dass alle 3 Monate "etwa 6 Prozent der Arbeitsplätze in der Wirtschaft durch Schrumpfen oder Schließen von Unternehmen zerstört werden, während ein etwas größerer Prozentsatz der Arbeitsplätze hinzugefügt wird".[73] Ein kürzlich MIT -Ökonomie Untersuchung der Automatisierung in den USA von 1990 bis 2007 ergab, dass sich die Beschäftigung und Löhne negativ auswirken können, wenn Roboter in eine Branche eingeführt werden. Wenn ein Roboter pro tausend Arbeitnehmer hinzugefügt wird, sinkt die Beschäftigungsverhältnis zwischen 0,18 und 0,34 Prozent und die Löhne werden um 0,25–0,5 Prozentpunkte verringert. Während des untersuchten Zeitraums hatten die USA nicht viele Roboter in der Wirtschaft, was die Auswirkungen der Automatisierung einschränkt. Es wird jedoch erwartet, dass die Automatisierung eine dreifache (konservative Schätzung) oder Vierfachung (eine großzügige Schätzung) führt, die diese Zahlen wesentlich höher werden.[74]

Basierend auf einer Formel von Gilles Saint-Paulein Ökonom bei Toulouse 1 UniversitätDie Nachfrage nach ungelerntem Humankapital nimmt langsamer ab als die Nachfrage nach qualifiziertem Humankapital.[75] Auf lange Sicht und für die Gesellschaft insgesamt hat es zu billigeren Produkten geführt, Niedrigere Durchschnittsarbeitszeitenund neue Industrien bilden (d. H. Robotikindustrie, Computerindustrie, Designindustrien). Diese neuen Branchen bieten der Wirtschaft viele Arbeitsplätze mit hohem Gehalt. Bis 2030 werden zwischen 3 und 14 Prozent der globalen Belegschaft gezwungen sein, die Jobkategorien zu wechseln, da die Automatisierung die Arbeitsplätze in einem gesamten Sektor beseitigt. Während die Anzahl der für die Automatisierung verlorenen Arbeitsplätze häufig durch Arbeitsplätze aus dem technologischen Fortschritt ausgeglichen wird, ist der gleiche Arbeitsplatzverlust nicht derselbe ersetzt und der dazu führt, dass die Arbeitslosigkeit in der Untermitte-Klasse erhöht wird. Dies geschieht größtenteils in den USA und Industrieländern, in denen technologische Fortschritte zu einer höheren Nachfrage nach hochqualifizierten Arbeitskräften beitragen, aber die Nachfrage nach Mittellohnarbeit weiter sinkt. Wirtschaftswissenschaftler nennen diesen Trend "Einkommenspolarisation", bei dem ungelernte Arbeitslöhne gesenkt und qualifizierte Arbeitskräfte gestiegen sind und voraussichtlich in den Industrieländern fortgesetzt werden.[76]

Die Arbeitslosigkeit wird in den USA aufgrund der exponentiellen Wachstumsrate von Automatisierung und Technologie zu einem Problem. Laut Kim, Kim und Lee (2017: 1) "sagten [A] Die wegweisende Studie von Frey und Osborne im Jahr 2013 prognostizierten, dass 47% der 702 untersuchten Berufe in den USA ein hohes Risiko einer verringerten Beschäftigungsquote innerhalb des nächsten konfrontiert hatten 10–25 Jahre als Ergebnis der Computerisierung. " Da viele Arbeitsplätze veraltet sind, was zu einer Verschiebung von Arbeitsplätzen führt, wäre eine mögliche Lösung, dass die Regierung bei a hilft Universelles Grundeinkommen (UBI) Programm. UBI wäre ein garantiertes, nicht bestapfendes Einkommen von rund 1000 Dollar pro Monat, gezahlt an alle US-amerikanischen Bürger über 21 Jahre. UBI würde denjenigen helfen, die Vertriebene für Arbeitsplätze annehmen, die weniger Geld bezahlen und sich noch leisten, durchzukommen. Es würde auch denjenigen geben, die mit Arbeitsplätzen beschäftigt sind, die wahrscheinlich durch Automatisierung und Technologie zusätzliches Geld ersetzt werden, um für Bildung und Schulung für neue anspruchsvolle Beschäftigungsfähigkeiten auszugeben. UBI sollte jedoch als kurzfristige Lösung angesehen werden, da sie das Problem der Einkommensungleichheit nicht vollständig angeht, die durch Arbeitsplatzverschiebung verschärft wird.

Leuchtenherstellung

Die Light-Out-Herstellung ist ein Produktionssystem ohne menschliche Arbeiter, um Arbeitskosten zu beseitigen.

Die Lichter-Out-Fertigung wurde in den USA immer beliebter, als General Motors 1982 Menschen "Hands-Off" -Fertigung implementierte, um "risikoaverse Bürokratie durch Automatisierung und Roboter zu ersetzen". Die Fabrik erreichte jedoch nie den Status "Lichter".[77]

Die Ausweitung der Lichter -Out -Herstellung erfordert:[78]

  • Zuverlässigkeit der Ausrüstung
  • Langfristige Mechanikerfunktionen
  • Geplante vorbeugende Wartung
  • Engagement des Personals

Gesundheit und Umwelt

Die Kosten für die Automatisierung der Umwelt unterscheiden sich je nach Technologie, Produkt oder Motor, die automatisiert sind. Es gibt automatisierte Motoren, die im Vergleich zu früheren Motoren mehr Energieressourcen von der Erde verbrauchen und umgekehrt. Gefährliche Operationen, wie z. Öl-Raffination, die Herstellung von Industrielle Chemikalienund alle Formen von Metallarbeitwaren immer frühe Konkurrenten für die Automatisierung.[zweifelhaft ]

Die Automatisierung von Fahrzeugen könnte sich als erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt erweisen, obwohl die Art dieser Auswirkungen je nach mehreren Faktoren vorteilhaft oder schädlich sein könnte. Da automatisierte Fahrzeuge Es ist viel weniger wahrscheinlich, dass sie Unfälle im Vergleich zu menschlich gesteuerten Fahrzeugen, einigen Vorsichtsmaßnahmen, die in aktuelle Modelle eingebaut sind (wie z. Antiblockiersystem oder Verbundglas) für selbstfahrende Versionen nicht erforderlich. Das Entfernen dieser Sicherheitsmerkmale würde auch das Gewicht des Fahrzeugs erheblich verringern, wodurch zunimmt Kraftstoffverbrauch und Reduzierung der Emissionen pro Meile. Selbstfahrende Fahrzeuge sind auch in Bezug auf Beschleunigung und Brechen genauer, und dies könnte zu reduzierten Emissionen beitragen. Selbstfahrende Autos können möglicherweise auch Kraftstoff-effizientes Merkmal wie Routenzuordnung verwenden, die die effizientesten Routen berechnen und einnehmen können. Trotz dieses Potenzials zur Reduzierung der Emissionen theoretisieren einige Forscher, dass eine Zunahme der Produktion selbstfahrender Autos zu einem Boom von Fahrzeugbesitz und -nutzung führen könnte. Dieser Boom könnte möglicherweise alle Umweltvorteile selbstfahrender Autos negieren, wenn eine Anzahl von Menschen häufiger anfangen, persönliche Fahrzeuge zu fahren.[79]

Es wird auch angenommen, dass sich die Automatisierung von Häusern und Haushaltsgeräten auf die Umwelt auswirkt, aber auch die Vorteile dieser Funktionen werden in Frage gestellt. Eine Untersuchung des Energieverbrauchs automatisierter Häuser in Finnland zeigte dies Smart Homes könnte den Energieverbrauch verringern, indem Konsumniveaus in verschiedenen Bereichen des Hauses überwacht und der Verbrauch eingestellt wird, um Energielecks zu verringern (z. B. automatisch reduzieren der Verbrauch während der Nacht, wenn die Aktivität niedrig ist). Diese Studie zeigte zusammen mit anderen, dass die Fähigkeit des Smart Home, die Verbrauchsniveaus zu überwachen und anzupassen, den unnötigen Energieverbrauch verringern würde. Neue Untersuchungen deuten jedoch darauf hin, dass Smart Homes möglicherweise nicht so effizient sind wie nicht automatische Häuser. Eine neuere Studie hat gezeigt, dass bei der Überwachung und Anpassung der Verbrauchsniveaus die unnötige Energieversorgung verringert wird. Dieser Prozess erfordert jedoch Überwachungssysteme, die auch eine erhebliche Menge an Energie verbrauchen. Diese Studie legte darauf hin, dass die Energie, die für die Ausführung dieser Systeme erforderlich ist, so stark ist, dass sie die Vorteile der Systeme selbst negiert, was zu einem geringen bis gar nicht ökologischen Nutzen führt.[80]

Canvertibilität und Turnaround -Zeit

Eine weitere größere Verschiebung der Automatisierung ist die erhöhte Nachfrage nach Flexibilität und Konvertierbarkeit in Herstellungsprozess. Die Hersteller fordern zunehmend die Fähigkeit, leicht vom Herstellungsprodukt A zum Herstellungsprodukt B zu wechseln, ohne die vollständig wieder aufbauen zu müssen Fertigungslinien. Flexibilität und verteilte Prozesse haben zur Einführung von geführt Automatisierte Führungsfahrzeuge mit natürlichen Merkmalen Navigation.

Die digitale Elektronik hat auch geholfen. Ehemaliger analogbasiert Instrumentierung wurde durch digitale Äquivalente ersetzt, die genauer und flexibler sein können, und bieten einen größeren Umfang für anspruchsvollere Aufbau, Parametrisierungund Betrieb. Dies wurde von der begleitet Fieldbus Revolution, die ein Netzwerk (d. H. Ein einzelnes Kabel) zur Kommunikation zwischen Kontrollsystemen und Instrumenten auf Feldebene lieferte, wodurch die Festverdrahtung beseitigt wird.

Diskrete Fertigung Pflanzen übernahmen diese Technologien schnell. Die konservativeren Prozessindustrien mit ihren längeren Pflanzenlebenszyklen waren langsamer, und die analoge Messung und Kontrolle dominieren immer noch. Die wachsende Verwendung von Industrie -Ethernet Auf der Fabrik treibt sich diese Trends noch weiter vor und ermöglicht es, die Produktionsstätten bei Bedarf über das Internet enger in das Unternehmen integrieren zu lassen. Der globale Wettbewerb hat auch die Nachfrage nach gesteigert Rekonfigurierbare Fertigungssysteme.

Automatisierungswerkzeuge

Ingenieure können jetzt haben numerische Kontrolle über automatisierte Geräte. Das Ergebnis war ein schnell wachsendes Angebot an Anwendungen und menschlichen Aktivitäten. Computergestützte Technologien (oder CAX) dienen nun als Grundlage für mathematische und organisatorische Instrumente, die zum Erstellen komplexer Systeme verwendet werden. Bemerkenswerte Beispiele für CAX umfassen computergestütztes Design (CAD -Software) und Computergestützte Herstellung (CAM -Software). Die verbesserte Design, Analyse und Herstellung von Produkten, die von CAX ermöglicht werden, war für die Industrie von Vorteil.[81]

Informationstechnologie, zusammen mit industrielle Maschinen und Prozesse, kann bei der Gestaltung, Implementierung und Überwachung von Steuerungssystemen helfen. Ein Beispiel für ein Industriekontrollsystem ist ein Programmierbare Steuerung (Plc). SPS sind spezielle gehärtete Computer, die häufig verwendet werden, um den Fluss von Eingängen von (physikalisch) zu synchronisieren Sensoren und Ereignisse mit dem Ausgangsfluss zu Aktuatoren und Ereignissen.[82]

Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) oder Computer menschliche Schnittstellen (Chi), früher bekannt als Mannschaftsgrenzflächenwerden normalerweise verwendet, um mit SPS und anderen Computern zu kommunizieren. Servicepersonal, das über HMIs überwacht und kontrolliert wird, kann mit unterschiedlichen Namen aufgerufen werden. In den industriellen Prozess- und Fertigungsumgebungen werden sie als Operatoren oder ähnliches bezeichnet. In Kesselhäusern und zentralen Versorgungsabteilungen werden sie gerufen Stationäre Ingenieure.[83]

Es gibt verschiedene Arten von Automatisierungswerkzeugen:

Gastgeber Simulationssoftware (HSS) ist ein häufig verwendetes Testwerkzeug, mit dem die Ausrüstungssoftware getestet wird. HSS wird verwendet, um die Leistung der Geräte in Bezug auf Fabrikautomatisierungsstandards (Zeitüberschreitungen, Reaktionszeit, Verarbeitungszeit) zu testen.[84]

Kognitive Automatisierung

Kognitive Automatisierung als Teilmenge von künstliche Intelligenz, ist eine aufstrebende Gattung der Automatisierung, die durch ermöglicht wurde durch Kognitiver Computing. Das Hauptanliegen ist die Automatisierung von Büroaufgaben und Workflows, die aus Strukturierung bestehen unstrukturierte Daten.[85] Die kognitive Automatisierung beruht auf mehreren Disziplinen: Verarbeitung natürlicher Sprache, Echtzeit-Computing, Algorithmen für maschinelles Lernen, Big Data Analytics, und Evidenzbasiertes Lernen.[86]

Entsprechend DeloitteDie kognitive Automatisierung ermöglicht die Replikation menschlicher Aufgaben und das Urteilsvermögen "mit schneller Geschwindigkeiten und beträchtlicher Skala".[87] Solche Aufgaben umfassen:

Jüngste und aufkommende Anwendungen

Automatisierte Stromerzeugung

Technologien wie Solarplatten, Windräder, und andere erneuerbare Energie Quellen - zeitweise mit Smart Grids, Mikrogitter, Batteriespeicher- Die Stromerzeugung automatisieren.

Einzelhandel

Viele Supermärkte und noch kleinere Geschäfte führen schnell ein Selbstprüfung Systeme reduzieren die Notwendigkeit des Einsatzes von Arbeitnehmern. In den USA beschäftigt die Einzelhandelsbranche ab 2017 15,9 Millionen Mitarbeiter (rund 9 Amerikaner in der Belegschaft). Global könnten schätzungsweise 192 Millionen Arbeitnehmer nach der Automatisierung gemäß den Forschungen von betroffen sein Eurasien -Gruppe.[88]

Eine Limonade Verkaufsautomat In Japan ein Beispiel für den automatisierten Einzelhandel

Online Einkaufen Könnte als Form des automatisierten Einzelhandels angesehen werden, da die Zahlung und Kasse über eine automatisierte erfolgen Online -Transaktionsverarbeitung Das System mit dem Anteil der Online-Rechnungslegung von 5,1% im Jahr 2011 auf 8,3% im Jahr 2016. Zwei Drittel von Büchern, Musik und Filmen werden jetzt online gekauft. Darüber hinaus könnten Automatisierungs- und Online -Einkaufsmöglichkeiten die Anforderungen an Einkaufszentren und Einzelhandelsimmobilien verringern, die in den USA derzeit auf 31% aller gewerblichen Immobilien oder rund 7 Milliarden Quadratmeter (650 Millionen Quadratmeter) ausmachen. Amazonas hat in den letzten Jahren einen Großteil des Wachstums für Online -Einkäufe gewonnen und die Hälfte des Wachstums des Online -Einzelhandels im Jahr 2016 berücksichtigt.[88] Andere Formen der Automatisierung können ebenfalls ein wesentlicher Bestandteil des Online -Einkaufs sein, beispielsweise die Bereitstellung automatisierter Lagerroboter wie die von Amazon angewandte Verwendung Kiva -Systeme.

Essen und Trinken

Kuka Industrieboter in einer Bäckerei zur Lebensmittelproduktion eingesetzt werden

Die Lebensmittelhandel hat begonnen, die Automatisierung auf den Bestellprozess anzuwenden. MC Donalds hat in vielen seiner Restaurants Touchscreen -Bestell- und Zahlungssysteme eingeführt, wodurch so viele Kassierer -Mitarbeiter erforderlich sind.[89] Die Universität von Texas in Austin hat vollständig automatisierte Café -Einzelhandelsstandorte eingeführt.[90] Einige Cafés und Restaurants haben Mobile und Tablet verwendet. "Apps"Um den Bestellprozess effizienter zu gestalten, indem Kunden ihr Gerät bestellen und bezahlen.[91] Einige Restaurants haben eine automatische Lieferung von Lebensmitteln an Tische von Kunden, die a nutzen Förderbandsystem. Die Verwendung von Roboter wird manchmal eingesetzt, um zu ersetzen Kellner.[92]

Konstruktion

Bergbau

Der automatisierte Bergbau beinhaltet die Entfernung menschlicher Arbeitskräfte aus dem Bergbau Prozess.[93] Das Bergbauindustrie befindet sich derzeit im Übergang zur Automatisierung. Derzeit kann es immer noch eine große Menge an benötigen Humankapitalbesonders in der Dritte Welt Wo die Arbeitskosten niedrig sind, gibt es weniger Anreize für die Steigerung der Effizienz durch Automatisierung.

Videoüberwachung

Die Verteidigung Advanced Research Projects Agency (DARPA) begann die Forschung und Entwicklung von automatisiertem visuellem Visual Überwachung und Überwachung (VSAM) -Programm zwischen 1997 und 1999 sowie von 1998 bis 2002. AVS-Programme (Airborne Video Surveillance) Verfolgung der Überwachung System. Automatisierte Videoüberwachung überwacht die Menschen und Fahrzeuge in Echtzeit in einer geschäftigen Umgebung. Bestehende automatisierte Überwachungssysteme basieren auf der Umgebung, die sie hauptsächlich beobachten sollen, d. H. Innenräumen, Außen- oder Luftwaffen, die Anzahl der Sensoren, die das automatisierte System verarbeiten kann, und die Mobilität von Sensoren, d. H. Stationäre Kamera im Vergleich zu mobiler Kamera. Der Zweck eines Überwachungssystems besteht darin, Eigenschaften und Trajektorien von Objekten in einem bestimmten Bereich aufzuzeichnen, Warnungen zu generieren oder die benannten Behörden im Falle eines Auftretens bestimmter Ereignisse zu benachrichtigen.[94]

Autobahnsysteme

Da die Anforderungen an Sicherheit und Mobilität gewachsen sind und die technologischen Möglichkeiten vervielfacht haben, hat sich das Interesse an der Automatisierung gestiegen. Versucht, die Entwicklung und Einführung vollständig automatisierter Fahrzeuge und Autobahnen zu beschleunigen, die Kongress der Vereinigten Staaten autorisierte über sechs Jahre mehr als 650 Millionen US -Dollar für Intelligente Transportsysteme (ITS) und Demonstrationsprojekte im 1991 Intermodaler Oberflächentransport -Effizienzgesetz (IStea). Der Kongress hat in iStea gesetzlich festgelegt:[95]

[Das Verkehrsminister Entwickelt einen automatisierten Autobahn- und Fahrzeugprototyp, aus dem zukünftige, vollständig automatisierte intelligente Fahrzeug-Highway-Systeme entwickelt werden können. Diese Entwicklung muss Forschung in menschlichen Faktoren umfassen, um den Erfolg der Beziehung zwischen Menschen und Maschinen zu gewährleisten. Ziel dieses Programms ist es, bis 1997 die erste vollständig automatisierte Autobahnstraße oder eine automatisierte Teststrecke in Betrieb zu haben. Dieses System muss die Installation von Geräten in neuen und vorhandenen Kraftfahrzeugen berücksichtigen.

Vollständige Automatisierung, die üblicherweise so definiert ist, dass der Fahrer keine Kontrolle oder eine sehr begrenzte Kontrolle erfordert; Eine solche Automatisierung würde durch eine Kombination aus Sensor-, Computer- und Kommunikationssystemen in Fahrzeugen und entlang der Straße durchgeführt. Vollautomatisiertes Fahren würde theoretisch einen engeren Fahrzeugabstand und höhere Geschwindigkeiten ermöglichen, was die Verkehrskapazität an Orten verbessern könnte, an denen zusätzliches Straßengebäude physisch unmöglich, politisch inakzeptabel oder unerschwinglich teuer ist. Automatisierte Bedienelemente können auch die Verkehrssicherheit verbessern, indem die Möglichkeit für den Fahrerfehler verringert wird, was zu einem großen Anteil an Kraftfahrzeugenunfällen führt. Weitere potenzielle Vorteile sind eine verbesserte Luftqualität (aufgrund effizienterer Verkehrsströme), erhöhter Kraftstoffverbrauch und Spin-off-Technologien, die während der Forschung und Entwicklung im Zusammenhang mit automatisierten Autobahnsystemen erzeugt werden.[96]

Abfallbewirtschaftung

Automatisierter Seitenladerbetrieb

Automatisierte Abfälle werden die Notwendigkeit von so vielen Arbeitnehmern verhindern und das für die Erbringung des Dienstes erforderliche Arbeitsniveau erleichtern.[97]

Geschäftsprozess

Business Process Automation (BPA) ist die technologiebelange Automatisierung des Komplexes Geschäftsprozesse.[98] Es kann dazu beitragen, ein Unternehmen für Einfachheit halber zu rationalisieren, zu erreichen Digitale Transformation, Zunahme Servicequalität, Verbesserung der Servicebereitstellung oder Kosten. BPA besteht aus der Integration von Anwendungen, der Umstrukturierung von Arbeitsressourcen und der Verwendung von Softwareanwendungen im gesamten Unternehmen. Roboterprozessautomatisierung (RPA; oder RPAAI für selbst geführte RPA 2.0) ist ein aufstrebendes Feld innerhalb der BPA und verwendet künstliche Intelligenz. BPAs können in einer Reihe von Geschäftsbereichen implementiert werden, einschließlich Marketing, Vertrieb und Workflow.

Heim

Heimautomatisierung (auch genannt Domotik) bezeichnet eine aufstrebende Praxis für eine verstärkte Automatisierung von Haushaltsgeräten und Merkmalen in Wohnhäusern, insbesondere durch elektronische Mittel, die in den letzten Jahrzehnten unpraktikabel, übermäßig teuer oder einfach nicht möglich sind. Der Anstieg der Nutzung von Home Automation Solutions hat sich um die erhöhte Abhängigkeit von Menschen von solchen Automatisierungslösungen widerspiegelt. Der erhöhte Komfort, der durch diese Automatisierungslösungen hinzugefügt wird, ist jedoch bemerkenswert.[99]

Labor

Automated laboratory instrument
Automatisiertes Laborinstrument

Die Automatisierung ist für viele wissenschaftliche und klinische Anwendungen unerlässlich.[100] Daher wurde die Automatisierung in Labors ausführlich eingesetzt. Bereits 1980 haben bereits vollautomatische Labors gearbeitet.[101] Die Automatisierung ist jedoch aufgrund ihrer hohen Kosten in Labors nicht weit verbreitet. Dies kann sich mit der Fähigkeit ändern, kostengünstige Geräte in Standardlaborgeräte zu integrieren.[102][103] Autosampler sind übliche Geräte, die in der Laborautomatisierung verwendet werden.

Logistikautomatisierung

Logistikautomatisierung ist die Anwendung von Computer Software oder automatisierte Maschinen zur Verbesserung der Effizienz von Logistik Operationen. In der Regel bezieht sich dies auf Operationen innerhalb von a Lagerhaus oder Verteilzentrum, mit breiteren Aufgaben von unternommen von Lieferkette Engineering Systeme und Unternehmensressourcenplanung Systeme.

Industrieautomatisierung

Die industrielle Automatisierung befasst sich hauptsächlich mit der Automatisierung von Herstellung, Qualitätskontrolle, und Materialhandhabung Prozesse. Allgemeine Controller für industrielle Prozesse umfassen Programmierbare Logikkontroller, eigenständige E/A-Moduleund Computer. Die industrielle Automatisierung besteht darin, die Aktivitäten für menschliche Handlungen und manuelle Befehlsantwort durch die Verwendung mechanisierter Geräte und logischer Programmierbefehle zu ersetzen. Ein Trend ist eine verstärkte Verwendung von Maschinenaufwand[104] Um automatische Inspektions- und Roboter -Führungsfunktionen bereitzustellen, ist ein weiterer Anstieg des Einsatzes von Robotern. Industrieautomatisierung ist in der Branche einfach erforderlich.

Energieeffizienz in industrieller Prozess hat eine höhere Priorität geworden. Halbleiter Unternehmen mögen Infineon Technologies bieten an 8 Bit Mikrokontroller Anwendungen zum Beispiel in gefunden in Motorkontrollen, allgemeiner Zweck Pumpen, Lüfter und Ebikes reduzieren Energieverbrauch und somit die Effizienz erhöhen.

Industrieautomatisierung und Industrie 4.0

Der Aufstieg der industriellen Automatisierung ist direkt an die "gebunden"Vierte industrielle Revolution”, Was jetzt besser als Industrie 4.0 bekannt ist. Die Industrie 4.0 aus Deutschland umfasst zahlreiche Geräte, Konzepte und Maschinen.[105] sowie der Fortschritt der industrielles Internet der Dinge (IIOT). Ein "Internet der Dinge ist eine nahtlose Integration verschiedener physischer Objekte im Internet durch eine virtuelle Darstellung. "[106] Diese neuen revolutionären Fortschritte haben die Aufmerksamkeit auf die Welt der Automatisierung in einem völlig neuen Licht gelenkt und zeigt, wie sie die Produktivität und Effizienz in Maschinen- und Fertigungseinrichtungen erhöhen. Branche 4.0 arbeitet mit dem IIOT und der Software/Hardware zusammen, um eine Weise zu verbinden, die (durch Kommunikations Technologien) Verbesserungen hinzufügen und die Herstellungsprozesse verbessern. Mit diesen neuen Technologien ist jetzt in der Lage, intelligentere, sicherere und fortschrittlichere Fertigung zu schaffen. Es eröffnet eine Herstellungsplattform, die zuverlässiger, konsistenter und effizienter ist als zuvor. Implementierung von Systemen wie z. Scada ist ein Beispiel für Software, die heute in der industriellen Automatisierung stattfindet. SCADA ist eine Aufsichtsdatenerfassungssoftware, nur eine der vielen in der industriellen Automatisierung verwendeten.[107] Branche 4.0 deckt viele Bereiche im Fertigung erheblich ab und wird dies im Laufe der Zeit auch weiterhin tun.[105]

Industriemannte Robotik

Large automated milling machines inside a big warehouse-style lab room
Automatisierte Fräsmaschinen

Industriemannte Robotik ist eine Unterbranch in der industriellen Automatisierung, die verschiedene Herstellungsprozesse unterstützt. Zu diesen Herstellungsprozessen gehören Bearbeitung, Schweißen, Malerei, Montage und Materialhandhabung, um nur einige zu nennen.[108] Industrie -Roboter verwenden verschiedene mechanische, elektrische und Softwaresysteme, um eine hohe Präzision, Genauigkeit und Geschwindigkeit zu ermöglichen, die jede menschliche Leistung weit übertreffen. Die Geburt von Industrie -Robotern kam kurz nach dem Zweiten Weltkrieg, als die Vereinigten Staaten die Notwendigkeit einer schnelleren Möglichkeit hatten, Industrie- und Konsumgüter zu produzieren.[109] Servos, digitale Logik und Festkörperelektronik ermöglichten es den Ingenieuren, bessere und schnellere Systeme zu bauen, und im Laufe der Zeit wurden diese Systeme bis zu dem Punkt verbessert und überarbeitet, an dem ein einzelner Roboter 24 Stunden am Tag mit wenig oder ohne Wartung laufen kann. Im Jahr 1997 wurden 700.000 Industrie -Roboter verwendet, die Zahl ist 2017 auf 1,8 m gestiegen[110] In den vergangenen Jahren, künstliche Intelligenz (AI) mit Robotik wird auch zum Erstellen einer automatischen Kennzeichnungslösung verwendet, die Roboterarme als automatischer Etikett -Applikator und KI zum Lernen und Erkennen der zu gekennzeichneten Produkte verwendet.[111]

Programmierbare Logikkontroller

Die industrielle Automatisierung enthält programmierbare Logik -Controller in den Herstellungsprozess. Programmierbare Logikkontroller (SPS) Verwenden Sie ein Verarbeitungssystem, das die Variation der Steuerelemente von Eingängen und Ausgängen unter Verwendung einfacher Programmierung ermöglicht. SPS verwenden programmierbarer Speicher, Speichern von Anweisungen und Funktionen wie Logik, Sequenzierung, Timing, Zählen usw. Mit einer logikbasierten Sprache können eine SPS eine Vielzahl von Eingängen empfangen und eine Vielzahl von logischen Ausgängen zurückgeben. Die Eingabegeräte sind Sensoren, die Sensoren sind und Ausgangsgeräte sind Motoren, Ventile usw. SPS ähneln Computern, während Computer jedoch für Berechnungen optimiert werden, sind SPS für Kontrollaufgaben und die Verwendung in industriellen Umgebungen optimiert. Sie sind so gebaut, dass nur grundlegende logikbasierte Programmierkenntnisse benötigt werden und Schwingungen, hohe Temperaturen, Luftfeuchtigkeit und Rauschen umgehen. Das größte Vorteil von PLCs ist ihre Flexibilität. Bei den gleichen grundlegenden Controllern kann ein SPS eine Reihe verschiedener Steuerungssysteme bedienen. SPS machen es unnötig, ein System neu zu verdrahten, um das Steuerungssystem zu ändern. Diese Flexibilität führt zu einem kostengünstigen System für komplexe und unterschiedliche Steuerungssysteme.[112]

SPS können von kleinen "Gebäudeziegel" -Geräten mit zehn E/A in einem Gehäuse integriert sein, die in den Prozessor integriert sind, bis hin zu großen modularen Geräten mit großem Rack mit einer Anzahl von Tausenden von E/A, die häufig mit anderen SPS und anderen SPS vernetzt sind Scada Systeme.

Sie können für mehrere Anordnungen von Digital und Analog konzipiert werden Eingänge und Ausgänge (I/O), verlängerte Temperaturbereiche, Immunität gegen elektrisches Geräuschund Widerstand gegen Vibrationen und Auswirkungen. Programme zur Steuerung des Maschinenbetriebs werden in der Regel in der Batterie gespeichert oder in der Batterie gespeichert oder Nichtflüchtiger Gedächtnis.

Aus der Automobilindustrie in den USA wurde die SPS geboren. Bevor die SPS, die Steuerung, Sequenzierung und Sicherheitsverriegelungslogik für die Herstellung von Automobilen hauptsächlich bestehen Relais, Cam -Timer, Drum Sequencerund dedizierte Controller mit geschlossenem Schleifen. Da diese zu Hunderten oder sogar Tausenden zählen können, wird der Prozess zur Aktualisierung solcher Einrichtungen für das jährliche Modell Umstellung war sehr zeitaufwändig und teuer wie Elektriker erforderlich, um die Relais einzeln zu verdrahten, um ihre Betriebsmerkmale zu ändern.

Als digitale Computer als allgemeine programmierbare Geräte verfügbar wurden, wurden sie bald angewendet, um sequentielle und kombinatorische Logik in industriellen Prozessen zu kontrollieren. Diese frühen Computer benötigten jedoch Spezialprogrammierer und strenge Betriebsumweltkontrolle für Temperatur, Sauberkeit und Stromqualität. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, wurde die SPS mit mehreren Schlüsselattributen entwickelt. Es würde die Umgebung im Ladenbereich tolerieren, diskrete (Bitform-) Eingaben und Ausgaben auf leicht erweiterbare Weise unterstützen, es würde keine jahrelange Schulung erfordern, und es würde es ermöglichen, dass der Betrieb überwacht wird. Da viele industrielle Prozesse Zeiträume leicht von Millisekunden -Reaktionszeiten angesprochen haben, erleichtert moderne (schnelle, kleine, zuverlässige) Elektronik erheblich den Bau zuverlässiger Controller, und die Leistung kann gegen Zuverlässigkeit abgehalten werden.[113]

Agent-unterstützte Automatisierung

Agentenunterstützte Automatisierung bezieht sich auf Automatisierung, die von Call Center-Agenten zur Bearbeitung von Kundenanfragen verwendet werden. Der Hauptvorteil der agentenunterstützten Automatisierung ist die Einhaltung und fehlerhafte Besichtigung. Agenten sind manchmal nicht vollständig ausgebildet oder sie vergessen oder ignorieren dabei wichtige Schritte. Die Verwendung der Automatisierung stellt sicher, dass das, was bei dem Anruf tatsächlich passieren soll, jedes Mal. Es gibt zwei Grundtypen: Desktop -Automatisierung und automatisierte Sprachlösungen.

Desktop -Automatisierung bezieht sich auf Softwareprogrammierung Dies erleichtert es dem Call Center -Agenten, über mehrere Desktop -Tools hinweg zu arbeiten. Die Automatisierung würde die in ein Tool eingegebenen Informationen über die anderen übertragen, sodass sie beispielsweise nicht mehr als einmal eingegeben werden musste.

Automatisierte Sprachlösungen Erlauben Sie den Agenten, in der Leitung zu bleiben, während Offenlegungen und andere wichtige Informationen den Kunden in Form von vorgezeichneten Audiodateien zur Verfügung gestellt werden. Spezielle Anwendungen dieser automatisierten Sprachlösungen ermöglichen es den Agenten, verarbeitet zu werden Kreditkarten ohne das jemals zu sehen oder zu hören Kreditkartennummern oder CVV -Codes.[114]

Siehe auch

Verweise

Zitate

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Quellen

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