Automation Pyramid: Mastering Industrie 4.0

Die Automation Pyramid, als grundlegendes Konzept in der industriellen Automatisierung, bietet eine strukturierte Hierarchie für die Integration von Technologien in Produktionsprozessen. 

Von der Feldebene mit direkter Interaktion zu Sensoren bis hin zur Unternehmensebene für strategische Entscheidungen bildet sie das Rückgrat moderner Fertigungsanlagen. 

In diesem Blogartikel erfahren Sie, wie die verschiedenen Ebenen der Automation Pyramid eingehend aussehen, welche Ziele und Vorteile Sie mit dieser Struktur erreichen können und welche praxisnahen Anwendungen möglich sind.

automation pyramid definition

Automation Pyramid – Definition

Die Automation Pyramid ist ein hierarchisches Modell, das in der industriellen Automatisierung verwendet wird, um verschiedene Ebenen der Steuerung und Überwachung in Produktionsprozessen zu strukturieren. 

Diese Pyramide besteht in der Regel aus vier Hauptebenen:

  1. Feldebene: Hier erfolgt die direkte Interaktion mit den physischen Prozessen durch Sensoren und Aktoren. Diese Ebene ist direkt mit den Maschinen und Anlagen verbunden.
  2. Steuerungsebene: Auf dieser Ebene werden die Daten von der Feldebene verarbeitet, und es werden Entscheidungen zur Steuerung der Prozesse getroffen. Programmable Logic Controllers (PLCs) und andere Steuerungseinheiten sind auf dieser Ebene angesiedelt.
  3. Leitebene: Diese Ebene überwacht und optimiert die Produktionsabläufe. Hier kommen SCADA-Systeme (Supervisory Control and Data Acquisition) zum Einsatz, die eine umfassende Sicht auf die Prozesse ermöglichen.
  4. Unternehmensebene: Auf der höchsten Ebene werden strategische Geschäftsentscheidungen getroffen. Hier werden Produktionsdaten analysiert, um die Effizienz zu steigern, Kosten zu kontrollieren und die Gesamtleistung des Unternehmens zu verbessern.

Die Automation Pyramid ermöglicht eine systematische Integration von Automatisierungstechnologien, wodurch eine effiziente und koordinierte Steuerung von Produktionsprozessen erreicht wird. Dieses Modell bildet die Grundlage für eine organisierte und gut strukturierte Automatisierung in der Industrie.

Die verschiedenen Ebenen der Automation Pyramid

Die Automation Pyramid besteht aus mehreren Ebenen, die jeweils spezifische Funktionen in der industriellen Automatisierung erfüllen. 

Die Hauptebenen der Automatisierungspyramide sehen folgendermaßen aus:

  1. Feldebene

Funktion: Auf dieser Ebene erfolgt die direkte Interaktion mit den physischen Prozessen. Sensoren und Aktoren sind hier lokalisiert und erfassen Daten direkt von Maschinen und Anlagen.

Aufgaben: Erfassung von Prozessgrößen wie Temperatur, Druck, Position usw. sowie Ausführung von Befehlen durch Aktoren.

  1. Steuerungsebene

Funktion: Diese Ebene verarbeitet die Daten von der Feldebene und trifft Entscheidungen zur Steuerung der Prozesse.

Aufgaben: Programmable Logic Controllers (PLCs) und andere Steuerungseinheiten sind hier angesiedelt. Sie überwachen und kontrollieren die Prozesse in Echtzeit.

  1. Leitebene

Funktion: Die Leitebene überwacht und optimiert die Produktionsabläufe. Hier erfolgt eine umfassende Sicht auf die Prozesse.

Aufgaben: SCADA-Systeme (Supervisory Control and Data Acquisition) ermöglichen die Visualisierung und Steuerung von Prozessen. Es erfolgt eine umfassende Datenerfassung und Analyse.

  1. Unternehmensebene

Funktion: Die höchste Ebene der Automation Pyramid, auf der strategische Geschäftsentscheidungen getroffen werden.

Aufgaben: Auf dieser Ebene werden Produktionsdaten analysiert, um Geschäftsziele zu erreichen. Hier werden Entscheidungen zur Ressourcenallokation, Kapazitätsplanung und langfristigen strategischen Zielen getroffen.

Diese Ebenen arbeiten zusammen, wobei Daten von der Feldebene nach oben durch die Hierarchie fließen und gleichzeitig Steuerungsbefehle von oben nach unten weitergegeben werden. Die Automation Pyramid schafft eine strukturierte Umgebung für die Implementierung von Automatisierungstechnologien in der Industrie.

automation pyramid goals

Ziele und Vorteile der Automation Pyramid

Die Automation Pyramid bietet eine strukturierte Hierarchie für die Implementierung von Automatisierungstechnologien in der industriellen Produktion. 

Die Ziele und Vorteile dieser Pyramide sind vielfältig:

Ziele der Automation PyramidVorteile der Automation Pyramid
Effizienzsteigerung: Durch klare Strukturierung der Automatisierungsfunktionen können Prozesse effizienter gestaltet und gesteuert werden.Strukturierte Implementierung: Erlaubt eine schrittweise Implementierung von Automatisierungstechnologien, beginnend auf der Feldebene und schrittweise nach oben.
Qualitätsverbesserung: Präzise Steuerung von Produktionsprozessen führt zu einer verbesserten Produktqualität.Einfache Wartung: Klare Hierarchie erleichtert die Identifizierung von Problemen und die Wartung auf jeder Ebene.
Kostenreduktion: Betriebskosten können durch Automatisierung gesenkt werden, insbesondere durch Effizienzsteigerung und Reduzierung von Fehlern.Integrierte Datenerfassung: Von der Feldebene bis zur Unternehmensebene ermöglicht die Pyramide eine integrierte Datenerfassung für Analysen und Entscheidungsfindung.
Flexibilität: Die Pyramidenstruktur erlaubt eine flexible Anpassung an sich ändernde Produktionsanforderungen und Technologien.Skalierbarkeit: Unternehmen können die Automatisierung gemäß ihren Anforderungen skalieren, sei es durch Hinzufügen neuer Sensoren auf der Feldebene oder durch Implementierung fortschrittlicherer Technologien auf höheren Ebenen.
Sicherheit: Klare Hierarchie erleichtert die Implementierung von Sicherheitsmaßnahmen und -protokollen auf verschiedenen Ebenen.Einfache Erweiterbarkeit: Neue Technologien und Innovationen können leicht in die bestehende Struktur integriert werden, wodurch die Pyramide zukunftssicher ist.

Die Automatisierungspyramide verfolgt Ziele wie Effizienzsteigerung, Qualitätsverbesserung, Kostenreduktion, Flexibilität und Sicherheit

Diese Ziele werden durch verschiedene Vorteile erreicht, darunter die strukturierte Implementierung, einfache Wartung, integrierte Datenerfassung, Skalierbarkeit und einfache Erweiterbarkeit.

Technologien der einzelnen Ebenen

Die verschiedenen Ebenen der Automation Pyramid setzen unterschiedliche Technologien ein, um die spezifischen Anforderungen auf jeder Hierarchieebene zu erfüllen. Hier sind die typischen Technologien für jede Ebene:

  1. Feldebene

Sensoren und Aktoren: Erfassen physische Parameter wie Temperatur, Druck, Position und führen Aktionen aus.

  • Temperatursensoren
  • Drucksensoren
  • Schrittmotoren

Industrial Internet of Things (IIoT): Vernetzung von Geräten zur Echtzeitüberwachung und Datenerfassung.

  • RFID-Tags
  • intelligente Kameras

Feldbusse: Kommunikationsprotokolle für den Datenaustausch zwischen Sensoren, Aktoren und Steuerungseinheiten.

  • Profibus
  • Modbus
  • DeviceNet
  1. Steuerungsebene

Programmable Logic Controllers (PLCs): Steuereinheiten zur Verarbeitung von Daten von der Feldebene und zur Entscheidungsfindung.

  • Siemens S7
  • Allen-Bradley
  • ControlLogix

Distributed Control Systems (DCS): Verteilte Steuersysteme zur koordinierten Steuerung mehrerer Prozesse.

  • Yokogawa CENTUM
  • ABB System 800xA

Field-Level Busse: Kommunikation zwischen verschiedenen Steuerungskomponenten.

  • CANopen
  • EtherCAT
  • AS-Interface
  1. Leitebene

Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA): Visualisierung und Überwachung von Prozessen in Echtzeit.

  • Wonderware
  • Ignition
  • WinCC

Human Machine Interface (HMI): Benutzerschnittstellen für die Interaktion mit den Prozessen.

  • Siemens SIMATIC HMI
  • Schneider Electric Vijeo Citect

Historian: Speichert und analysiert historische Produktionsdaten.

  • OSIsoft PI System
  • GE Digital Historian
  1. Unternehmensebene

Enterprise Resource Planning (ERP): Software für die Ressourcenplanung auf Unternehmensebene.

  • SAP ERP
  • Oracle E-Business Suite

Manufacturing Execution System (MES): Koordiniert und überwacht die Produktionsprozesse.

  • Apriso FlexNet
  • Werum PAS-X

Business Intelligence (BI): Analysewerkzeuge für strategische Entscheidungsfindung.

Jede dieser Technologien erfüllt spezifische Funktionen auf ihrer jeweiligen Ebene und ermöglicht die nahtlose Kommunikation zwischen den Ebenen. Die Integration dieser Technologien gewährleistet eine effiziente und koordinierte Automatisierung der industriellen Prozesse.

Rolle der Automation Pyramid in Industrie 4.0

Die Automation Pyramid spielt eine entscheidende Rolle bei der Umsetzung der Prinzipien von Industrie 4.0. 

Industrie 4.0 bezieht sich auf die vierte industrielle Revolution, die durch die Integration von Digitalisierung, Vernetzung und intelligenten Technologien in die industrielle Produktion gekennzeichnet ist. 

Die Automation Pyramid fungiert dabei als organisatorisches und konzeptionelles Modell, das die Grundlage für die Implementierung von Industrie-4.0-Prinzipien bildet. 

Dies sind einige Aspekte, wie die Automation Pyramid in Industrie 4.0 relevant ist:

  • Integration von Informationstechnologie (IT) und Operationstechnologie (OT): Industrie 4.0 zielt darauf ab, IT und OT nahtlos zu integrieren. Die Automation Pyramid bietet eine Struktur, die die verschiedenen Ebenen der Produktionsautomatisierung verbindet, was eine integrierte Datenkommunikation und Informationsaustausch ermöglicht.
  • Horizontale und vertikale Vernetzung: Die Automation Pyramid ermöglicht sowohl horizontale als auch vertikale Vernetzung. Horizontal bezieht sich auf die Integration von Technologien auf einer bestimmten Hierarchieebene (z.B., Integration von Maschinen auf der gleichen Ebene), während vertikale Vernetzung die Kommunikation zwischen den Ebenen ermöglicht (z.B., Datenaustausch von der Feldebene bis zur Unternehmensebene).
  • Flexibilität und Anpassungsfähigkeit: Industrie 4.0 strebt nach flexiblen und anpassungsfähigen Produktionssystemen. Die Automation Pyramid bietet eine strukturierte Basis, die es Unternehmen ermöglicht, flexibel auf Veränderungen zu reagieren, sei es durch die Hinzufügung neuer Sensoren auf der Feldebene oder durch die Implementierung fortschrittlicher Technologien auf höheren Ebenen.
  • Echtzeitdaten und -analysen: Industrie 4.0 betont die Bedeutung von Echtzeitdaten und -analysen für eine datengesteuerte Produktion. Die Automation Pyramid ermöglicht die Erfassung von Echtzeitdaten auf der Feldebene und deren Analyse auf höheren Ebenen, was zu schnellen und informierten Entscheidungen führt.

Insgesamt bietet die Automation Pyramid eine strukturierte Basis, um die Ziele von Industrie 4.0 zu erreichen, darunter erhöhte Effizienz, Flexibilität, Transparenz und Anpassungsfähigkeit in der industriellen Produktion.

Herausforderungen

Die Automatisierungspyramide steht vor verschiedenen Herausforderungen, die ihre Implementierung und Nutzung beeinflussen können. 

Herausforderungen, die Sie im Blick behalten sollten, sind:

  1. Interoperabilität: Die verschiedenen Ebenen der Automatisierungspyramide verwenden oft unterschiedliche Technologien und Standards. Die Gewährleistung einer nahtlosen Interoperabilität zwischen diesen Systemen kann eine komplexe Aufgabe sein.
  2. Sicherheit: Mit der zunehmenden Vernetzung der verschiedenen Ebenen steigt das Risiko von Cyberangriffen. Die Sicherheit der Automatisierungssysteme, insbesondere auf der Feldebene, ist von entscheidender Bedeutung, um unautorisierte Zugriffe und Datenmanipulation zu verhindern.
  3. Skalierbarkeit: Die Automatisierungspyramide muss skalierbar sein, um mit wachsenden Anforderungen und Datenmengen umgehen zu können. Das Hinzufügen neuer Geräte, Sensoren oder Anwendungen sollte ohne erheblichen Aufwand möglich sein.
  4. Legacy-Systeme: Viele Unternehmen nutzen ältere Automatisierungssysteme, die nicht von Haus aus für Industrie 4.0 konzipiert wurden. Die Integration solcher Legacy-Systeme in moderne Automatisierungslösungen kann eine Herausforderung darstellen.
  5. Datensicherheit und Datenschutz: Mit der vermehrten Datenerfassung auf verschiedenen Ebenen der Automatisierungspyramide ist der Schutz dieser Daten vor unbefugtem Zugriff und die Einhaltung der Datenschutzbestimmungen von entscheidender Bedeutung.
  6. Komplexität der Implementierung: Die Einführung von Automatisierungslösungen auf jeder Ebene erfordert oft umfassende Schulungen und Implementierungsarbeit. Die Komplexität dieser Prozesse kann eine Herausforderung für Unternehmen sein.
  7. Kosten: Die Investitionen in die Modernisierung und Integration von Automatisierungssystemen können erheblich sein. Unternehmen stehen vor der Herausforderung, den Nutzen dieser Investitionen mit den Kosten abzuwägen.
  8. Dynamik des Marktes: Die rasche Entwicklung neuer Technologien und Industriestandards kann dazu führen, dass Unternehmen Schwierigkeiten haben, mit den neuesten Entwicklungen Schritt zu halten und ihre Systeme entsprechend zu aktualisieren.

Diese Herausforderungen erfordern eine sorgfältige Planung, eine klare Strategie und oft die Zusammenarbeit mit Experten, um eine erfolgreiche Implementierung und Nutzung der Automatisierungspyramide zu gewährleisten.

automation pyramid use cases

Use Cases

Im Folgenden finden Sie drei Use Cases für die Automatisierungspyramide in verschiedenen Branchen:

Produktionsindustrie – Automatisierte Produktionslinie

Probleme:

  • Manuelle Eingriffe in die Produktionslinie führen zu Effizienzverlusten
  • Schwierigkeiten bei der schnellen Anpassung an Produktionsänderungen

Lösung:

  • Integration von Automatisierungstechnologien auf der Feldebene für eine kontinuierliche und effiziente Produktionslinie
  • Schnelle Anpassung an Produktionsänderungen durch die Integration von Steuerungssystemen

Beispiel: Automatisierte Produktionslinie in der Automobilindustrie

Ein Autohersteller integriert Robotersysteme auf der Feldebene, um verschiedene Montageschritte automatisch durchzuführen. Dies umfasst Schweißen, Lackieren und Montage von Bauteilen. Durch diese Automatisierung wird die Produktionslinie effizienter und flexibler, um auf unterschiedliche Fahrzeugmodelle und -anforderungen zu reagieren.

Mehr Informationen zur Digitalisierung der Baubranche erfahren Sie im verlinkten Artikel.

Energieversorgung – Automatisierte Überwachung von Stromnetzen

Probleme:

  • Manuelle Überwachung von Stromnetzen ist arbeitsintensiv und ungenau
  • Verzögerungen bei der Erkennung von Störungen im Stromnetz

Lösung:

  • Einsatz von SCADA-Systemen (Supervisory Control and Data Acquisition) auf der Leitebene zur Echtzeitüberwachung von Stromnetzen
  • Automatisierte Erkennung von Störungen und schnelle Reaktion durch Integration von Leitsystemen

Beispiel: Automatisierte Überwachung von Stromnetzen im Energiebereich

Ein Energieversorgungsunternehmen implementiert SCADA-Systeme, um Stromnetze in Echtzeit zu überwachen. Diese Systeme erfassen kontinuierlich Daten zu Stromflüssen, Spannungen und anderen relevanten Parametern. Im Falle von Störungen erfolgt eine automatische Benachrichtigung, und das Leitsystem ermöglicht eine schnelle Reaktion zur Behebung von Problemen.

Logistik – Automatisierte Lagerverwaltung

Probleme:

  • Manuelle Prozesse bei der Lagerverwaltung führen zu Fehlern und Verzögerungen
  • Schwierigkeiten bei der effizienten Verwaltung von Lagerbeständen

Lösung:

  • Implementierung von Lagerautomatisierungssystemen auf der Steuerungs- und Leitebene
  • Automatisierte Verwaltung von Lagerbeständen, Kommissionierung und Versand für eine effiziente Logistik

Beispiel: Automatisierte Lagerverwaltung in der Logistik

Ein E-Commerce-Unternehmen setzt Lagerautomatisierungssysteme ein, die automatische Regalbediengeräte und Förderbänder nutzen. Diese Systeme ermöglichen die automatisierte Einlagerung, Kommissionierung und Auslagerung von Produkten im Lager. Durch die Integration von Sensoren und Steuerungssystemen wird eine präzise und effiziente Lagerverwaltung erreicht.

Diese Beispiele verdeutlichen, wie die Automatisierungspyramide in verschiedenen Branchen eingesetzt werden kann, um manuelle Prozesse zu automatisieren und die Effizienz zu steigern, auch wenn spezifische KI-Technologien nicht berücksichtigt werden.

grüner kasten mit konfuzio logo

Automatisierung unterstützen mit Konfuzio

Konfuzio ist eine KI-Plattform für intelligente Dokumentenverarbeitung, die unstrukturierte Daten in verwertbare Erkenntnisse umwandelt. 

Durch Bilderkennung und Textextraktion automatisiert Konfuzio die Verarbeitung von Dokumenten, optimiert Geschäftsprozesse und ermöglicht eine präzise Datenextraktion für verschiedene Anwendungen. 

Die Plattform ist flexibel, anpassbar und unterstützt Unternehmen in verschiedenen Branchen bei der Automatisierung von Dokumenten-Workflows.

Konfuzio & Automation Pyramid = Perfect Match?

Die Automatisierungspyramide und Konfuzio können in mehreren Ebenen der industriellen Automatisierung zusammenarbeiten, um effizientere und intelligente Abläufe zu ermöglichen. 

Die Zusammenarbeit kann z.B. folgendermaßen aussehen:

  1. Datenerfassung und Feldebene:

    Die Automatisierungspyramide umfasst die unterste Ebene, die Feldebene, auf der Sensoren und Aktuatoren arbeiten. 
    Konfuzio unterstützt hier, indem es Bilderkennung und Textextraktion auf der Feldebene ermöglicht. 
    Dies schließt die automatisierte Erfassung von Informationen aus Bildern und Textdokumenten in Echtzeit ein.

  2. Prozessleitebene und Kontrolle:

    Auf der Steuerungsebene der Automatisierungspyramide werden Prozesse überwacht und gesteuert. 
    Konfuzio extrahiert hier Daten aus unstrukturierten Dokumenten und integriert sie in den automatisierten Entscheidungsprozess. 
    Zum Beispiel werden Rechnungen, Berichte oder andere Dokumente analysiert, um Informationen für Entscheidungen auf dieser Ebene bereitzustellen.

  3. Überwachung und Diagnose:

    In der Überwachungsebene arbeiten Konfuzio und die Automatisierungspyramide zusammen, um Mustererkennung und Diagnosefunktionen zu verbessern. 
    Konfuzio bietet beispielsweise Bilderkennung für die visuelle Überwachung von Anlagen oder OCR (Optical Character Recognition) für die automatisierte Analyse von Textdokumenten.

  4. Management- und Unternehmensebene:

    Auf der Unternehmensebene trägt Konfuzio dazu bei, unstrukturierte Daten in Geschäftsinformationen umzuwandeln. 
    Dies ist bei der Entscheidungsfindung auf höheren Ebenen der Automatisierungspyramide, einschließlich Planung und strategischem Management, nützlich.

  5. Kontinuierliche Optimierung und Lernen:

    Konfuzio unterstützt Sie dabei, Modelle für maschinelles Lernen zu entwickeln, die auf den gesammelten Daten basieren. 
    Die Automatisierungspyramide nutzt diese Modelle dann in Echtzeit, um Prozesse kontinuierlich zu optimieren. 
    Zum Beispiel könnten Sie die Bilderkennung dazu verwenden, Anomalien frühzeitig zu erkennen und präventive Maßnahmen auszulösen.

Die Integration von Konfuzio in die Automatisierungspyramide bietet die Möglichkeit, die Vorteile der intelligenten Datenverarbeitung und maschinellen Analyse auf allen Ebenen der industriellen Automatisierung zu nutzen. Dies führt zu einer effizienteren, genaueren und agileren Produktion.

Fazit – Konfuzio und die Automatisierungspyramide schaffen intelligente Synergien

Die Automatisierungspyramide spielt eine entscheidende Rolle in der Industrie, indem sie die Hierarchie der Automatisierungsebenen in Einklang bringt und effiziente, koordinierte Prozesse ermöglicht. 

Die Integration von Anwendungen wie Konfuzio, einer KI-Plattform für Dokumentenverarbeitung, verstärkt diesen Effekt, indem sie unstrukturierte Daten intelligent nutzt. 

Für die Zukunft deutet sich an, dass fortschreitende Technologien wie maschinelles Lernen und erweiterte Analysen die Automatisierungspyramide weiter optimieren und neue Potenziale für die Industrie 4.0 erschließen werden. 

Die Verbindung von etablierten Hierarchien und innovativen KI-Lösungen verspricht somit eine zukunftsweisende Entwicklung im Bereich der industriellen Automatisierung.

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    Avatar von Janina Horn

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