Automation 02.12.2005, 18:41 Uhr

Kabel los für den zuverlässigen Datentransfer  

VDI nachrichten, Nürnberg, 2. 12. 05 – Knapp drei Jahre nach der Vorstellung der ersten Prototypen in Nürnberg erweisen sich Funktechnologien wie WLAN oder Bluetooth als industrietauglich. Auf der SPS/IPC/Drives 2005 diskutierten auf einem Forum des Branchenverbandes ZVEI Experten von ABB, Festo, Ifak, Ifm, PhoenixContact und Siemens über die Chancen und Risiken der drahtlosen Netze.

Dietmar Herian (Siemens): Die Technologie hat sich in dem Maße etabliert, wie wir ihr ein Industriegesicht gegeben haben. Die Zeit zwischen der Aussage „Es geht nicht“ und „Bei uns auf dem Messestand können Sie es sich ansehen“ ist auf 2 bis 3 Jahre geschrumpft. Wir haben in den letzten 3½ Jahre Erfahrungen gesammelt, WLAN industrietauglich zu machen und sind dabei ähnlich wie bei Ethernet vorgegangen: Wir haben eine „reservierte Bandbreite“ geschaffen, so dass bestimmte Clients vorrangigen Zugriff auf das Netz erhalten. Damit kann man auch Profibus I/O über WLAN fahren. Wir haben aber auch dafür gesorgt, dass die Verbindung verfügbar bleibt, also Redundanz in die Funkverbindung gebracht.

Die Applikationen, in denen sich Wireless als sinnvoll erweist, werden immer mehr. Ich könnte mehr als 400 Projekte anführen, meist dort, wo massiv Kosten eingespart werden konnten. Insbesondere wo auf teure Spezialkabel verzichtet werden kann, wo man keinen Kabelschlepp mehr braucht, oder wo man störanfällige und wartungsintensive Schleifleitungen loswerden kann. Da hat sich Wireless entsprechend schnell etabliert. Dort, wo Produktivität gesteigert werden kann, wird dies sicher mit zunehmender Geschwindigkeit passieren.

Jürgen Weczerek (Phoenix Contact): Wir haben vor etwa fünf Jahren Wireless-Anwendungen in der Prozesstechnik und Fernwirktechnik erfolgreich in den USA gestartet. Als wir vor drei Jahren erste Wireless-Prototypen für die Fertigungsautomatisierung in Nürnberg vorstellten, wurde dies hier sehr positiv aufgenommen. Heute können Sie verfügbare Produkte sehen, die bereits im Einsatz sind. Gerade bei mobilen und dynamischen Anforderungen wird die Wireless-Technologie als verschleißfreie Übertragungsalternative eingesetzt, also überall dort, wo hohe Verfügbarkeit und Produktivität gefordert ist. Die Funktechnologie hat sich dabei in den Industrieanwendungen als zuverlässig erwiesen. Heute kann ich sagen, dass das funktioniert und es sicher funktioniert!

Kai Garrels (ABB): Wir haben 1998 mit Wireless begonnen und zwar gezielt in der Fertigung auf der Sensor/Aktor-Ebene. Wir setzen unsere Technologie im eigenen Haus in der Motorschutzschalter-Produktion ein. Da läuft das Wireless-System völlig problemlos. Gerade bei Roboteranwendungen können sie damit komplette Kabelbäume eliminieren, die sie sonst auch als Ersatz bereit liegen haben. Die Kosteneinsparungen sind durch die Vermeidung entsprechender Ausfälle und Wartungsarbeiten sowie schnellere Inbetriebnahme erheblich.

Dr. Lutz Rauchhaupt (ifak): Seit Fünf Jahren beschäftigen wir uns in entsprechenden Tagungen der Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik mit dem Thema. Auch hier können wir sehen, dass ein Wandel stattgefunden hat. Es ging von der Beschreibung der speziellen Anforderungen und der Technologien als Basis, bis heute zur Beschreibung der konkreten Anwendungen und den inzwischen damit gesammelten Erfahrungen. Inhalte haben sich geändert die Teilnehmerzahlen sind etwa konstant bei 80. Allerdings ist zu erkennen, dass die Nutzer mutiger werden Funk einzusetzen, auch in Bereichen und Anwendungen, an die wir heute noch gar nicht denken.

Hans Gerlach-Erhardt (Festo): Die WLAN- und Wireless-Bus-Lösungen sind inzwischen industrietauglich, das ist für uns gar keine Frage mehr. Allerdings haben wir immer wieder den Wunsch von der Anwenderseite, dass konsequent auch bei der Energieversorgung das Kabel verschwinden kann. Was ABB mit ihren Lösungen zeigt, ist da sicher eine Möglichkeit. Hier wird man künftig noch mehr Möglichkeiten anbieten müssen. So gibt es auch Ansätze zur Energiegewinnung über Photovoltaik oder bei Pneumatikunternehmen über die strömende Luft. Da darf man gespannt sein, was noch kommt.

Eckhard Sommer (ifm): Die Nachfrage von Anwenderseite steigt. Bei uns sind das vor allem zwei Applikationen. Das eine sind Distanzen, also die Übertragung von Signalen über größere Entfernungen. Das andere ist die zunehmende Packungsdichte der Sensoren in einzelnen Anwendungen, wo Sie vor lauter Kabeln die Sensoren nicht mehr sehen. Hier ist der Wunsch, Volumen und Raum zu sparen. Da sind die Anforderungen an uns, kleine Produkte zu haben, also ein bis zwei cm². Der Verzicht auf Kabel wäre ein Vorteil. Allerdings haben wir das Problem, dass die kabellose Energieübertragung noch schwierig ist. Mit der kleinen Datenmenge gibt es bei der Übertragung weniger Schwierigkeiten, wohl aber mit dem Echtzeitverhalten. In der Praxis haben die Werker nicht die Möglichkeit Punkt-zu-Punkt-Verbindungen aufzubauen, da müssen Netze aufgebaut werden, in die auch Sensoren anderer Hersteller integriert werden. Wir benötigen dafür Standards, die bisher noch fehlen. Im Gespräch mit den Anwendern geht es ja auch immer um den Investitionsschutz.

VDI nachrichten: Wo liegt der wirtschaftlicher Nutzen für die Unternehmen?

Garrels: Überall, wo sich was bewegt, wo bei der Installation Steckverbinder gespart werden, wo raue Einsatzbedingungen herrschen und hohe Belastungen an den Kabeln, da lohnt es sich die Rechnung aufzumachen. Die Anwender werden dabei durchaus kreativ und nutzen die Produkte auch anders, als wir es in unseren Prospekten exemplarisch zeigen. Da werden wir auch als Hersteller überrascht. Konkret ist ein Anwender von uns dabei, unser System als eine Art Steckverbinder einzusetzen, um den Installations- und Instandhaltungsaufwand zu reduzieren. Da geht es um monatliche Wartungskosten von etwa 90 000 $.

Rauchhaupt: Sicherlich ist heute die Mobilität das wichtigste Einsatzkriterium für Wireless-Technologien. Künftig dürfte aber zunehmend auch die Flexibilität hinzukommen. Ich denke da an Umrüstung in der Fertigung oder an temporäre Installationen bei der Inbetriebnahme.

VDI nachrichten: Wie ist es zu erklären, dass Wireless in Automation teurer ist als die Produkte im Elektrohandel?

Weczerek: Die Kosten lassen sich zwischen den Geräten für den Hausgebrauch und speziellen Industrieprodukten wie Wireless I/O nicht vergleichen. Die Wireless-Technologie als gemeinsame Basis ist ja nur ein Kostenpunkt. Bei reinen Infrastrukturkomponenten reicht vielleicht manchmal funktional das Produkt aus dem Fachmarkt, aber auch hier muss man sehen, dass die industriellen Einsatzbedingungen deutlich höhere Anforderungen an die Geräte stellen. Hier darf man nicht Äpfel mit Birnen vergleichen. Zudem muss die langfristige Verfügbarkeit von Industrieprodukten beachtet werden. Schließlich wollen Sie auch noch nach Jahren Ersatz kaufen können.

Herian: Man muss mal versuchen, einen einfachen Accesspoint im Freien bei –20°C zu betreiben. Der wird vermutlich ausfallen. Auch unter der Hallendecke finden Sie nicht unbedingt den Temperaturbereich, der einen optimalen Einsatz der Standardgeräte erlaubt, da kann es im Sommer auch einmal sehr heiß werden. Auf der anderen Seite profitieren wir von dem Preisverfall der Basistechnologien, also z. B. bei den Chipsätzen. Das nutzen wir natürlich, um dies an unsere Kunden weiterzugeben.

Gerlach-Erhardt: Die Forderung von Kundenseite ist ganz klar – die Kosten dürfen nicht höher sein als heute bei kabelgebundenen Systemen. Allerdings wird akzeptiert, dazu die Gesamtkosten zu betrachten, also inklusive Installations- und Wartungsaufwände.

Garrels: Allein in der Entwicklungsphase unserer Technologie gab es mehrere Technologiesprünge bei den Basistechnologien, die deren Kosten um die Hälfte reduziert haben. Wir hatten zwar damit gerechnet, dass es so kommt. Aber dass dies schon während der Entwicklung passierte, hat uns angenehm überrascht.

Sommer: Wir dürfen nicht nur das Produkt betrachten, sondern das ganze System. Wenn ich dem Anwender erst einmal sagen muss, wie er es einzubauen hat und wie die Antenne auszurichten ist, dann habe ich ein Problem. Ich kann eine solche Rechnung nicht aufmachen.

VDI nachrichten: Beim Computer Integrated Manufacturing, kurz CIM, wurden mit Versprechen aus dem Marketing schon einmal hohe Erwartungen geweckt, die nicht erfüllt werden konnten. Besteht bei Wireless die gleiche Gefahr?

Sommer: Wenn ich eine Anlagenbewertung bekomme, muss ich nachfragen, wie viel entsprechendes Know-how im Unternehmen vorhanden ist. Wir haben Maschinenbauer als Kunden, die unsere Produkte in ein uns unbekanntes Umfeld liefern. Hier gilt es die Bedingungen klar zu beschreiben. Spätestens bei Detailfragen in der Sensorik wird das schwierig.

Garrels: Kunden sollten natürlich darauf achten, dass sie einen Nutzen haben. In der Regel wissen die Spezialisten dort aber sehr gut Bescheid, wo es Probleme mit Kabeln gibt. Da muss man ganz klar darauf zusteuern. Eine Beratung durch den Hersteller ist dabei empfehlenswert. Der Aufwand hält sich in Grenzen, aber die Betrachtung lohnt sich in der Regel.

Herian: Das Thema CIM ist ja nur zum Teil an der Technik gescheitert und zum Teil an Problemen mit der notwendigen Umorganisation in den Unternehmen. Das ist bei Wireless in diesem Ausmaß sicher nicht der Fall. Trotzdem denken viele Anwender, Wireless ist komplex und nicht sicher genug für die Applikationen. Der Komplexität müssen wir uns als Hersteller sicher widmen, um es den Anwendern einfach machen. Man sollte sich den Nutzen vor Augen halten und sich entsprechend diesem Ziel beraten lassen. Wir wollen das künftig auch mit Software-Tools unterstützen, die z. B. eine Funkfeldausleuchtung ermöglichen.

Grundsätzlich betrachten wir Wireless nicht als unsicherer als ein Kabel. Die Kabelverbindung ist ebenfalls unsicher, wenn Sie keine Schutzmaßnahmen treffen. Wenn sie diese Schutzmaßnahmen anwenden, werden Sie sehen, dass der Zugriff für Außenstehende nicht ohne weiteres möglich ist. Zum Knacken einer AES-Verschlüsselung müsste man etwa 30 Jahre mit einem Computer rechnen. Wenn in der Anwendung sorgsam damit umgegangen wird, kommt am Ende eine messbare und z. T. dramatische Verbesserung dabei raus.

Weczerek: Wir gehen erst einmal davon aus, dass der Anwender kein Experte für Funktechnik ist. Das müssen wir ihm als Hersteller abnehmen. Bei der Realisierung eines komplexen Funknetzes in einer Fabrikhalle ist allerdings ein gewisses Know-how vorteilhaft. Entsprechende Serviceleistungen bieten wir an. Wenn es um einfache Anwendungen wie den Ersatz eines Kabelschlepps geht, dann muss die Technologie so einfach sein, dass sie der Anwender einbaut und die Anlage läuft. Dafür haben wir heute bereits verfügbare Lösungen. Wenn man 10 oder 20 m in einer Halle überbrücken will, muss man nicht viel beachten. Das funktioniert in diesen Bereichen absolut zuverlässig und kann meist ohne Erfahrungen realisiert werden.

Rauchhaupt: Bezüglich der Kenntnis der Funkausbreitung muss man zwischen den Anwendungen differenzieren. Bei einfachen Anwendungen muss das ohne Rücksprache mit einem Funkexperten funktionieren. Das Know-how ist dann in den Komponenten integriert. Insgesamt geht es darum, Vertrauen in die Funktechnologie auch für den Einsatz im industriellen Umfeld zu schaffen.

VDI nachrichten: Erst wurden Maschinenfunktionen in Elektronikkomponenten übertragen und nun werden dem Maschinenbauer auch noch die nachverfolgbaren Kabel genommen. Wie sieht es da mit der Akzeptanz bei den Anwendern aus?

Rauchhaupt: Tatsächlich gehen die sichtbaren Beziehungen zwischen den Komponenten verloren – also die Leitungen, die man verfolgen kann – und bei mobilen Komponenten der Positionsbezug. Wenn die entsprechende Intelligenz damit umzugehen nicht nur in die Geräte, sondern auch in die Systeme integriert wird, dann wird die Technologie für den Anwender beherrschbar. Einfache Handhabung erfordert mehr Aufwand bei der Geräte- und Systementwicklung.

Weczerek: Die Integration in das Automatisierungssystem ist ein wichtiges Thema. Zusätzlich müssen wir dem Anwender aber auch Informationen zu der jeweiligen Funkstrecke geben. Beispielsweise über die aktuelle Qualität der Funkverbindung und entsprechende Diagnosefunktionen, anhand derer die Ursache und die Fehlerstelle einer Kommunikationsstörung identifiziert werden kann. Wir sprechen hier nicht nur von abstrakten Zahlenparametern, sondern von konkreten Hilfestellungen und Lösungsvorschlägen.

Herian: Da muss ich unseren Anwender im Maschinenbau den Rücken stärken. Wenn dort eine Einsparung hinsichtlich der Kosten zu erreichen ist, dann machen sie es oft schneller als es uns Herstellern lieb ist. Die Frage ist dabei immer: Kann es die Elektronik besser, geht es drahtlos besser oder kann es die Mechanik besser? Wenn die Mechanik auf die Dauer Probleme hat, ist Wireless eine Lösung. Führt dies zu Verbesserungen der Maschinenverfügbarkeit, Reduzierung der Wartungszyklen und/oder Einsparungen bei der Mechanik, dann führen die Maschinenbauer diese Technik ebenfalls sehr schnell ein. Im übrigen fördern wir auch das Thema „Neue Technologien“ in unserer Verbandsarbeit durch Workshops und Foren von Maschinenbauern zu Maschinenbauern.

Gerlach-Erhardt: Mechatronik ist bei den Maschinenbauern, die wir kennen, etabliert und damit ist die Akzeptanz für Elektronik vorhanden. Feldbusvernetzung und Ethernet sind z. B. bei unseren Ventilinseln standardisiert und akzeptiert. Insofern kommt mit Wireless eine neue Technologie, die sich dort durchsetzt, wo der Anwender einen Nutzen darin sieht, bzw. wo wir diesen Nutzen vermitteln können.

Garrels: Uns ist beim Thema Integration wichtig, dass der Anwender mit Begriffen konfrontiert wird, die er kennt. Es ist also wichtig, dass ein Knoten eine Adresse hat, man integriert das System über eine GSD-Datei. Mit diesen Begriffen können die Kunden arbeiten.

VDI nachrichten: Wie sicher gegen unerlaubten Zugriff oder Viren und wie zuverlässig ist die Technik im sensiblen Industriealltag ?

Sommer: Mit Abhör-Angriffen habe ich kein Problem. Sicherheit bedeutet für mich die Verfügbarkeit zu erhöhen, also auch bei Überlagerung von Frequenzen. Hier habe ich als Komponentenlieferant das Problem, dass ich dieses Umfeld nicht überblicken kann und die Zuverlässigkeit in den unterschiedlichen Umgebungen nicht garantieren kann.

Herian: Das haben wir in unserer Technologie berücksichtigt. Wir verwenden parallel die 2,4 GHz- und die 5GHz-Technologie. Wir können damit zwar nicht sicherstellen, dass ein schwaches Signal immer ankommt. Aber Sie haben in sich verändernden Umgebungen zwei Möglichkeiten , die redundant funktionieren und die Verfügbarkeit extrem erhöhen. Da möchte ich eine Lanze für Ultrawideband brechen, bei dem man einen viel größeren Frequenzbereich nutzen könnte. In USA und Japan wird diese Technologie mittlerweile seit Jahren erfolgreich angewendet. Nur in Europa bekommen wir keine internationale Normung dafür hin und können diese Technologie deshalb nicht umzusetzen. Damit wäre ein regelrechter Durchbruch hinsichtlich der Zuverlässigkeit zu erreichen.

Sommer: Das hört sich gut an, aber sehr aufwendig.

Weczerek: Nicht warten, sondern starten. Sicher werden noch einige Lösungen auf den Weg gebracht. Zukünftig werden sich noch weitere Technologien im Büroumfeld etablieren und danach eventuell Fuß im Industrieumfeld fassen. Aber auf das würde ich als Anwender nicht warten. Denn Bluetooth und WLAN sind vorhanden und einsetzbar.

VDI nachrichten: Wie sieht es dabei mit Störungen durch elektromagnetischen Felder aus?

Weczerek: Hier muss man sehen, auf welcher hohen Frequenz die drahtlose Kommunikation erfolgt. Die üblichen Industrie-Störungen liegen deutlich unterhalb der Frequenzen von 2,4 oder 5 Ghz, im Bereich einiger Mhz bis zu einigen 100 Mhz. Störung durch Felder bei Schweißprozessen oder Frequenz‧umrichtern sind daher ausgeschlossen.

Garrels: Wir haben einiges für die Zuverlässigkeit getan. Es geht los mit dem Frequenzsprungverfahren über die Verbindung mit je zwei Antennen. Telegrammwiederholungen sind ja auch schon von den Feldbussen bekannt. Da sind wir auf einem vergleichbaren, wenn nicht sogar besseren Niveau, weil eine Reihe von EMV-Störungen, die es bei kabelgebundenen Systemen gibt, vernachlässigt werden können. Sie müssen sich also nicht mehr wie beim Profibus darum kümmern, dass der Schirm ordentlich darauf gelegt wird.

Zum Thema Sicherheit. Sobald in einer Steuerung eine Buchse für Ethernet da ist, wo sie ein Kabel rein stecken können, dann tun das die Anwender auch. Sie müssen sich also so oder so mit dem Thema Sicherheit auseinander setzen.

Herian: Wir haben für Bereiche mit Frequenzstörungen ein spezielles Kabel entwickelt. Mit dem Leckwellenleiter können Sie das Feld über gezielt ausgerichtete Löcher in der Schirmung ausrichten und begrenzen. Damit kann das Funkfeld auf den Bereich der Anwendung beschränkt werden, was bei der Automobilindustrie ein großes Thema ist.

Zum Thema Sicherheit: Wir haben heute Profisafe auf Wireless LAN laufen, dafür muss man sich sicher sein, dass es keine Sicherheitsprobleme mehr gibt, denn Profisafe läuft dort ohne wesentliche Einschränkung.

VDI nachrichten: Wo stehen wir heute und wo geht die Reise hin?

Rauchhaupt: Es wird sicher auch künftig keine Funktechnologie geben, die allen Anwendungen der Automatisierungstechnik gerecht wird. Es wird also immer angepasste Technologien geben, wobei die beiden wichtigsten heute WLAN und Bluetooth sind. Dafür spricht, dass sie in der Bürokommunikation bereits eingeführt sind. Es gibt die Produkte und es gibt viele Komponentenhersteller. Die Systeme arbeiten stabil.

ZigBee z.B. steht in den Startlöchern. Es verspricht neue Anwendungen in der Vernetzung (aufgrund des Routings). Allerdings müssen wir hier feststellen, dass der treibende Markt noch nicht da ist. Solange die entsprechenden Stückzahlen fehlen, wird es schwierig für die Automation sein, auf diese Technologie zu setzen. Ähnlich wird es mit anderen Technologien sein, wie Ultrawideband (UWB), WiMax oder WiMedia, die mehr Performance und eine effizientere Nutzung des Spektrums versprechen und dabei noch robuster sind.

Sommer: Man wird ja zur Zeit regelrecht mit Informationen zu Wireless bombardiert. Von der Anwenderseite finde ich ZigBee als energiearme Technologie grundsätzlich gut, aber wenn es zu senden anfängt ist das schon wieder vorbei – ich brauche Echtzeit. Der Wunsch nach kabellosen Technologien ist in der Sensorik sicher da, aber in der Regel gilt: Innovation ja, aber zum gleichen Preis.

Garrels: Unterschiedliche Anforderungen erfordern unterschiedliche Ansätze. Das wird bei den kabellosen Technologien nicht anders sein als bei den Feldbussen, wo ja auch verschiedene Technologien gibt. Wir haben deshalb auf ein eigenentwickeltes System gesetzt. Auch andere Hersteller nehmen Modifikationen vor, um z. B. die Echtzeitfähigkeit zu gewährleisten. Die Technologien aus dem Büroumfeld oder der Gebäudeautomation decken die Anforderungen der Industrie meist nicht ab. So ist es vielleicht noch okay, zweimal den Lichtschalter zu betätigen, wenn das Licht beim ersten Mal nicht angeht. In einer Fertigungsmaschine ist das nicht akzeptabel.

Wezcerek: Die treibenden Kräfte für die Wireless-Technologien sind Mobile Phone und Mobile Computing. 2005 soll es beispielsweise etwa 320 Mio. Bluetooth-fähige Geräte geben. Da wollen alle neuen Wireless-Technologien auch hinein. Im Moment sind es sicher WLAN und Bluetooth, die den Markt dominieren und sie werden es sicherlich auch mittelfristig weiter tun. Denn die neuen kommenden Technologien treiben die Weiterentwicklung von WLAN sowie Bluetooth voran. Die Wireless-Technologien werden nicht von industriellen Anwendungen getrieben, aber wir partizipieren an den neuen Möglichkeiten der günstigen Mainstream-Technologien.

Herian: Ich sehe drei Dinge. Wireless LAN wird sich künftig vom Verwaltungs- und Bürobereich über Roaming in die Industrienetze integrieren. Wir werden da sicher künftig durchgängige Konzepte vom Bürobereich bis hin zur Fertigung mit echtzeitfähigen Bedingungen sehen. Stichwort ist hier der WLAN-Controller.

Als weitere Technologie, die hier bisher nicht diskutiert wurde, wird sich RFID sehr stark durchsetzen. So sehen wir in der Identifikation dort große Anstrengungen, die spezifischen Probleme in der Industrie zu lösen.

Das Dritte wird die Fortführung der Produktivkommunikation sein, also das, was wir als harte Echtzeitanforderung bezeichnen. Da gilt es sicher künftig, die Anforderungen aus der Sensorik zu lösen, ob das nun die Energieversorgung, Sicherheit und Kosten pro Anschluss sind. Das tun wir nicht, weil es hier auch die meisten Probleme gibt, sondern weil dort der höchste Produktivitätfortschritt steckt.

Gerlach-Erhardt: Wir sehen, dass man die Technik aus dem Office- und Gebäudebereich nutzen wird, weil die Masse der Chips die Preise bestimmt und auch wir uns daran orientieren müssen. Wesentlich mehr Handlungsbedarf sehe ich allerdings noch bei der Standardisierung und Harmonisierung, herstellerübergreifend. Zusätzlicher Handlungsbedarf ergibt sich auch hinsichtlich der Energieversorgung. Beim Thema autarke Sensoren ist noch sehr viel zu tun, bis wir Lösungen haben, die wirtschaftlich und einfach für den Kunden anwendbar sind. MARTIN CIUPEK

Von Martin Ciupek
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