Automatisierung folgt dem Prinzip Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe. Sensoren erfassen den Zustand des Prozesses, die Steuerung verarbeitet die Signale, Aktoren greifen ein. Ein digitaler Sensor kennt nur zwei Zustände (logisch 0 und 1): Taster, Endschalter, Lichtschranke. Ein digitaler Aktor wird ein- oder ausgeschaltet: Signalleuchte, Magnetventil, Relais (ein durch eine Spule betätigter Schalter).

Eine logische 1 ist bei Mikrocontrollern etwa 3,3 V oder 5 V, bei Industriesteuerungen 24 V. Ein Mikrocontroller-Ausgang liefert nur kleine Ströme (typisch bis etwa 20 mA). Einen Motor schaltet er über eine Leistungsstufe (Transistor oder Relais).

Gatter verknüpfen digitale Signale: UND gibt 1, wenn alle Eingänge 1 sind, ODER, wenn mindestens ein Eingang 1 ist, NICHT kehrt um. Schreibweise: $A \cdot B$ (UND), $A + B$ (ODER), $\overline{A}$ (NICHT); der Malpunkt darf entfallen. Das Tor schließt, wenn der Taster ZU gedrückt ist ($T = 1$), die Lichtschranke frei ist ($L = 1$) und der untere Endschalter nicht anspricht ($E = 0$). Ein Gatter hat kein Gedächtnis: Sein Ausgang hängt nur von den aktuellen Eingängen ab.

Der Motorbefehl muss bleiben, wenn der Taster losgelassen wird. Dafür braucht man einen Speicher: das SR-Flipflop. Ein Impuls an S (Setzen) macht den Ausgang $Q$ zu 1, ein Impuls an R (Rücksetzen) zu 0, sonst bleibt $Q$ gleich. Das gelingt durch Rückkopplung: Der Ausgang wirkt auf den Eingang zurück. In Steuerungen heißt das Selbsthaltung. Soll bei S und R zugleich der Stopp gewinnen, gilt die Gleichung unten ($Q$ rechts ist der Wert vom vorigen Durchlauf).

Ein Zähler besteht aus Flipflops hintereinander und zählt Impulse im Dualsystem: Mit $n$ Flipflops zählt er von 0 bis $2^n - 1$.

Optimieren heißt, dieselbe Funktion mit weniger Gattern zu bauen (das spart Platz, Geld und Energie). Zwei Hilfsmittel: Umformen mit den Regeln der Booleschen Algebra und das KV-Diagramm, eine Wahrheitstabelle, in der benachbarte Felder sich in genau einer Variablen unterscheiden. Benachbarte Einsen in Blöcken von 2, 4 oder 8 Feldern ergeben einen Term, in dem die Variablen entfallen, die sich im Block ändern. Beim Umformen gelten $X + \overline{X} = 1$ und $X + X = X$ (ein Term darf mehrfach verwendet werden):

Bei einer verbindungsprogrammierten Steuerung steckt die Funktion in der Verdrahtung, eine Änderung heißt Umbau. Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ist ein Rechner für Anlagen, dessen Funktion als Programm im Speicher steht. Sie hat Eingabebaugruppen (Sensorsignale), eine Zentraleinheit mit Programmspeicher und Ausgabebaugruppen (Aktoren). Auch ein Mikrocontroller arbeitet speicherprogrammiert.

Das Programm läuft zyklisch: Eingänge einlesen und in einem Speicherbereich (Prozessabbild) festhalten, Programm einmal von oben nach unten abarbeiten, Ausgänge schreiben, von vorn (oft nach wenigen Millisekunden). Programmiert wird im Kontaktplan (wie ein Stromlaufplan), im Funktionsplan (mit Gattersymbolen) oder textuell.

Ein Messwertaufnehmer wandelt eine physikalische Größe in eine elektrische um. Drei einfache ändern ihren Widerstand:

• Fotowiderstand (LDR): bei mehr Licht niederohmiger.
• Heißleiter (NTC): bei höherer Temperatur niederohmiger, misst Temperaturen.
• Kaltleiter (PTC): bei höherer Temperatur hochohmiger (bei Keramik erst oberhalb einer Schalttemperatur stark), schützt vor Überhitzung.

Eine Steuerung braucht eine Spannung. Ein Spannungsteiler macht sie aus der Widerstandsänderung: $R_1$ und $R_2$ liegen in Reihe an $U_0$, abgegriffen wird die Spannung über $R_2$. Ist $R_2$ der Messwertaufnehmer, folgt $U_\text{a}$ der Messgröße. Der Abgriff darf nur wenig Strom liefern.

Ein Blockdiagramm zeigt ein System als Rechtecke (Funktionseinheiten) und Pfeile (Signalfluss). Es sagt, was jeder Block tut, nicht, wie er innen gebaut ist. Der Dämmerungsschalter ist eine Messvorrichtung mit Mikrocontroller. Die Blöcke in Signalrichtung:

Aufgebaut wird die Schaltung auf einer Leiterplatte: Auf Isolierstoff verbinden Kupferleiterbahnen die Bauteile, die durch Bohrungen gesteckt oder als oberflächenmontierte Bauteile (SMD) aufgelötet werden. Löten nur mit Einweisung: Die Lötspitze ist mehrere hundert Grad heiß.

Ein technischer Prozess ist eine Folge von Schritten, die Stoffe, Energie oder Information umformen. Man stellt ihn dar, etwa als Ablaufplan (Rechtecke für Schritte, Rauten für Entscheidungen, Pfeile für die Reihenfolge), und zerlegt ihn in Teilprozesse, die man einzeln plant und testet. Zum Optimieren entwirft man Varianten und vergleicht sie nach Taktzeit (Zeit zwischen zwei fertigen Teilen), Durchsatz (Teile je Minute), Kosten und Ausschuss. Arbeiten die Teilprozesse wie am Fließband gleichzeitig, bestimmt der langsamste die Taktzeit: der Engpass. Eine Variante wird getestet (Normalfall, Grenz- und Fehlerfälle) und bewertet: Messwerte und Kosten gegen die Anforderung.