Model-based condition and process monitoring based on socio-cyber-physical systems

Die produzierende Industrie strebt im Rahmen der vierten industriellen Revolution, Industrie 4.0, die Optimierung der klassischen Zielgrößen Qualität, Kosten und Zeit sowie Ressourceneffizienz, Flexibilität, Wandlungsfähigkeit und Resilienz in globalen, volatilen Märkten an. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung von Smart Factories, in denen sich relevante Objekte, Produktions-, Logistik- und Informationssysteme sowie der Mensch vernetzen. Cyber-physische Systeme (CPS) tragen als sensorisierte und aktorisierte, resiliente und intelligente Gesamtsysteme dazu bei, Produktionsprozesse und -maschinen sowie die Produktqualität zu kontrollieren. Vordergründig wird die technische Komplexität von Produktionssystemen und damit auch zugehöriger Instandhaltungsprozesse durch die Anforderungen an deren Wandlungsfähigkeit und den zunehmenden Automatisierungsgrad ansteigen. Heraus-forderungen bei der Entwicklung und Implementierung von CPS liegen in fehlenden Interoperabilitäts- und Referenzarchitekturkonzepten sowie der unzureichend definierten Interaktion von Mensch und CPS begründet. Sozio-cyber-physische Systeme (Sozio-CPS) fokussieren die bidirektionale Interaktion von Mensch und CPS und adressieren diese Problemstellung. Gegenstand und Zielstellung dieser Dissertationsschrift ist die Definition von Sozio-CPS in der Domäne der Zustands- und Prozessüberwachung von Smart Factories. Untersucht werden dabei Nutzungsszenarien von Sozio-CPS, die ganzheitliche Formulierung von Systemarchitekturen sowie die Validierung der entwickelten Lösungsansätze in industriellen Anwendungsszenarien. Eine erfolgreiche Umsetzung von Sozio-CPS in drei heterogenen Validierungsszenarien beweist die Korrektheit und Anwendbarkeit der Lösungsansätze.Within the scope of the fourth industrial revolution, Industry 4.0, the manufacturing industry is trying to optimize the traditional target figures of quality, costs and time as well as resource efficiency, flexibility, adaptability and resilience in volatile global markets. The focus is on the development of smart factories, in which relevant objects and humans are interconnected . Cyber-physical systems (CPS) are used as sensorized and actuatorized, resilient and intelligent overall systems to control production processes, machines and product quality . The technical complexity of production systems and their associated maintenance processes are rising due to the demands on their adaptability and the increasing automation. Challenges in the development and implementation of CPS include the lack of interoperability and reference architecture concepts as well as the insufficiently defined interaction of people and CPS. Socio-cyber-physical systems (Socio-CPS) focus on bidirectional interaction of humans and CPS to address this problem. The scope and objective of this dissertation is to define Socio-CPS in the condition and process monitoring of smart factories. This dissertation utilizes scenarios of Socio-CPS, holistically defines system architectures and validates the solutions developed in industrial applications. The successful implementation of Socio-CPS in three heterogeneous validation scenarios proves the correctness and applicability of the solutions

Kommunikation und Bildverarbeitung in der Automation

In diesem Open Access-Tagungsband sind die besten Beiträge des 11. Jahreskolloquiums "Kommunikation in der Automation" (KommA 2020) und des 7. Jahreskolloquiums "Bildverarbeitung in der Automation" (BVAu 2020) enthalten. Die Kolloquien fanden am 28. und 29. Oktober 2020 statt und wurden erstmalig als digitale Webveranstaltung auf dem Innovation Campus Lemgo organisiert. Die vorgestellten neuesten Forschungsergebnisse auf den Gebieten der industriellen Kommunikationstechnik und Bildverarbeitung erweitern den aktuellen Stand der Forschung und Technik. Die in den Beiträgen enthaltenen anschauliche Anwendungsbeispiele aus dem Bereich der Automation setzen die Ergebnisse in den direkten Anwendungsbezug

Methodik für Wissens- und Prozessmanagement bei der interaktiven kollaborativen Montage variantenreicher Produkte

Kundenindividuelle Produkte werden in vielen Märkten immer stärker nachgefragt und stellen Unternehmen vor die Herausforderung, diese in möglichst vielen Varianten und dennoch effizient herstellen zu können. Ein möglicher Ansatz dazu ist die kollaborative Montage, die die besonderen Fähigkeiten von Mensch und Roboter kombiniert. Neben Fragen der Sicherheit und der physischen Gestaltung des Arbeitsplatzes kommt dem Informationsmanagement eine besondere Rolle zu, denn im Vergleich zur rein manuellen oder vollautomatisierten Montage gibt es mehr Beteiligte, mehr Schnittstellen und daher auch mehr kritische Informationsflüsse. Ein kollaborationsgerechtes Wissens- und Prozessmanagement muss die Integration aller beteiligten Systeme unterstützen, spezifische Fragen der Arbeitsteilung im Rahmen der Steuerung adressieren, aber auch die Planung und das Engineering neuer Varianten ermöglichen und durch Persistierung und Analyse von Prozessdaten zu einer stetigen Qualitätssteigerung beitragen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung und Validierung einer ent- sprechenden Methodik. Dazu wird das Konzept eines „Manufacturing In- tegration Bus“ eingeführt und mit speziellen Verfahren zur kollaborativen Arbeitssteuerung und einem durchgehenden Ansatz zur Verwertung der Prozessdaten kombiniert. An einem Minimal-Demonstrator, einem Demonstrator mit erweiterten Fä- higkeiten und einer industriellen Anlage wird die Methodik validiert

iWindow - Intelligentes Maschinenfenster

Das Verbundforschungsprojekt iWindow: Intelligentes Maschinenfenster beschäftigte sich mit der visuellen Unterstützung von Maschinenbedienern an Werkzeugmaschinen. Diese konnten bisher nur auf wenige bis keine Systeme, die sie bei ihren täglichen Aufgaben direkt an der Werkzeugmaschine unterstützen, zurückgreifen. Das Forschungsprojekt verbindet reale und virtuelle Welt in der Werkzeugmaschine durch Technologien wie Virtual und Augmented Reality, digitaler Zwilling, Simulation und Mehrwertdienste. Durch Nutzung jeweils für die aktuelle Arbeitssituation passender Dienste, werden Mitarbeiter befähigt, sich an die steigende Individualisierung der Produkte und die flexiblere Produktion anzupassen. Kunden und Geschäftspartner werden durch die Möglichkeit eigene mehrwertgenerierende Dienste zu entwickeln und anderen Anwendern zur Verfügung zu stellen in den Wertschöpfungsprozess eingebunden. Diese Publikation beleuchtet die im Rahmen des Forschungsprojekts erarbeiteten Ergebnisse hinsichtlich für ein intelligentes Maschinenfenster benötigter Technologien und Entwicklungen

Tackling Problems of Maintenance and Evolution in Industry 4.0 Scenarios Using a Distributed Architecture

Growing complexity in Industry 4.0 environments goes hand in hand with an increasing number of vulnerabilities. Due to internal and external influences, these vulnerabilities can cause a negative effect on the production process as well as the finished product. These influences include e. g., defective machine tools, deviations in quality or configuration changes of an assembly line, which in turn require to adjust the model and the workflow of the respective facility to prevent risks to human health or minimise costs due to production stops. To evaluate the necessity of a novel approach to handle these vulnerabilities and influences along with their subsequent system adaptation, three emerging problems are identified and provide the basis for the discussion of a distributed architecture that aims to facilitate the evolution of context models, workflows and configurations while allowing for reasonable involvement of human operators

Realisierung eines verteilten IT-Systems auf Basis von OPC UA

Der Markt für produzierende Unternehmen wird immer komplexer und erfordert eine zunehmende Flexibilität. Mit der Vision Industrie 4.0 - auch als vierte industrielle Revolution bezeichnet - wurde im Jahr 2011 auf die geänderten Anforderungen reagiert. Durch den steigenden Automatisierungsgrad sowie dem Trend zu intelligenten, effizienteren, flexibleren und stark vernetzten Produktionsanlagen wird die Informatik für die Automatisierungstechnik immer wichtiger. Ziel der vorliegenden Masterarbeit war die Realisierung eines verteilten IT-Systems auf der Basis von OPC UA. Diese Arbeit beschreibt zunächst die Grundlagen von Industrie 4.0, der Machine-to-Machine Kommunikation sowie der OPC Unified Architecture. Anhand eines Pflichtenheftes wurde das Systemmodell sowie eine Software-Systemarchitektur für das verteilte IT-System konzipiert und implementiert. Ergebnis der Masterarbeit ist ein OPC UA Netzwerk mit mehreren realen und virtuellen Produktionseinheiten (OPC UA Server) sowie einer Workstation, auf der eine Anwendung zur Visualisierung und Administration ausgeführt wird. Das entwickelte System erfüllt sämtliche gestellten Anforderungen, zeigt die vielseitige Einsetzbarkeit von OPC Unified Architecture und kann als Basis für weitere Arbeiten genutzt werden

Automatisierte Generierung, Adaption und Rekonfiguration von Co-Simulationen für modulare Produktionsanlagen

Simulation nimmt eine zunehmend wichtige Rolle im Engineering und Betrieb von Maschinen und Anlagen ein. Simulation kann genutzt werden, um Experimente an noch nicht existierenden oder zur Verfügung stehenden Anlagen durchzuführen, um unterschiedliche Systemkonfigurationen zu testen oder um Informationen über nicht beobachtbare interne Vorgänge zu sammeln. Um volatilen Anforderungen und Randbedingungen (z. B. durch Kunden, neue Normen, Gesetze und Richtlinien, Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz) gerecht zu werden und dabei trotz allem die Rentabilität der Produktionsanlagen sicherzustellen, werden diese Anlagen zunehmend in modularer Bauweise konzipiert. Durch die Wandelbarkeit der Anlage nehmen die ohnehin umfangreichen manuellen Abläufe, die mit deren Modellierung und Simulation einhergehen, noch weiter zu. Diese Modellierungstätigkeiten sind fehleranfällig, kostenintensiv und erstrecken sich über den kompletten Lebenszyklus der Produktionsanlage. Folglich wird eine Lösungsmethode benötigt, welche es Ingenieuren ermöglicht, Simulation unkompliziert, schnell und kosteneffizient über den kompletten Lebenszyklus einer modularen Produktionsanlage einsetzen zu können. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein Lösungskonzept für die (teil-)automatische Generierung, Adaption und (Re-)Konfiguration von Simulationsmodellen für modulare Produktionsmaschinen und -anlagen zu entwickeln. Hierzu werden einerseits die Voraussetzungen analysiert, die erfüllt werden müssen, um eine solche (Teil-)Automatisierung zu erreichen. Des Weiteren wird erläutert, welche Informationen benötigt werden und welcher Automatisierungsgrad für die Modellgenerierung und -adaption erzielt werden kann. Aus dem formulierten Handlungsbedarf werden insgesamt neun Anforderungen, die verschiedene Lebenszyklusphasen adressieren, abgeleitet. Die umfassende Analyse des Stands von Wissenschaft und Technik hat ergeben, dass keiner der bestehenden Lösungsansätze alle entwickelten Anforderungen vollumfänglich erfüllt. Der Hauptgrund hierfür ist, dass keine der bestehenden Lösungen mit dem Ziel entworfen wurde, den kompletten Lebenszyklus der Anlage abzudecken. Aus diesem Defizit ergab sich der Handlungsbedarf, ein neues, lebenszyklusübergreifendes Lösungskonzept zu entwickeln. Bei dem in dieser Arbeit entwickelten Gesamtkonzept handelt es sich, entsprechend der Lebenszyklusphasen Inbetriebnahme, Betrieb und Umbau, um ein dreistufiges Konzept. Die jeweiligen Konzeptstufen bauen dabei auf den vorherigen auf. Zur Überprüfung des vorgestellten Gesamtkonzepts hinsichtlich der definierten Anforderungen wurde ein prototypisch implementiertes Assistenzsystem auf zwei modulare Produktionsanlagen aus unterschiedlichen Domänen des Maschinen- und Anlagenbaus angewandt. Die Validierung hat gezeigt, dass das Assistenzsystem für beide Systeme über deren kompletten Lebenszyklus angewandt werden kann und dadurch der manuelle Modellierungsaufwand sowie die starke Abhängigkeit vom individuellen Wissen der Modellierungsexperten reduziert wird. Das Assistenzsystem, welches eine Implementierung des Lösungskonzepts darstellt, erfüllt alle definierten Anforderungen. Weiterhin konnten, im Rahmen der Kapitel zu den jeweiligen Teilkonzepten, die aufgestellten Forschungsfragen bezüglich der Voraussetzungen, der benötigten Informationen und des erreichten Automatisierungsgrades beantwortet werden. Den Abschluss der Arbeit bildet eine kritische Würdigung, in der die offenen Punkte des entwickelten Konzepts als Basis für Folgearbeiten erläutert werden

Kommunikation und Bildverarbeitung in der Automation

In diesem Open-Access-Tagungsband sind die besten Beiträge des 9. Jahreskolloquiums "Kommunikation in der Automation" (KommA 2018) und des 6. Jahreskolloquiums "Bildverarbeitung in der Automation" (BVAu 2018) enthalten. Die Kolloquien fanden am 20. und 21. November 2018 in der SmartFactoryOWL, einer gemeinsamen Einrichtung des Fraunhofer IOSB-INA und der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe statt. Die vorgestellten neuesten Forschungsergebnisse auf den Gebieten der industriellen Kommunikationstechnik und Bildverarbeitung erweitern den aktuellen Stand der Forschung und Technik. Die in den Beiträgen enthaltenen anschaulichen Beispiele aus dem Bereich der Automation setzen die Ergebnisse in den direkten Anwendungsbezug