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

Adaptivität und semantische Interoperabilität von Manufacturing Execution Systemen (MES)

MES (Manufacturing Execution Systems) are situated between automation and management level and are affected from changes of the production. Therefore their adaptivity within the lifecycle of production plants is mission critical. Furthermore MES act as data and information hub. This means that they have to work together with other systems in an efficient and seamless way. MES must be interoperable and must have semantics under control. The present publication faces both aspects

Automatisierte Generierung von Simulationsmodellen unter Verwendung des Core Manufacturing Simulation Data (CMSD) Information Model - Implementierung eines Pilotszenarios

Aufgrund verkürzter Produktlebenszyklen und gleichzeitig gestiegener Planungskomplexität besteht für Unternehmen des produzierenden Gewerbes die Notwendigkeit, die Planungsprozesse zur Erstellung und dem Betrieb der Produktionseinrichtungen zu verbessern. Eine Möglichkeit zur Verwirklichung der Ziele nach steigender Planungsqualität und –sicherheit und dabei verringerten Planungsdauer und –aufwand, ist der Einsatz planungs- bzw. betriebsbegleitender Ablaufsimulationen. Voraussetzung hierfür ist die Integration der Simulation in das Umfeld der betrieblichen Anwendungssysteme der Planung und Fertigungssteuerung sowie die Reduzierung des Aufwandes zur Erstellung der Simulationsmodelle, was u. a. durch eine automatisierte Generierung erreicht werden soll. Die Anbindung der Simulationssysteme durch leistungsstarke und flexible Schnittstellen ist heutzutage noch nicht zufriedenstellend gelöst und behindert somit den konsequenten Einsatz der Simulationstechnik. Um dem Problem der unzureichenden Schnittstellenanbindungen entgegenzutreten, entstand in mehrjähriger Arbeit das „Core Manufacturing Simulation Data“ (CMSD) Information Model. Dieses definiert eine Spezifikation für Kerndaten von Fertigungssimulationen. Mithilfe der im CMSD Information Model enthaltenen Datenstrukturen können Modellbeschreibungen für simulationsrelevante Daten formuliert und für den Datenaustausch genutzt werden. Als Datenaustauschformat findet das XML-Format Verwendung. Im Rahmen dieser Arbeit wird das CMSD Information Model auf die Nutzbarkeit zur Abbildung simulationsrelevanter Eingangsdaten für Ablaufsimulationen im fertigungstechnischen Umfeld hin untersucht. Dies geschieht anhand einer prototypischen Umsetzung eines automatisierten Simulationsmodellgenerators und eines konkreten, fiktiven Anwendungsbeispiels einer Werkstattfertigung. Die für das Beispiel benötigten Eingangsdaten werden mithilfe der Datenstrukturen des CMSD Information Model abgebildet und mittels Datenimport dem Modellgenerator zur Verfügung gestellt. Anschließend erfolgt ein automatisierter Modellaufbau. Darüber hinaus werden Anregungen zu Erweiterungen der prototypischen Umsetzung gegeben, um eine umfassende Anwendungslösung zu erreichen, welche zur Untersuchung des betriebsbegleitenden Einsatzes geeignet ist.Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 201

Konzepte zur interaktiven Entwurfsraum-Exploration im Tragwerksentwurf

Der Entwurfsraum für den Entwurf eines Tragwerks ist ein n-dimensionaler Raum, der aus allen freien Parametern des Modells aufgespannt wird. Traditionell werden nur wenige Punkte dieses Raumes durch eine numerische (computergestützte) Simulation evaluiert, meist auf Basis der Finite-Elemente-Methode. Mehrere Faktoren führen dazu, dass heute oft viele Revisionen eines Simulationsmodells durchlaufen werden: Zum einen ergeben sich oft Planungsänderungen, zum anderen ist oft die Untersuchung von Planungsalternativen und die Suche nach einem Optimum wünschenswert. In dieser Arbeit soll für ein vorhandenes Finite-Elemente-Framework die sequentielle Datei-Eingabeschnittstelle durch eine Netzwerkschnittstelle ersetzt werden, die den Erfordernissen einer interaktiven Arbeitsweise entspricht. So erlaubt die hier konzipierte Schnittstelle interaktive, inkrementelle Modelländerungen sowie Status- und Berechnungsergebnis-Abfragen durch eine bidirektionale Schnittstelle. Die Kombination aus interaktiver numerischer Simulation und Interoperabilität durch die Anwendung von Konzepten zur Bauwerks-Informations-Modellierung im Tragwerksentwurf ist Ziel dieser Dissertation. Die Beschreibung der Konzeption und prototypischen Umsetzung ist Gegenstand der schriftlichen Arbeit

Agentenbasierter Programmassistent zur Verwaltung von NC-Informationen in Produktionssystemen mit Kommunikationsnetzwerken

In den letzten Jahren hat sich die rapide Entwicklung der Elektrotechnik ebenso wie die der Softwaretechnologie auf die numerischen Steuerungen in den heutigen CNC-Maschinen groß ausgewirkt. Diese numerischen Steuerungen sind sowohl intelligenter und flexibler als auch mit größerer Internspeicherkapazität ausgerüstet. Dies führt zu einer Änderung der Art und Weise, wie DNC-Systeme zu etablieren sind, besonders solcher, die auf bisher verfügbaren, aber ungleichartigen DNC-Systemen basieren. In einem solch heterogenen DNC-System wird Datenspeicherungsfähigkeit stärker verteilt angeordnet, d.h., sie ist nicht nur in einem zentralen DNC-Server vorhanden, sondern auch in Terminals oder Steuerungen selbst angelagert. Diese Änderung des Archivierungsmittels benötigt neue DNC-Software, die die DNC-Grundfunktionen voll realisiert. Zudem sollte sie auch den neuen spezifischen Softwareanforderungen entsprechen und erlauben, neue Funktionen, z.B. Maschinendatenerfassung, Betriebsdatenerfassung usw., als Module hinzuzufügen. Derzeit wird die Agententechnologie bzw. ein MAS (Multiagentensystem) als ein aussichtsreicher Ansatz angesehen, um die Probleme der heutigen komplexen Softwaresysteme, wie ungleichartige Systemumgebungen und verteilte Strukturen, zu lösen. Die vorliegende Arbeit stellt die Idee zum Aufbau eines heterogenen DNC-Systems und die Konzipierung zur Gestaltung der agentenbasierten DNC-Software vor. Ausgehend von dem vorgestellten Lösungskonzept wird zudem der Programmassistent als erster Modul der agentenbasierten DNC-Software präsentiert.In the network-based DNC systems and especially heterogeneous DNC systems data get more distributed due to the ability to store not only in the DNC Server but also in the CNC controller or CNC Terminal. This leads a challenge to the DNC software in the implementation of its basic functions. The agent-based DNC software with assistants (ADNC) is suggested to solve the above problem. Its tasks are to collect distributed NC information and transfer data safely as well as performing other extended functions, i.e. NC program generation, machine data collection, production data collection, control machines in system, etc. The present work presented the concept to develop the ADNC and its first prototype. This prototype was developed in a process using a framework of agent-based assistants, called AgentAP. It is applicable on distributed manufacturing data and had been implemented on the agent platform JADE. The module Program Assistant, one of these prototype modules, which is responsible for management, bidirectional transfer, and monitoring change of NC programs, is also discussed

Entwicklung von prozessorientierten Informationssystemen für die industrielle Dienstleistungsbeschaffung

In der industriellen Dienstleistungsbeschaffung mangelt es an adäquaten domänenspezifischen Lösungsansätzen für die präzise Modellierung, qualitative und quantitative Analyse und Implementierung elektronischer Geschäftsprozesse in prozessorientierte Informationssysteme. In der vorliegenden Arbeit werden neue Lösungsansätze auf Basis von Methoden, Modellen und E-Business-Lösungen erarbeitet, um die Entwicklung und Gestaltung prozessorientierter Informationssysteme zu verbessern

Wissensbasierte Prozesskonfiguration im Bauwesen

Das Ziel der Prozesskonfiguration besteht darin, typische Bauprozesse wie Planungsprozesse, Ausführungsprozesse, Steuerungs- und Entscheidungsprozesse zu unterstützen. Infolgedessen bilden die Prozesse und der Einsatz von Prozessmodellen für verschiedene Aufgabenbereiche im Bauwesen die Grundlage für die computerunterstützte Bearbeitung von Bauvorhaben. Die Bauprozessmodelle werden meistens in einer semi-formalen Sprache dargestellt. Das erlaubt die weitere Formalisierung zum Zweck der intelligenten Konfiguration der Prozesse. Das bedeutet, dass die Prozesse auf Basis des formal beschriebenen Prozesswissens konfiguriert, zusammengestellt und instanziiert werden können. Solche Prozesse sind besonders aktuell im Bereich des Risikomanagements, das in den letzten Jahren im Bauwesen an Bedeutung gewonnen hat. Die Prozesse sollen bei der Suche nach einem alternativen Ablauf im Fall einer Prozessstörung ad-hoc konfiguriert und zur Verfügung gestellt werden. Dies kann semi-automatisch mit Einsatz wissensbasierter Methoden realisiert werden. Die Prozesse im Bauwesen bergen diverse spezielle Eigenschaften in sich, die die Problematik der typischen Konfigurationsvorgehensweise sichtbar werden lassen. Wesentliche Merkmale der Bauprozesse sind der durchgängige Informationsfluss und der hohe Kommunikationsbedarf zwischen allen Beteiligten im Bauprojekt. Das impliziert Anforderungen an eine effektive Interoperabilität innerhalb des Bauprojekts. In einem signifikant großen Projekt wie beispielsweise dem Flughafenbau, bei dem sich die Baustelle auf tausenden Hektar Fläche erstreckt und mehrere Dutzende Baufirmen involviert sind, die über unterschiedliche Software und Baudatenmodelle und Standards verfügen, ist die Koordination sowie ein effektiver Informationsaustausch und als Folge die Prozesskonfiguration gravierend erschwert. Dementsprechend spielt die Anwendung einer übergeordneten Struktur, die die Heterogenität der verteilten Umgebung einkapselt, eine bedeutende Rolle. Des Weiteren bringt ein ontologiebasierter Ansatz wesentliche Vorteile bei der Betrachtung der existierenden Problematik. Ontologie ist eine explizite, formale Spezifikation einer gemeinsamen Konzeptualisierung (Gruber 1993). Darunter kann eine konzeptuelle Formalisierung von Wissensbereichen und Begriffssystemen verstanden werden. Mittels Ontologie kann Wissen verteilt werden, was eine verbesserte Interoperabilität in komplexen Systemen mit vielen heterogenen Ressourcen, wie beispielsweise Bauwesensystemen, gewährleistet. Anwendungsbereiche der Ontologie sind Kommunikation und Repräsentation sowie Wiederverwendung von Wissen. Die Ontologie wird in der Regel in Form einer Taxonomie dargestellt. Solche Konstrukte ermöglichen es, Struktur in ein heterogenes Umfeld zu bringen. So kann eine allgemeine bereichsübergreifende Ontologie, eine Top-Level Ontology, eine übergeordnete Baustruktur gut abbilden. Potenziell ermöglicht eine Ontologie die Analyse des Domänenwissens auf semantischer Basis, wie Schlussfolgerung, Konsistenzprüfung und gezielte Suche. Die Flexibilität bei der Konfiguration wird durch die regelbasierte Anwendung unterstützt. Darüber hinaus können intelligente Lösungen durch Anwendung verschiedener Baustrategien, die den Prozessablauf optimieren, erzielt werden. Die Prozesse, Ontologien und Regeln können verschiedene Arten von Wissen abbilden und als Kombination eine effiziente, wissensbasierte Prozesskonfiguration ermöglichen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem Schließen der Prozesskonfigurationslücke, in dem eine Kombination aus Prozessen, Prozesskonfiguration, Ontologien und Regeln präsentiert wird. Dabei zählt zu den wichtigsten Beiträgen der Arbeit, Interoperabilität innerhalb des Bauprojekts voran zu bringen, eine unternehmensübergreifende, übergeordnete ontologische Struktur für die effektive Zusammenarbeit in den verteilten Bauumgebungen zu erarbeiten und eine intelligente Prozesskonfiguration und -rekonfiguration zu gewährleisten

Automatische Generierung adaptiver Modelle zur Simulation von Produktionssystemen

The simulation of production and logistics processes is used today in a variety of industries. Simulation is used for the analysis, design, and optimization of production and logistics processes and their resource requirements and can be used here both in the planning, commissioning, and during the actual operation.The undisputed great potentials of material flow simulation stand against high costs and effort for implementing simulation models and conducting simulation studies. Due to the poor integration and standardization of the simulation and increasing demands of companies with respect to accuracy, flexibility, adaptability, speed, cost, and reusability the expenses for using simulation are increasing.One approach that has been attempted repeatedly for several years as a contribution to mitigate the cost of using simulation is the automatic generation of simulation models. Automatic model generation refers to different approaches permitting simulation models or parts of models to be produced by means of algorithms. So far, no approach has been published which yields good results for a broad spectrum of application areas and industries.In this work, a comprehensive framework for the integration and automation of the simulation was designed and validated. The framework consists of organizational, methodical, and prototypically technical components. In this context, it is argued that for a broad application of automatic model generation the use of standards is required. Specifically, the Core Manufacturing Simulation Data (CMSD) is proposed as useful standard and a reference implementation of the standard provides the basis for the entire work. The support of all simulation phases, i.e. not only model building but also the evaluation of alternatives, initialization, evaluation of results, etc. is ensured throughout the entire framework. Furthermore, model generation methods and procedures for representing dynamic behavior in simulation models were specifically classified and selected methods were implemented and presented.Ein Ansatz, der seit einigen Jahren immer wieder als ein Lösungsbeitrag für eine bessere Nutzung der Simulation von Produktionsprozessen gerade in KMU’s betrachtet wird, ist die automatische Generierung von Simulationsmodellen. In dieser Arbeit wird ein umfassendes Rahmenwerk zur Integration bzw. Automatisierung der Simulation vorgestellt. Es wurden organisatorische, methodische als auch prototypisch technische Komponenten entworfen und validiert. Hierbei wird die These vertreten, dass eine breit anwendbare automatische Modellgenerierung allein durch die Nutzung von Standards zum Datenaustausch bzw. zur Konzeptmodellerstellung sinnvoll zu implementieren ist. Konkret wurde der Core Manufacturing Simulation Data (CMSD) Standard genutzt bzw. bildet dessen Referenzanwendung die Basis der Arbeit. Die Unterstützung aller Simulationsphasen, d.h. nicht allein der Modellerstellung sondern auch der Alternativenbildung, Initialisierung, Ergebnisauswertung usw. wird in allen Komponenten durchgehend gewährleistet. Weiterhin wurden konkret Modellgenerierungsmethoden und Verfahren zur Abbildung des dynamischen Verhaltens in Modellen klassifiziert und einzelne Lösungsansätze vorgestellt.Auch im Buchhandel erhältlich: Automatische Generierung adaptiver Modelle zur Simulation von Produktionssystemen / Sören Bergmann Ilmenau : Univ.-Verl. Ilmenau, 2014. XXXVII, 221 S. ISBN 978-3-86360-084-6 Preis: 31,20