Neues Konzept zur Planung, Ausführung und Überwachung von Roboteraufgaben mit hierarchischen Petri-Netzen

Es wird gezeigt, wie die aufgabenausführungsrelevanten Komponenten einer hybriden Steuerungsarchitektur mit Hilfe von hierarchischen Petri-Netzen umgesetzt, integriert und mit Überwachungsmodulen verknüpft werden können. Hierzu wird zunächst ein Konzept zur Generierung von Aufgabenwissen vorgeschlagen, das es erlaubt Bausteine komplexer Handlungen systematisiert zu entwerfen. Im Anschluss wird ein neues Konzept zur online Überwachung von Bewegungsvorgängen bei humanoiden Robotern vorgestellt

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

Konsistenzbasierte Fehlerdiagnose nichtlinearer Systeme mittels Zustandsmengenbeobachtung

Diese Arbeit beschreibt ein Verfahren zur konsistenzbasierten Fehlerdiagnose zeitkontinuierlicher nichtlinearer Systeme mittels Zustandsmengenbeobachtung. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Durchführung der Zustandsmengenbeobachtung mittels Einschließungsverfahren für gewöhnliche Differenzialgleichungssysteme. Es werden zwei Konzepte zur Zustandsmengenbeobachtung vorgestellt und verglichen sowie anhand von Anwendungsbeispielen deren praktische Einsetzbarkeit verdeutlicht

Ein neues Konzept zur Diagnose elektrochemischer Sensoren am Beispiel von pH-Glaselektroden

Unternehmen der Prozessindustrie verlangen zunehmend Sensoren mit einer integrierten Diagnosefunktionaliät, die Informationen über den technischen Zustand der eingesetzten Betriebsmittel gibt. Ziel der Arbeit ist es, am Beispiel von pH-Glaselektroden ein neues Konzept zu entwickeln, das es möglich macht, den technischen Zustand von elektrochemischen Sensoren abzubilden. Anhand von Daten aus Laborversuchen sowie aus industriellen Anwendungen wird der Nachweis der Funktionsfähigkeit erbracht

Entwurf eines fehlertoleranten Lenkventils für Steer-by-Wire Anwendungen bei Traktoren

In der Arbeit wird ein hydrostatisches Steer-by-Wire Ventil mit unabhängigen Steuerkanten untersucht und bezüglich der Eignung für sicherheitskritische Anwendungen bewertet. Durch experimentelle Untersuchungen wird nachgewiesen, dass Ventilfehler inhärent kompensiert werden können und die Lenkbarkeit auch im Fehlerfall gewährleistet ist. Der Verzicht auf eine strikt zweikanalige Struktur mit unabhängigen Abschaltpfaden sorgt für eine niedrige Systemkomplexität

Untersuchung von HelpDesk-Systemen der Kommunikationsbranche

The fast availability of technical solutions is important to businesses facing problems occurred in the IT infrastructure. The removal of these problems can be ensured by means of helpdesk systems (labor organization). The helpdesk system is supported by independently operating IT systems such as trouble ticket systems, network management systems, and network documentation systems. The subject of this study is the further development and integration of these IT support systems. The concept of the trouble ticket systems is further developed into flexibly customizable information management and information exchange systems. A generic model of a helpdesk application has been developed for this purpose. The core of the generic model is a state-space-based control system which represents a new form of controlling, regulating, and monitoring information flows in helpdesk systems. The applicability of the generic model has been proved by means of a prototype implementation. Since all trouble ticket systems analyzed in the scope of the study are based on a client-server architecture, possible advantages of using another type of architecture for setting up a helpdesk application have to be verified. As an example, an architectural concept has been designed for a helpdesk application based on mobile agents. This concept offers advantages regarding the utilization of the network resources. Its high potential for the development of adaptation and automation options by far exceeds the one of current client-server-based systems. Umbrella management systems are used for network management. They merely provide monitoring features. Due to their architecture, they cannot perform automated network management. The basic requirement for the automation of network management is the network documentation. In the scope of this study, a layer-model of the network documentation has been created. This model divides the network into the functional layers as required for a network documentation. This new type of network documentation permits the integration of up-to-date operating state data into the network model. By linking the topology information with the operating state data, new approaches for creating model-based impact and root cause analyses have been developed. For the purpose of setting up automated network management, an architectural concept for active network management has been created in the scope of this study. In contrast to existing systems, this concept does not limit the number of error cases that can be processed automatically.Für aufgetretene Probleme in der IT-Infrastruktur ist die schnelle Verfügbarkeit von technischen Lösungen für Unternehmen wichtig. Die Beseitigung der Probleme wird durch HelpDesk-Systeme (Arbeitsorganisationsform) sichergestellt. Zur IT-Unterstützung eines HelpDesk-Systems werden unabhängig voneinander arbeitende IT-Systeme wie Trouble-Ticket Systeme, Netzwerkmanagementsysteme und Netzwerkdokumentationssysteme eingesetzt. Gegenstand dieser Arbeit ist eine Weiterentwicklung und Integration dieser IT-Unterstützungssysteme. Das Konzept der Trouble-Ticket Systeme wird zu flexibel anpaßbaren Informationsverwaltungs- und Informationsaustauschsystemen weiterentwickelt. Hierzu wurde ein generisches Modell einer HelpDesk-Applikation entwickelt. Kern des generischen Modells ist ein zustandsraumbasiertes Steuerungssystem, welches eine neue Art der Steuerung, Regelung und überwachung von Informationsströmen in HelpDesk-Systemen darstellt. Der Nachweis der Anwendbarkeit des generischen Modells ist durch eine prototypische Implementierung erbracht worden. Da alle in der Arbeit analysierten Trouble-Ticket Systeme auf einer Client-Server Architektur basieren, gilt es festzustellen, ob eine andere Architekturform Vorteile zum Aufbau einer HelpDesk-Applikation aufweist. Exemplarisch wurde hierzu ein Architekturkonzept für eine HelpDesk-Applikation auf Basis mobiler Agenten entworfen. Dieses bietet Vorteile bei der Ausnutzung der Netzwerkressourcen und weist ein hohes Entwicklungspotential von Adaptions- und Automatisierungsmöglichkeiten auf, welches weit über dem heutiger Client-Server basierter Systeme liegt. Für das Netzwerkmanagement werden Umbrella-Management-Systeme eingesetzt, die nur eine Überwachung ermöglichen. Aufgrund ihrer Architektur können sie kein automatisches Netzwerkmanagement leisten. Grundvoraussetzung für die Automatisierung des Netzwerkmangements ist die Netzwerkdokumentation. In dieser Arbeit ist ein Schichtenmodell der Netzwerkdokumentation entstanden, welches das Netzwerks in funktionale Ebenen einteilt, wie sie für eine Netzwerkdokumentation benötigt werden. Diese neue Art der Netzwerkdokumentation ermöglicht die Abbildung aktueller Betriebszustandsdaten in das Netzwerkmodell. Durch die Verknüpfung der Topologieinformationen mit den Betriebszustandsdaten konnten neue Ansätze zum Aufbau modellbasierter Impact- und Root-Cause Analysen entwickelt werden. Für den Aufbau eines automatischen Netzwerkmanagements ist in dieser Arbeit ein Architekturkonzept für ein aktives Netzwerkmanagement geschaffen worden. Hier ist im Gegensatz zu bestehenden Systemen die Anzahl der automatisch bearbeitbaren Fehlerfälle nicht beschränkt

Clusterbasierte Zustandsbewertung von technischen Systemen zur Unterstützung der prädiktiven Instandhaltung

Die zunehmende Digitalisierung ermöglicht Unternehmen die Umsetzung neuartiger Instandhaltungsansätze. So wird bei der prädiktiven Instandhaltung anhand von Sensordaten eine umfassende und kontinuierliche Bewertung des Zustands eines technischen Systems vorgenommen. Fehlerhaftes Verhalten kann frühzeitig diagnostiziert und der Ausfallzeitpunkt prognostiziert werden. Als Konsequenz lassen sich notwendige Instandhaltungsmaßnahmen effizient planen. Die Umsetzung einer prädiktiven Instandhaltung erfordert die Entwicklung von innovativen Algorithmen. Dadurch motiviert ist das Ziel der vorliegenden Arbeit die Entwicklung, Implementierung und Bewertung eines datenbasierten Algorithmus. Der Fokus liegt dabei auf der Entwicklung eines neuen Ansatzes zur Diagnose der Degradation eines Systems. Ungenauigkeiten bei diesem Schritt führen zu einer fehlerbehafteten Prognose und somit zu falsch geplanten Instandhaltungsmaßnahmen. Auf Basis historischer Schadensverläufe identifizieren und modellieren datenbasierte Algorithmen Zusammenhänge zwischen dem Zustand des Systems und Merkmalen, welche aus den Sensorsignalen gewonnen werden. Eine Herausforderung hierbei ist, dass die Relevanz von Merkmalen zwischen unterschiedlichen Schadensverläufen aufgrund der Stochastik von Degradierungsprozessen variiert. Dies erschwert eine einheitliche Modellierung. Der in dieser Arbeit vorgeschlagene Algorithmus löst dieses Problem mithilfe der hierarchischen Clusteranalyse. Dies ermöglicht, ähnliche Schadensverläufe innerhalb einer Datenbank zu identifizieren und anschließend zu gruppieren. Innerhalb dieser Gruppen können datenbasierte Algorithmen relevante Merkmale erkennen und Zusammenhänge modellieren. Zu diesem Zweck wird ein Algorithmus vorgeschlagen, welcher die automatische Identifikation und Bewertung von Merkmalen auf Grundlage von historischen Daten erlaubt. Die Abschätzung des Zustands findet in zwei Schritten statt. Zunächst erfolgt die Bestimmung der ähnlichsten Gruppe zum aktuellen Schadensverlauf. Im Anschluss findet die Bewertung des Zustands anhand geeigneter Merkmale statt. Die vorliegende Arbeit behandelt drei Forschungsfragen. Die Erste analysiert den Einfluss des Ansatzes auf die Prognosefähigkeit. Bei einer Gegenüberstellung mit einem Vergleichsalgorithmus zeigt sich, dass die Gruppierung von Schadensverläufen die Zustandsbewertung positiv beeinflusst. Dadurch kann die Genauigkeit der Restlebensdauerprognose erhöht und Unsicherheiten der Vorhersage reduziert werden. Die zweite Forschungsfrage untersucht die Übertragbarkeit des Ansatzes auf unterschiedliche Anwendungsfälle. Drei definierte Szenarien liefern den Nachweis, dass der Ansatz ohne Anpassungen eine Prognose auf Basis unterschiedlicher Sensorquellen ermöglicht. Eine generelle Übertragbarkeit ist jedoch nicht gewährleistet, da hinsichtlich einer äußeren Belastung Einschränkungen vorzunehmen sind. Im Rahmen der dritten Fragestellung wird eine wirtschaftliche Betrachtung durchgeführt. Dabei wird analysiert, ob eine Instandhaltung auf Basis des entwickelten Algorithmus einen Vorteil gegenüber einem herkömmlichen Ansatz bietet. Zu diesem Zweck werden die Systemkosten pro Zeiteinheit betrachtet, die sich aus fiktiven Kosten für präventive und korrektive Instandhaltungsmaßnahmen berechnen. Das Ergebnis dieser Gegenüberstellung ist, dass eine Halbierung der Systemkosten und eine Verringerung der ungeplanten Ausfälle möglich sind, wenn ein Austausch auf Basis der prognostizierten Restlebensdauer stattfindet. Mit dem Ziel, die Untersuchungen unter realistischen Rahmenbedingungen durchzuführen, zieht die vorliegende Arbeit reale Schadensverläufe einer Beispielkomponente heran. Diese wurden mithilfe eines Prüfstandes erhoben, der die Erfassung des Degradierungsprozesses von Lagerelementen eines Asynchronmotors ermöglicht. Zur Generierung einer Datenbasis dienten die Phasenströme des Motors sowie die am Gehäuse gemessenen Vibrationen

Dynamische Rekonfigurationsmethodik für zuverlässige, echtzeitfähige Eingebettete Systeme in Automotive

Currently, dynamically reconfigurable systems are not used in automotive and there is no process model for their development. The focus of this dissertation is to explore methods and approaches for the development of such systems. One major architectural driver is autonomous driving, another is functional high integration on central computing platforms. Taking these into account, dynamic reconfiguration is classified and explored

Modellbasiertes Konzept zur vollautomatisierten Montageendprüfung von asynchron angetriebenen Getriebemotoren im lastlosen Zustand

By the overall system of a fully automated final inspection of gearmotors, a new approach, in terms of the mass quality inspection of individually configured products according to the guidelines of a modular system, is presented. The challenge of the new approach is to map the product variety and to design effective visual and acoustic testing algorithms. Through a comprehensive consideration of the process the potential to increase the efficiency of the final inspection is demonstrated