Modellgestützter Entwurf von Feldgeräteapplikationen

Die Entwicklung von Feldgeräten ist ein äußerst komplexer Vorgang, welcher auf vielen Vorrausetzungen aufsetzt, diverse Anforderungen und Randbedingungen mitbringt und bisher wenig beachtet und veröffentlicht wurde. Angesichts der fortschreitenden Digitalisierung drängen immer mehr Anbieter auf den Automatisierungsmarkt. So sind aktuell zunehmend Technologien und Ansätze aus dem Umfeld des Internet of Things im Automatisierungsbereich zu finden. Diese Ansätze reichen von Sensoren ohne die in der Industrie üblichen Beschreibungen bis hin zu Marktplätzen, auf denen Integratoren und Anwender Softwareteile für Anlagen kaufen können. Für die neuen Anbieter, die häufig nicht aus dem klassischen Automatisierungsgeschäft kommen, sind die bisher bestehenden Modelle, Funktionalitäten, Profile und Beschreibungsmittel nicht immer leicht zu verwenden. So entstehen disruptive Lösungen auf Basis neu definierter Spezifikationen und Modelle. Trotz dieser Disruptivität sollte es das Ziel sein, die bewährten Automatisierungsfunktionen nicht neu zu erfinden, sondern diese effektiv und effizient in Abhängigkeit der Anforderungen auf unterschiedlichen Plattformen zu verwenden. Dies schließt ihre flexible Verteilung auf heterogene vernetzte Ressourcen explizit ein. Dabei können die Plattformen sowohl klassische Feldgeräte und Steuerungen sein, als auch normale Desktop-PCs und IoT-Knoten. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Werkzeugkette für den modellbasierten Entwurf von Feldgeräteapplikationen auf Basis von Profilen und damit für den erweiterten Entwurf von verteilten Anlagenapplikationen zu entwickeln. Dabei müssen die verschiedenen Beschreibungsmöglichkeiten evaluiert werden, um diese mit detaillierten Parameter- und Prozessdatenbeschreibungen zu erweitern. Außerdem sollen modulare Konzepte genutzt und Vorbereitungen für die Verwendung von Semantik im Entwurfsprozess getroffen werden. In Bezug auf den Geräteengineeringprozess soll der Anteil des automatisierten Geräteengineerings erweitert werden. Dies soll zu einer Flexibilisierung der Geräteentwicklung führen, in der die Verschaltung der funktionalen Elemente beim Endkunden erfolgt. Auch das Deployment von eigenen funktionalen Elementen auf die Geräte der Hersteller soll durch den Endkunden möglich werden. Dabei wird auch eine automatisierte Erstellung von Gerätebeschreibungen benötigt. Alle diese Erweiterungen ermöglichen dann den letzten großen Schritt zu einer verteilten Applikation über heterogene Infrastrukturen. Dabei sind die funktionalen Elemente nicht nur durch die Gerätehersteller verteilbar, sondern diese können auch auf verschiedenen Plattformen unterschiedlicher Gerätehersteller verwendet werden. Damit einher geht die für aktuelle Entwicklungen wie Industrie 4.0 benötigte geräteunabhängige Definition von Funktionalität. Alle im Engineering entstandenen Informationen können dabei auf den unterschiedlichen Ebenen der Automatisierungspyramide und während des Lebenszyklus weiterverwendet werden. Eine Integration diverser Gerätefamilien außerhalb der Automatisierungstechnik wie z. B. IoT-Geräte und IT-Geräte ist damit vorstellbar. Nach einer Analyse der relevanten Techniken, Technologien, Konzepte, Methoden und Spezifikationen wurde eine Werkzeugkette für den modellgestützten Entwurf von Feldgeräten entwickelt und die benötigten Werkzeugteile und Erweiterungen an bestehenden Beschreibungen diskutiert. Dies Konzept wurde dann auf den verteilten Entwurf auf heterogener Hardware und heterogenen Plattformen erweitert, bevor beide Konzepte prototypisch umgesetzt und evaluiert wurden. Die Evaluation erfolgt an einem zweigeteilten Szenario aus der Sicht eines Geräteherstellers und eines Integrators. Die entwickelte Lösung integriert Ansätze aus dem Kontext von Industrie 4.0 und IoT. Sie trägt zu einer vereinfachten und effizienteren Automatisierung des Engineerings bei. Dabei können Profile als Baukasten für die Funktionalität der Feldgeräte und Anlagenapplikationen verwendet werden. Bestehende Beschränkungen im Engineering werden somit abgeschwächt, so dass eine Verteilung der Funktionalität auf heterogene Hardware und heterogene Plattformen möglich wird und damit zur Flexibilisierung der Automatisierungssysteme beiträgt.The development of field devices is a very complex procedure. Many preconditions need to be met. Various requirements and constrains need to be addressed. Beside this, there are only a few publications on this topic. Due to the ongoing digitalization, more and more solution providers are entering the market of the industrial automation. Technologies and approaches from the context of the Internet of Things are being used more and more in the automation domain. These approaches range from sensors without the typical descriptions from industry up to marketplaces where integrators and users can buy software components for plants. For new suppliers, who often do not come from the classical automation business, the already existing models, functionalities, profiles, and descriptions are not always easy to use. This results in disruptive solutions based on newly defined specifications and models. Despite this disruptiveness, the aim should be to prevent reinventing the proven automation functions, and to use them effectively, and efficiently on different platforms depending on the requirements. This explicitly includes the flexible distribution of the automation functions to heterogeneous networked resources. The platforms can be classical field devices and controllers, as well as normal desktop PCs and IoT nodes. The aim of this thesis is to develop a toolchain for the model-based design of field device applications based on profiles, and thus also suitable for the extended design of distributed plant applications. Therefore, different description methods are evaluated in order to enrich them with detailed descriptions of parameters and process data. Furthermore, c oncepts of modularity will also be used and preparations will be made for the use of semantics in the design process. With regard to the device engineering process, the share of automated device engineering will be increased. This leads to a flexibilisation of the device development, allowing the customer to perform the networking of the functional elements by himself. The customer should also be able to deploy his own functional elements to the manufacturers' devices. This requires an automated creation of device descriptions. Finally, all these extensions will enable a major step towards using a distributed application over heterogeneous infrastructures. Thus, the functional elements can not only be distributed by equipment manufacturers, but also be distributed on different platforms of different equipment manufacturers. This is accompanied by the device-independent definition of functionality required for current developments such as Industry 4.0. All information created during engineering can be used at different levels of the automation pyramid and throughout the life cycle. An integration of various device families from outside of Automation Technology, such as IoT devices and IT devices, is thus conceivable. After an analysis of the relevant techniques, technologies, concepts, methods, and specifications a toolchain for the model-based design of field devices was developed and the required tool parts, and extensions to existing descriptions were discussed. This concept was then extended to the distributed design on heterogeneous hardware and heterogeneous platforms. Finally, both concepts were prototypically implemented and evaluated. The evaluation is based on a two-part scenario from both the perspective of a device manufacturer, and the one of an integrator. The developed solution integrates approaches from the context of Industry 4.0 and IoT. It contributes to a simplified, and more efficient automation of engineering. Within this context, profiles can be used as building blocks for the functionality of field devices, and plant applications. Existing limitations in engineering are thus reduced, so that a distribution of functionality across heterogeneous hardware and heterogeneous platforms becomes possible and contributing to the flexibility of automation systems

Integriertes Werkstückinformationsmodell zur Ausprägung werkstückindividueller Fertigungszustände

Durch die Digitalisierung und die Vernetzung der Fertigung werden Werkstücke zu Informationsträgern. In der Vision der werkstückgetriebenen Fertigung steuern sie eigenständig ihre individuelle Herstellung. Das durchgängige Engineering dieser Werkstücke erfordert die Entwicklung leistungsfähiger Methoden und Werkzeuge. Insbesondere die durchgängige Informationsverarbeitung in den CAx-Prozessketten von der Produktentwicklung bis in die Fertigung wird derzeit nicht ausreichend sichergestellt. Ein durchgängig nutzbares, digitales Informationsmodell zur Ausprägung von werkstückindividuellen Fertigungszuständen in der Fertigung existiert bislang nicht. Das entwickelte Konzept stellt eine Vorgehensweise vor, um diese Lücke in der CAx-Prozesskette zu schließen. Es spezifiziert dazu die digitale Repräsentation des integrierten Werkstückinformationsmodells, welches die geplanten mit den realisierten Fertigungszuständen über webbasierte Ansätze verknüpft. Merkmale und Verhalten werden dazu in der digitalen Repräsentation des 3D-Produktmodells durch semantische Annotationen gekennzeichnet und im Ablaufarbeitsplan zu definierten Fertigungszuständen abgeleitet. Die daraus entstehende Werkstückschablone bildet die informationstechnischen Vorgaben für die Ausprägung werkstückindividueller Fertigungszustände. Während der Fertigung werden dann die Informationen zum realisierten, individuellen Fertigungszustand eines einzelnen Werkstücks in der Werkstückschablone erfasst und webbasiert mit den Produktdaten abgeglichen. Die Auswertung der Werkstückschablone stellt dem Werker in der Fertigung eine Entscheidungsgrundlage bereit, um die Herstellungsprozesse werkstückindividuell im Sinne der werkstückgetriebenen Fertigung zu steuern. Die Tragfähigkeit des Konzepts wurde anhand eines repräsentativen Anwendungsbeispiels erfolgreich nachgewiesen. Das dazu prototypisch implementierte Assistenzsystem APIZ vernetzt über REST-konforme Webdienste Werkstücke als Informationsträger mit dem 3D-CAD-Autorensystem NX

Digitales Assistenzsystem für das Product Lifecycle Management - Analyseansatz mit Fokus auf IT-Schnittstellen

Die Digitalisierung ist die treibende Kraft der aktuellen Entwicklungen unter dem Schlagwort Industrie 4.0. Heterogene und dezentral entstandene IT-Systeme in Unternehmen zu vernetzen ist derzeit eine der Hauptheraus-forderung in der Industrie. Erst auf Grundlage dieser Basis können Prozesse automatisiert und vernetzt realisiert werden. Besonders die Schnittstellen zwischen den IT-Systemen bilden eine Schlüsselrolle. Um diese effizienter zu gestalten, ist im Rahmen dieser Dissertation eine Methode vorgestellt, die Verantwortliche im Bereich der Digitalisierung unterstützt. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Ansatz zum IT-Schnittstellenmanagement entwickelt. Als Ausgangspunkt wurden die Aspekte des Produktlebenszyklusmanagements untersucht. Aufbauend auf den Erkenntnissen wurde ein Digitales Assistenzsystem (DAs) entwickelt. „DAs“ ist eine Methodik für die Analyse einer IT-Systemlandschaft mit Fokus auf die IT-Schnittstellen. Durch die Analyse können Schnittstellenpo-tenziale und Workflows identifiziert werden. Des Weiteren können IT-Systeme hinsichtlich monetären und nicht- monetären Faktoren verglichen werden. Die Methode ist mithilfe der IT-Systemlandschaft im Industrie 4.0 Collaboration Lab am Institut für Informationsmanagement im Ingenieurwesen verifiziert und validiert

Entwicklung neuer Methoden zur eindeutigen und fehlerfreien Kommunikation im Bereich der 3D-modellbasierten Arbeitsweise

Die Digitalisierung industrieller Fertigungs- und Qualitätssicherungsprozesse hat mittlerweile in einer Vielzahl von Unternehmen Einzug gefunden und ist dort nicht mehr wegzudenken. Ausgehend von einem funktionalen 3D-CAD-Modell soll es möglich sein, nahezu alle produktbegleitenden Prozesse – von der Konstruktion bis zur Endabnahme beim Kunden – teil- oder vollautomatisiert zu steuern. Das Ziel ist die eindeutige Vergleichbarkeit konstruktiver, fertigungstechnischer und qualitätsrelevanter Daten im Produktentstehungsprozess. Gerade im Bereich der Qualitätssicherung und der abgeleiteten Messprotokollierung besteht diesbezüglich bisher nicht ausgeschöpftes Optimierungspotenzial. Die bestehende Entwicklungslücke stört die Durchgängigkeit der digitalen 3D-CAD-basierten Prozesskette und beeinträchtigt die Prozess- und Informationstransparenz innerhalb der Produktentstehung. Mit der Verwendung der Product and Manufacturing Information (PMI) im 3D-CAD-Modell wird dieser Problematik zwar entgegengewirkt, jedoch ist es bislang nur begrenzt möglich, die Produkt- und Fertigungsinformationen eindeutig und unverändert in der heterogenen CAx-Systemlandschaft innerhalb der Produktentstehung zu transferieren. Neben der fehlenden Eindeutigkeit der PMI liegt die Ursache häufig bereits bei Fehldefinitionen der Informationen im Bereich der Bauteilkonstruktion. Eine eindeutige Zuordnung der Prüfmerkmale zu den jeweiligen Geometrieelementen wird nicht gewährleistet, sodass prüftechnisch ermittelte Soll-Wert-Abweichungen aus der Qualitätssicherung nicht direkt (ohne manuelle Nach- bzw. Mehrarbeit) dem entsprechenden geometrischen Element im 3D-CAD-Modell zugeordnet werden können. Das Ziel dieser Arbeit ist daher, eine Methode zu entwickeln, mit der die 3D-CAD-Modellinformationen semantisch korrekt definiert und auf Basis einer einheitlichen Kennzeichnung eindeutig im Produktentstehungsprozess identifiziert und maschinenlesbar weiterverarbeitet werden können. Zusätzlich werden aufbauend auf der eindeutigen Identifikation der Bauteilinformationen neue Methoden im Bereich der 3D CAD-basierten Arbeitsweise entwickelt, die den Mitarbeiter im Bereich der Prüf- und Arbeitsplanung sowie bei arbeitsvorgangsspezifischen Aufgaben in der Fertigung entlasten.:1. Einleitung 2. Stand der Forschung und Technik 3. Anforderungsprofil zur Methodenentwicklung 4. Entwicklung von Methoden zur 3D-modellbasierten Arbeitsweise in der Fertigung 5. Validierung der Methode zur Erreichung eines 3D modellbasierten Fertigungsansatzes 6. Diskussion und Fazit zu den Ergebnissen im Bereich der 3D-modellbasierten Arbeitsweise 7. Zusammenfassung und Ausblic

Linked Enterprise Data als semantischer, integrierter Informationsraum für die industrielle Datenhaltung

Zunehmende Vernetzung und gesteigerte Flexibilität in Planungs- und Produktionsprozessen sind die notwendigen Antworten auf die gesteigerten Anforderungen an die Industrie in Bezug auf Agilität und Einführung von Mehrwertdiensten. Dafür ist eine stärkere Digitalisierung aller Prozesse und Vernetzung mit den Informationshaushalten von Partnern notwendig. Heutige Informationssysteme sind jedoch nicht in der Lage, die Anforderungen eines solchen integrierten, verteilten Informationsraums zu erfüllen. Ein vielversprechender Kandidat ist jedoch Linked Data, das aus dem Bereich des Semantic Web stammt. Aus diesem Ansatz wurde Linked Enterprise Data entwickelt, welches die Werkzeuge und Prozesse so erweitert, dass ein für die Industrie nutzbarer und flexibler Informationsraum entsteht. Kernkonzept dabei ist, dass die Informationen aus den Spezialwerkzeugen auf eine semantische Ebene gehoben, direkt auf Datenebene verknüpft und für Abfragen sicher bereitgestellt werden. Dazu kommt die Erfüllung industrieller Anforderungen durch die Bereitstellung des Revisionierungswerkzeugs R43ples, der Integration mit OPC UA über OPCUA2LD, der Anknüpfung an industrielle Systeme (z.B. an COMOS), einer Möglichkeit zur Modelltransformation mit SPARQL sowie feingranularen Informationsabsicherung eines SPARQL-Endpunkts.Increasing collaboration in production networks and increased flexibility in planning and production processes are responses to the increased demands on industry regarding agility and the introduction of value-added services. A solution is the digitalisation of all processes and a deeper connectivity to the information resources of partners. However, today’s information systems are not able to meet the requirements of such an integrated, distributed information space. A promising candidate is Linked Data, which comes from the Semantic Web area. Based on this approach, Linked Enterprise Data was developed, which expands the existing tools and processes. Thus, an information space can be created that is usable and flexible for the industry. The core idea is to raise information from legacy tools to a semantic level, link them directly on the data level even across organizational boundaries, and make them securely available for queries. This includes the fulfillment of industrial requirements by the provision of the revision tool R43ples, the integration with OPC UA via OPCUA2LD, the connection to industrial systems (for example to COMOS), a possibility for model transformation with SPARQL as well as fine granular information protection of a SPARQL endpoint

Plug and Produce für modulare verfahrenstechnische Anlagen

Sales market in process industry, especially for chemical, pharmaceutical and food industry, is becoming more and more volatile. Furthermore, the global availability of alternative products shortens the product life cycle. At the same time, the requested volumes depend on strong regional and temporal fluctuations, which are increasingly difficult to predict. To be able to bring product innovations successfully to market, rapid series-production readiness of the prototype is needed. However, the competition after successful approval is increasingly getting tougher. As soon as the product has been accepted by the market, the time necessary to reach sufficient product quantities with required product quality is essential for its profitability. By the end of the product life cycle, the production should be close to the largest remaining sales markets, which means that the production can be shifted accordingly. Classical production processes in process industry do not fulfil these requirements jet. Conti-systems are optimized for a certain production quantity per unit of time, which should not be changed for years, if possible. The higher flexibility of conventional batch plants is associated with unproductive times, for example during conversion. However, modularization of process plants with flexible combinatory design would allow faster turnover times and higher productivity. Individual modules realize standardized production steps and can be combined according to the requested product. Changes to the product are achieved by the exchange of modules, the production quantity can be increased by adding more of the same modules. The integration of a module into an upper classic process control system is laborious using the information models and tools available today. Various aspects of automation, such as human machine interfaces, statuses of sequences or interlocks must be added manually for the visualization and guidance of the module in an upper process control system. However, today's control systems are not prepared to provide the required flexibility of a system based on different modules. This drawback requires a modular plug-and-production methodology. Therefore, an outright modeling of information, beginning with modular and function-oriented integrated engineering is needed. On the one hand, this work considers with a selection of integration aspects, a detailed modeling of this aspects in an information carrier and the integration into the process control level. On the other hand, the concrete selection of one or more descriptive formats is analyzed. For this purpose, a uniform integration architecture and an integration process is described, this allows integration into an upper process control system level. This analysis shows that, with the available descriptive formats, a mapping of the individual integration aspects into an information carrier is possible. It is important to distinguish whether a separate mapping is chosen for each aspect, as chosen by GrapML in the second practical implementation, or whether a uniform format is used for the entire information carrier. The evaluation of the description formats suggests for the use in the information carrier AutomationML. The practical implementation and investigation with AutomationML are already in the scope of the Namur MTP developments and couldn’t therefore investigated deeply in this work. For the most important aspects, the human machine interface as well as the process management, detailed information modeling is available and was checked during implementation. Two different possibilities were presented and discussed for the selection of description formats. To allow flexible extensibility, it is advantageous to choose a description means in which the integration aspects are described separately from each other, independently of the specifically chosen format. A uniform interface within automation systems is required for the needs of the so-called industry 4.0 for the networking and consistency of all components involved throughout the entire life cycle. This work provides the first building blocks of this approach and enables application in process industry but also manufacturing industry

Methodik zur produktionsorientierten Produktanalyse für die Wiederverwendung von Produktionssystemen - 2REUSE : Konzept, Informationsmodell und Validierung am besonderen Beispiel des Karosserierohbaus in der Automobilindustrie

Das Ziel dabei ist die Absicherung der prinzipiellen Herstellbarkeit eines Produktes auf die jeweilige Produktionslinie. Diese Anforderungsabstimmungen sind ein wesentlicher Faktor für hohe Qualität und effizienten Änderungsbedarf vor Anlauf der Produktion, gemäß dem Motto:“Do it right the first time“. Durch einen Feedback-Prozess werden die relevanten Anforderungen von den späteren Phasen des Produktlebenszyklus an die Produktentwicklung und Produktionsplanung zurückgeführt

Auswirkungen fachlicher und funktionaler Heterogenität auf Arbeitsteams: Eine Metaanalyse

In der Produktentwicklung ist eine interdisziplinäre, cross-funktionale Herangehensweise zwingend notwendig, um die komplexen Rahmenbedingungen der Produktentwicklung zu beherrschen. Insbesondere an der Schnittstelle zwischen Technik und Industriedesign kommt es jedoch durch die Heterogenität im Team immer wieder zu Problemen bei der Zusammenarbeit. Eine wichtige Rolle spielen dabei die funktionale Heterogenität, die sich aus der Zugehörigkeit zu Funktionseinheiten ergibt, sowie die fachliche Heterogenität, die durch Unterschiede bezüglich Wissen, Kompetenzen oder der (Aus-)Bildung entsteht. Die Forschungslage zu diesen berufsbezogenen Heterogenitätsmerkmalen wird als ambivalent beschrieben, weshalb sie in diesem Beitrag näher beleuchtet wird

Eine Methode zur Unterstützung der disziplinübergreifenden Zusammenarbeit in der Produktentwicklung auf Grundlage einer integrierten Visualisierung konzeptioneller Modelle

Die industrielle Produktentwicklung fußt auf der Zusammenarbeit verschiedener Fachbereiche. Eine integrierte Darstellung von fachlichen Modellen macht Abhängigkeiten zwischen den Fachbereichen sichtbar und gibt Abstimmungsprozessen eine anschauliche Grundlage. Dafür wird die räumliche Tiefe als Darstellungsmittel eingeführt. Modelle werden in einer 3D-Darstellung positioniert und die Abhängigkeiten sichtbar gemacht. Anhand dieser Darstellung wird die übergreifende Kommunikation gefördert

KomBInoS - Modellgetriebene Entwicklung von multimodalen Dialogschnittstellen für Smart Services

Diese Arbeit ist angesiedelt im Kontext der drei Forschungsgebiete Smart Service Welt, Modellgetriebene Softwareentwicklung und Intelligente Benutzerschnittstellen. Das Ziel der Arbeit war die Entwicklung eines ganzheitlichen Ansatzes zur effizienten Erstellung von multimodalen Dialogschnittstellen für Smart Services. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde mit KomBInoS ein umfassendes Rahmenwerk zur modellgetriebenen Erstellung solcher Benutzerschnittstellen entwickelt. Das Rahmenwerk besteht aus: (1) einer Metamodell-Architektur, welche sowohl eine modellgetriebene Entwicklung als auch die Komposition von multimodalen Dialogschnittstellen für Smart Services erlaubt, (2) einem methodischen Vorgehen, welches aus aufeinander abgestimmten Modelltransformationen, möglichen Kompositionsschritten und manuellen Entwicklungstätigkeiten besteht, sowie (3) einer integrierten Werkzeugkette als Implementierung der Methode. Es wurde außerdem eine cloud-fähige Laufzeitumgebung zur mobilen Nutzung der so erstellten Benutzerschnittstellen entwickelt. Als Proof-of-Concept werden acht Beispielanwendungen und Demonstratoren aus fünf Forschungsprojekten vorgestellt. Zusätzlich zur Smart Service Welt fand und findet KomBInoS auch Anwendung im Bereich der Industrie 4.0.This work is located in the context of the three research areas Smart Service World, Model-Driven Software Development and Intelligent User Interfaces. The aim of the work was to develop a holistic approach for the efficient creation of multimodal dialogue interfaces for Smart Services. To achieve this goal, KomBInoS was developed as a comprehensive framework for the model-driven creation of such user interfaces. The framework consists of: (1) a metamodel architecture that allows both model-driven development and the composition of multimodal dialogue interfaces for Smart Services, (2) a methodical approach consisting of coordinated model transformations, possible compositional steps and manual development activities, as well as (3) an integrated tool chain as an implementation of the method. Furthermore, a cloud-enabled runtime environment was developed for mobile use of the user interfaces created in this way. As proof-of-concept, eight sample applications and demonstrators from five research projects will be presented. In addition to the Smart Service Welt, KomBInoS was and is also used in the field of industry 4.0