Automatisierungstechnik-Wirtschaft
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Institut
Das Thema Digitaler Zwilling ist heutzutage aus keinem Industriezweig mehr wegzudenken. Die steigenden Rechner- und Netzwerkkapazitäten ermöglichen immer umfangreichere und realitätsnähere Simulationen von Prozessen und Anlagen. Ebenso steigt die Komplexität verfahrenstechnischer Anlagen und deren Steuerungen. Um mit dieser Entwicklung Schritt zu halten ist es notwendig, die Schulung der Anlagenbedienenden an diese Gegebenheiten anzupassen. Die Kanzler Verfahrenstechnik GmbH entwickelt und errichtet prozesstechnische Anlagen auf der ganzen Welt und ist dabei auch für die Ausbildung der Anlagenbediener*innen verantwortlich. Der bisherige Prozess sieht vor, auf Basis eines Frontalvortrags und Erklärens einzelner Anlagenfunktionen, den Bedienenden ein möglichst genaues Bild der Anlage und der damit verbundenen Gefährdungen, stofflicher oder physikalischer Natur, zu vermitteln. Die Sprachbarriere sowie die nur eingeschränkt vorhandenen Möglichkeiten, diese Gefährdungen im realen Betrieb zu zeigen, veranlassen das Unternehmen dazu, einen alternativen Schulungsprozess zu suchen. Die Integration eines digitalen Zwillings als Schulungsobjekt ist daher eine naheliegende Lösung, die im Lauf dieser Arbeit auf ihre Anwendbarkeit im Unternehmensumfeld überprüft wird. Die Imitation einzelner Komponenten als virtuelles Funktionsmodell einer Anlage soll den Anlagenbediener*innen ein besseres Situationsbewusstsein verschaffen, um die unzähligen Funktionen und Zustände jederzeit verstehen und nachvollziehen zu können und im Falle des Falles eine Gefahrensituation bereits in der Entstehung zu unterbinden. Um einen digitalen Zwilling erfolgreich in die Unternehmenstätigkeit zu integrieren, werden am Ende dieser Arbeit einige Rahmenbedingungen definiert, die es zu beachten gilt. Ebenso sind weitere Anwendungsgebiete die einen Mehrwert für das Unternehmen bieten in den abschließenden Betrachtungen nachzulesen.
Entwicklung von Endeffektoren mit integrierter Sensorik und Aktorik mittels additiver Fertigung
(2022)
Die Masterarbeit behandelt das Thema rund um Robotergreifer, die direkt mit additiver Fertigung hergestellt werden. Zu Beginn dieser Arbeit wird der Stand der Technik erarbeitet: Es wird geklärt welche Sensoren und Aktoren in konventionellen Greifersystemen eingesetzt werden. Im Anschluss an die theoretische Aufarbeitung herkömmlicher Endeffektoren werden 3D- Druck- Verfahren im Kunststoffbereich vorgestellt. Dieses Kapitel soll einen Überblick über die gängigsten Verfahren in diesem Bereich geben und dem Leser auf die nachfolgenden Kapitel vorbereiten. In diesem Kapitel wird neben den einzelnen Druckverfahren, auch auf die Multimaterialfähigkeiten der einzelnen Drucktechnologien eingegangen. Das Kapitel wird mit einer kleinen Übersicht über die Verfahren abgeschlossen und danach wird in das nächste Kapitel übergeleitet. Dieses hat zum Ziel die Anwendung des 3D-Drucks theoretisch zu beschreiben. Vordergründig wird hier die Verwendung von FFF-Druckern und SLA- Druckern beschrieben. Abschließend werden im Überkapitel „Stand der Technik“ geeignete Sensorik und Aktorik für additiv gefertigte Endeffektoren recherchiert und dargestellt. Diese Recherche stellt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, sondern soll auf den nachfolgenden praktischen Teil vorbereiten. Den Abschluss der theoretischen Kapitel bildet die Entwicklungsmethodik, welche idealerweise für den 3D- Druck verwendet werden sollte. Der darauffolgende praktische Teil beginnt mit Teillösungen, die zunächst in diesen Abschnitten entworfen werden. Alle Teillösungen werden dann real umgesetzt und die erhaltenen Daten sind in den Abschnitten entsprechend dargestellt. Hierbei gibt es sowohl Sensor- Lösungsansätze als auch Aktor- Lösungsansätze. Anhand dieser Teillösungen werden dann zwei Demo- Anwendungen konzipiert und umgesetzt. Die Umsetzungen sind in den vorgesehenen Abschnitten dargestellt. Abschließend werden die umgesetzten Teillösungen nochmal übersichtlich in einem Systembaukasten dargestellt, welcher in etwaigen nachfolgenden Arbeiten erweitert werden kann.
Traditionell wird das Erfahrungswissen in der Automatisierungstechnik aus Versuch und Irrtum generiert, so wird auch das Vorgehen im Entwurf von Steuerungssystemen geprägt. Die kosten- und zeitintensive Methodik eine Steuerung zu entwerfen, macht das Bedürfnis nach einer alternativen Methodik des Steuerungsentwurfs groß. Die Konzeption einer neuartigen Entwurfsmethodik, die Modellierung des Zustand-Zonen Modells (ZZM), brachte vielversprechende Behauptungen hervor. Ein ZZM sei eine vollständige und zuverlässige formale Spezifikation einer informell spezifizierten Steuervorgabe. Es gilt diese Aussage zu widerlegen oder Argumente für deren Richtigkeit zu beweisen. Die Arbeit zielt darauf ab, dem ZZM ein Modell einer vielversprechenden und bereits etablierten Modellierungs-Methodik gegenüberzustellen. Eine umfassende Analyse des Steuerungsentwurfsprozesses soll zeigen, in welcher Phase Qualität entsteht und wie diese übertragen und gesichert werden kann. Eine neu gedachte Anordnung der Qualitätsmerkmale von Software zeigt eindrucksvoll, welche Prämissen seit langem fehlinterpretiert wurden und wie sich die Realität abbildet. Die Definition zielgerichteter Fragen sichert eine korrekte Bewertung und die anschließende Gegenüberstellung der Modelle. In der Schlussbetrachtung fließen weitreichende Definitionen und Erkenntnisse aus der gesamten Arbeit mit ein.
Diese Masterarbeit befasst sich mit smarten, intelligenten Sensoren, Aktoren oder Hybridgeräten in der Automatisierungstechnik, die bedingt durch ihre Intelligenz zusätzliche Daten neben den eigentlichen Prozessdaten generieren. Erst die in den Geräten integrierte intelligente Schnittstelle über IO-Link macht die Kommunikation in die unterste Ebene der Automatisierungspyramide realisierbar und ermöglicht den Transport der Daten. Eine detaillierte Betrachtung der Technik der IO-Link-Schnittstelle und der Möglichkeiten von IO-Link in der Automatisierungstechnik lieferte beim Aufbau der Kommunikation und bei der Nutzung der zusätzlichen Parameter- und Diagnosedaten das notwendige Knowhow für die azyklische Kommunikation mit dem IO-Link-Device. Eine Analyse der zur Verfügung gestellten Daten und Möglichkeiten dieser Geräte von unterschiedlichen Herstellern für die unterschiedlichsten Anwendungen gewährt einen kleinen Einblick in den Horizont von IO-Link Devices und zeigt einen derzeitigen Auszug der am Markt verfügbaren Technik. Dabei stellen die Geräte abhängig vom Verwendungszweck und der Auswahl der Type unterschiedliche Variationen von Datensätzen zur Verfügung. Die Verarbeitung kann, ähnlich der Prozessdaten in der Steuerung, in dieser, oder in übergeordneten Side-Systemen erfolgen. Diese sollen ganz nach dem Motto der Industrie 4.0 den Y-Way zur Cloud realisieren und eine Grundlage für Analysen zur Verwendung wie in Folge von Predictive Maintenance beisteuern. Eine Betrachtung der einzelnen Softwaresysteme der einzelnen Hersteller zeigte eine Unabhängigkeit zu den IO-Link Geräten, jedoch aber eine teilweise Einschränkung durch die übergeordneten Schnittstellen der Mastersysteme der IO-Link Kommunikation. Die Tests dieser Systeme zeigten das Potenzial der Zusatzdaten und Prozessdaten der intelligenten IO-Link Devices und führten bedingt durch die Lizenzkosten zur Entwicklung des Gedankens an eine Low-Cost Variante eines ähnlichen Systems durch OpenSource-Softwaretools in Verbindung mit der Nutzung der IoT-Protokolle im Hintergrund der übergeordneten Systeme. Die Kurzzeittests des entwickelten Systems brachten positive Ergebnisse mit einem spannenden Ausblick für die Nutzung in Langzeittests – mit geeigneten Analysen zur Unterstützung in der Instandhaltung im Hinblick auf die dadurch erzielbare Steigerung der Anlagenverfügbarkeit.