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Immer volatilere Märkte, stetig neue Kunden*innenanforderungen und erbitterte Preisschlachten mit Markteilnehmern*innen und das alles in Kombination mit verkürzten Produktlebenszyklen. Wie soll sich das langfristig gerade für mittelständische Unternehmen ausgehen? Die digitale Transformation ist dahingehend ein omnipräsentes Thema in der Industrie, wird sie doch als Löser vieler dieser Probleme gesehen.
Doch es stellt gerade das erforderliche Know-How für die Durchführung von digitalen Transformationsprozessen insbesondere traditionelle Unternehmen vor wesentliche Herausforderungen. Aus diesem Grund verfolgt die vorliegende Masterarbeit das Ziel, genau solchen Unternehmen eine Unterstützung in Form eines Umsetzungsleitfadens, für die digitale Transformation von Messprozessen zu bieten. Es wird dabei anhand eines realen Unternehmens der produzierenden Industrie methodisch der Frage nachgegangen, wie gegenwärtig überwiegend analoge Messprozesse, mit hohem Grad an menschlicher Interaktion, systematisch digital transformiert werden können.
Hierzu wird zunächst eine fundierte Literaturrecherche betrieben, um dabei den Hintergrund und die Fachtermini digitaler Transformation sowie Digitalisierung zu klären. Im eigenen Kapitel der digitalen Transformation wird nochmals aus Managementsicht ein Blick auf dieses Thema geworfen, bevor im Kapitel zu modellbasierter digitaler Transformation konkret auf Vorgehensmodelle, Referenzmodelle und Reifegradmodelle eingegangen wird. Auf Basis der Erkenntnisse aus den vorangegangenen Kapiteln wird im Kapitel fünf ein eigenes Reifegradassessment-Tool entwickelt, mit dem der digitale Reifegrad bestehender Prozesse erfasst werden kann. Im Anschluss daran erfolgt die praktische Anwendung dieses Tools durch eine konkrete Betrachtung mehrerer Messprozesse des Beispielunternehmens sowie einer konsekutiven Identifikation konkreter digitaler Transformationspotentiale. Das vorletzte Kapitel zeigt die praktische Umsetzung von Digitalisierungsmaßnahmen an den Messprozessen des Unternehmens, bevor im abschließenden Kapitel die vorliegende Masterarbeit nochmals kritisch resümiert wird.
Die Komplexität von automatisierten Systemen, die durch eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) gesteuert werden, wie es Prüfstände in der Automobilindustrie sein können, nimmt weiter zu. Die herkömmliche Planung, Programmierung und Bewertung dieser Systeme ist auf lange Sicht nicht kosteneffizient. Daher ist es für den Erfolg eines Unternehmens wichtig, die Effizienz des Entwicklungs- und Fertigungsprozesses zu steigern. Ziel dieser Masterarbeit ist es daher, eine Anwendung zu entwickeln, die den Prozess solcher Systeme stärker automatisiert. Dies bedeutet, dass eine SPS-Software oder ein Validierungsplan für ein System nahezu automatisiert erstellt wird. Um dieses Ziel zu erreichen, ist die programmierte Anwendung in der Lage, Daten aus einer externen Quelle zu importieren und konvertieren. Die importierte Datei wird aus einem aktuellen Schaltplanprojekt eines solchen automatisierten Systems erstellt. Die Anwendung wandelt diese Daten in nützliche Informationen um, die in der entwickelten Anwendung verarbeitet werden, um den Entwicklungsprozess zu automatisieren. Zusammengefasst erlaubt das entwickelte Programm die Erstellung einer Hardwarekonfiguration, das Anlegen lokaler und globaler Variablen, die Erstellung von definierten Quellcodezeilen in der Entwicklungsumgebung TwinCAT3 sowie die Erstellung eines Bewertungsplanes. Je nach Komplexität des Systems ist das manuelle Eingreifen von Entwickler*innen in die Projekterstellung möglich bzw. notwendig. Allerdings macht diese Anwendung den Entwicklungsprozess von Anlagen, welche von einer SPS gesteuert werden, effizienter und führt zu einer Senkung der Fehleranfälligkeit.
Implementierung eines Mess- und Protokollsystems einer AC Wandladestation für Elektrofahrzeuge
(2021)
Elektrofahrzeuge (EVs) sind auf gutem Weg, der zukünftige Standard im Transportwesen zu werden. Das Energy Analytics and Solution Lab (EAS-Lab) an der FH Campus 02 bietet Möglichkeiten zum Laden von Elektrofahrzeugen über Wandladestationen. Das EAS-Lab ist als ein Netzwerk von Geräten zu sehen, welche Energie erzeugen, analysieren und verbrauchen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Wandladestationen an das EAS-Lab-Netzwerk anzubinden und ein Mess- und Protokollierungs-System in Hard- und Software zu implementieren. Des Weiteren werden die gesammelten Daten zur Energieanalyse im Ladeprozess genutzt. Es werden die Möglichkeiten der Impedanzanalyse und der Zustandsbewertung (State of Health/SoH) von Fahrzeugbatterien erforscht. Für die Messungen wird ein Siemens PAC2200 Smart Meter gewählt, der über Modbus TCP mit dem EASLab verbunden wird. Zusätzlich wird eine Windows Presentation Foundation (WPF) Benutzeroberfläche entwickelt, um den Modbus-Datenverkehr zu verarbeiten und die Ladedaten zu visualisieren. Das Programm wird mit einer SQL-Datenbank verbunden, welche spezifische Informationen über die Benutzenden und deren Ladedaten auf zyklischer Basis speichert. Zwei Messzyklen werden mit einem Elektrofahrzeug durchgeführt, um das Programm zu validieren. Die Verbindungen zu den Wallboxen und dem Smart Meter werden erfolgreich hergestellt, und das Programm wird implementiert. Auf Grundlage der gewonnenen Daten wird für beide Messzyklen eine Impedanzanalyse durchgeführt. Die gespeicherten batteriespezifischen Daten, welche über Modbus gesammelt werden, reichen nicht aus, um eine Abschätzung des SoH der Fahrzeugbatterie vorzunehmen. Das System bietet jedoch die Möglichkeit, das Ladeleistungsverhalten in Langzeitmessungen zu untersuchen. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit gezeigt, wie ein Energiemess- und Protokollierungs-System in einer Laborumgebung implementiert wird. Damit stehen für zukünftige Studierende an der FH Campus 02 zusätzliche Messmöglichkeiten im EAS-Labor zur Verfügung. Diese Arbeit kann als Grundlage für weitere Forschungen sowie als Referenz für zusätzliche SoH Abschätzungen betrachtet werden.
Durch die zunehmende Digitalisierung können Produktionssysteme flexibler aufgebaut werden, um Kundenanforderungen besser nachzukommen. Grundlage dafür ist eine dezentrale Auslegung der Systeme. Für eine zentral ausgelegte Zellstoffproduktionsanlage wird ein neues dezentrales Konzept erstellt und getestet. Die Automatisierung der Anlage wird dezentral aufgebaut. Ein solches Automatisierungs-Konzept für Produktionsanalgen bietet viele Vorteile für Unternehmen. Indem jede Maschine als standalone Equipment umgesetzt wird, können entlang der gesamten Wertschöpfungskette Standards eingeführt werden. Vom Verkauf bis zur Inbetriebnahme können dadurch Prozesse vordefiniert werden. Dadurch verkürzt sich die Zeit, die für das Engineering der Maschine benötigt wird. Zusätzlich können aufgrund des modularen Aufbaus die Maschinen bereits vor der Auslieferung so gefertigt werden, dass sie vollständig funktionsfähig sind. Bei zentralen Auslegungen ist dies nicht der Fall. Eine dezentrale Auslegung ermöglicht es daher vorab Tests durchzuführen und Fehler zu beheben. Auf diese Weise werden kostenintensive Montagen und Inbetriebnahmen verkürzt. Die Software bleibt jedoch zentral, da die Vorteile einer zentralen Steuerung im Fall der Zellstoffproduktionsanlage in den meisten Bereichen überwiegen. Aufgrund des dezentralen Konzepts kann die Anlage kostengünstiger angeboten werden und ist flexibler bedienbar. Das Konzept setzt den Grundstein für eine weitere Dezentralisierung, sobald es dementsprechende technische Möglichkeiten gibt.
In der industriellen Kommunikation werden unterschiedliche Netzwerke verwendet. Diese Netzwerke bestehen aus Hard- und Software, um in Abhängigkeit von den situativen Anforderungen robuste, zuverlässige und manchmal auch Echtzeitvorgänge zu gewährleisten. Es besteht ein wachsender Bedarf an industriellen Automatisierungssystemen mit einem herstellerunabhängigen Industrieprotokoll. Für ein Automatisierungsnetzwerk gibt es relevante Faktoren und Schlüsselthemen, wie ein offenes System, geringere Verdrahtungskosten, erhöhte Informationsverfügbarkeit der Feldgeräte und niedrigere Engineeringkosten zu gewährleisten. Das Ziel dieser Masterarbeit ist es, die Entwicklungszeit zu reduzieren und Konfigurationsfehler in der Netzwerkkonfiguration zu vermeiden, was zu einer wesentlichen Senkung der Entwicklungskosten führt. Es wurde eine Bewertung verschiedener Feldbussysteme für ein Prozessautomatisierungssystem durchgeführt. Die Schlüsselfaktoren für die Netzwerkauswahl waren die Sicherheitsbedingungen und die Konfigurationsoptionen. Diese Analyse wurde verwendet, um ein Netzwerk auszuwählen, welches die Erwartungen eines zuverlässigen Datentransportsystems erfüllt. Für das entsprechende Netzwerk wurde eine Software zur automatischen Konfiguration entwickelt. Die Ausgabe der entwickelten Software wurde in ein Testsystem implementiert, um den korrekten Betrieb zu überprüfen. Die Ergebnisse dieses Tests bestätigten die Funktionalität der Software. Die Verkürzung der Engineering-Zeit wurde erwiesen und Konfigurationsfehler sind nahezu unmöglich. Dieses Ergebnis ist die Basis für die zukünftige Implementierung in der Automatisierungstechnik. Es kann behauptet werden, dass eine zuverlässige herstellerunabhängige Netzwerkkommunikation denkbar ist und eine automatisierte Konfiguration für Netzwerkknoten das Engineering des Netzwerks unterstützen kann.
Der kontinuierlich steigende Bedarf an elektrischer Energie und die negativen Auswirkungen des Klimawandels verlangen effiziente und kohlenstoffarme Technologien in der Energieversorgung. Vor allem der Photovoltaik (PV-Energie) wird dabei ein hohes Potenzial zugeschrieben, was sich auch in einer stetigen Erhöhung der installierten PV-Anlagen widerspiegelt. Um einen störungsfreien und effizienten Betrieb der PV-Anlagen zu ermöglichen, ist es notwendig, Fehler frühzeitig zu erkennen und zu beheben. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit folgender zentralen Fragestellung: Inwiefern kann ein Digitaler Zwilling der Energieproduktion einer nachgeführten PV-Anlage zur Fehlerdiagnose angewandt werden? Die Untersuchung erforscht dabei u.a. die Parameter, die zur Entwicklung eines solchen Energiemodells notwendig sind. Mithilfe einer entwickelten Messtechnik werden die Ausrichtung, die Neigung und die Temperatur der PV-Module sowie die globale Strahlungsintensität ermittelt. Dabei sendet ein Mikrocontroller zur weiteren Verarbeitung die Messwerte per Modbus TCP an einen Server. Basierend auf den erhobenen Kenngrößen und dem aktuellen Sonnenstand wird die Leistung der PV-Anlage in C# simuliert. Zur Visualisierung und Auswertung werden die Ergebnisse in ein Prozessleitsystem überführt sowie in einer SQL-Datenbank archiviert. Die Modellevaluierung zeigt, dass die Genauigkeit der erhobenen Parameter ausreichend hoch ist, um damit die Leistung der PV-Anlage zu simulieren. Lediglich die Bestimmung der Strahlungsanteile auf einer geneigten Fläche erweist sich als problematisch und bedarf, für eine exakte Erhebung, zusätzlicher Sensorik. Mit Hilfe des entwickelten Modells lassen sich die wesentlichen Zusammenhänge u.a. von Sonnenstrahlung, Einfallwinkel und Energieertrag, abbilden. Obwohl bereits erste Fehlerdiagnosen mit dem Modell getätigt werden können, ist eine Erweiterung der Abbildungstiefe und Modellkomplexität dringend empfohlen. Erst hierdurch lassen sich detaillierte Aussagen über die heterogenen Fehlerarten tätigen. Daneben stellt die Auswertung der Modellanomalien durch Verwendung von selbstlernenden Algorithmen eine, auf diese Arbeit aufbauende, innovative Forschungsthematik dar.
Diese Arbeit befasst sich mit der Produktrückverfolgbarkeit im Sondermaschinenbau. In den Fertigungszellen besteht oft das Problem, dass die Bauteile ohne maschinelle Identifikation in die jeweiligen Fertigungsregale eingeräumt werden. Somit kann es beim Zusammenbau der Sondermaschine dazu kommen, dass projektrelevante Bauteile fehlen und der Zusammenbau nicht fortgesetzt werden kann. Dies wiederum erzeugt in der Fertigungszelle einen Leerlauf, wodurch die Projektkosten unnötig in die Höhe getrieben werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es festzustellen, welche Auto-ID-Technologie sich in der industriellen Produktionsumgebung behaupten kann. Hierfür werden in der realen Produktionsumgebung Tests anhand von Versuchsaufbauten durchgeführt. Im Speziellen gilt es hierbei zu untersuchen, mit welcher Technologie es möglich ist, Bauteile aus dem hausinternen Fräszentrum und Zukaufteile ordnungsgemäß zu markieren, damit diese in späterer Folge eindeutig identifiziert werden können. Am Eingang der Fertigungszelle wird die Identifikation aller markierten Bauteile erfolgen. Erst nachdem auf diese Weise sichergestellt wurde, dass alle relevanten Bauteile in der Fertigungszelle vorhanden sind, kann der Zusammenbau der Sondermaschine in der Produktion freigegeben werden. Als Ergebnis dieser Forschungsarbeit wird gezeigt, dass die Produktidentifikation mittels RFID-Technologie hierfür technisch besser geeignet ist als die Nutzung von Barcodesystemen.
Durch den steigenden Trend zur Entwicklung neuer Fahrzeugkonzepte und den daraus resultierenden herausfordernden Anforderungen, müssen Automobilentwickler ihre Kompetenzen stetig erweitern und ihre bestehenden Entwicklungsprozesse bestmöglich optimieren. Bei Magna Steyr Fahrzeugtechnik bildet der Fachbereich Fahrzeugarchitektur einen der entscheidenden Hauptakteure im Fahrzeugentwicklungsprozess, welcher unter anderem die Hauptverantwortung für die Layouterstellung des zu entwickelnden Fahrzeugs trägt. Da das Erstellen eines solchen Layouts, ein sehr komplexer, aufwendiger Prozess ist, liegt das Hauptaugenmerk im Fachbereich darin, einen standardisierten Prozess, sowie einen Automatismus durch ein Tool zu haben, welches den Mitarbeiter bzw. die Mitarbeiterin maßgeblich bei der Erstellung eines Layouts unterstützt. Im Zuge diverser Masterarbeiten und Dissertationen im Unternehmen, wurde das Tool ConceptCar 2.0 geschaffen, welches jedoch noch von etlichen Fehlfunktionen geprägt und somit nicht für den Einsatz im täglichen Projektgeschäft geeignet ist. Der Fokus dieser Arbeit liegt darin, mittels einer Analyse des bestehenden Prozesses für die Konzeptentwicklung von Fahrzeuglayouts, sowie der Untersuchung des aktuell nicht einsetzbaren Tools ConceptCar 2.0, Optimierungskonzepte für einen projektbezogenen Einsatz aufzuzeigen, sodass ein neues Tool, das ConceptCar 3.0, kreiert werden konnte. Das ConceptCar 3.0 ermöglicht nun eine parametergesteuerte Konzepterstellung von Fahrzeuglayouts in den frühen Phasen der Automobilentwicklung. Mittels einer durchgeführten Evaluierung im Projektalltag wurde zudem die Einsetzbarkeit des Tools verifiziert.
Wasserkonditioniereinheiten dienen der Versorgung von Fahrzeugteilen mit dem benötigten Kühlwasser auf Fahrzeug-Prüfständen. Innerhalb definierter Grenzen kann die Temperatur, der Volumenfluss und der Druck des Kühlmediums eingestellt werden. Die Inbetriebnahme der Temperaturregelung solcher Anlagen stellt dabei ein zeitintensives Unterfangen dar und erzeugt oftmals nur ein unzureichendes Ergebnis. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Parameter des verwendeten PID-Reglers automatisiert zu berechnen. Dies soll durch Verwendung eines thermischen Modells der Anlage erfolgen, welches automatisiert identifiziert wird. Die notwendigen Applikationen werden dabei mittels Matlab®/Simulink® umgesetzt und anschließend in einer speicherprogrammierbaren Steuerung ausgeführt. Im ersten Schritt werden die Einflüsse auf das thermische Verhalten mittels Versuchen an der Anlage ermittelt. Folgend wird ein thermisches Modell aus den physikalischen Zusammenhängen erstellt. Hierzu werden die einzelnen Anlagenteile in ihre Zustandsraumdarstellung überführt. Für die Parameter des thermischen Modells wird im folgenden ein Identifikationsverfahren implementiert, welches auf Grundlage eines rekursiven Least Squares Algorithmus und der Linearisierung der Temperaturverläufe basiert. Abschließend werden mit Hilfe des identifizierten Modells und den Chien-Hrones-Reswick Einstellregeln die Parameter des Temperaturreglers automatisiert berechnet. Die Validierung des Anlagemodells und des Identifikationsverfahrens zeigt dabei, dass das dynamische Verhalten mittels des identifizierten Modells nachgebildet werden kann. Die automatisch berechneten Reglerparameter ermöglichen einen stabilen Betrieb der Temperaturregelung und können als Startwerte für weitere Optimierungen herangezogen werden. Im Vergleich zur händischen Parametrierung des Reglers kann die Inbetriebnahmezeit auf wenige Stunden reduziert und die Regelgüte auf ein konstantes Niveau gebracht werden.
Matrix Laboratory (Matlab)/Simulink-Modelle werden häufig für die Prüfstandsregelung eingesetzt und auf optimierten Hardwarelösungen implementiert, um schnelle Reaktions- und Verarbeitungszeiten zu gewährleisten. Alternativ können diese Modelle auch direkt auf einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) implementiert werden, die standardmäßig in einem Prüfstand zur Realisierung von Sicherheitsfunktionen integriert ist. Erreicht diese SPS eine vergleichbare Performance in der Modellausführung ohne Funktionalitätseinschränkungen, kann sie auch für ausgewählte Anwendungsbereiche zur Prüfstandsregelung eingesetzt werden. Ziel dieser Arbeit ist es, Implementierungsmöglichkeiten von Matlab/Simulink-Modellen auf einer SPS aufzuzeigen und zu bewerten sowie die Performance ausgewählter Steuerungshardware zu analysieren. Nach einer Literaturrecherche und Experteninterviews mit dem Kooperationspartner werden Anforderungskriterien für eine Systembewertung definiert. Im praktischen Teil werden Modellimplementierungen von ausgewählten Testfunktionen sowie eine Performanceanalyse der Hardware durchgeführt und bewertet. Bei der Performanceanalyse wird einerseits die Modellausführungsgeschwindigkeit auf der CPU selbst und andererseits die Signallaufzeitverzögerung der dezentralen Ein-/Ausgabemodule bestimmt. Das Ergebnis dieser Masterarbeit ist eine Systembewertung der SPS-Systeme der Hersteller Siemens und Beckhoff für die Prüfstandsregelung. Aus dem ermittelten Signallaufzeitverzögerungen und Grenzfrequenzen der Systeme lassen sich potenzielle Anwendungsbereiche ableiten. Daher ist das gesammelte Wissen aus dieser Masterarbeit für Ingenieure zur Erstellung und Implementierung von Matlab/Simulink-Modellen auf einer SPS sowie für den Reglerentwurf interessant.
