Studenten tauchen in die Welt der Automatisierungstechnik

Automation – Technology networks Processes

Die Studenten Adrian Russ und Lukas Kluy tauchen ab in die Welt der Automatisierungstechnik und diskutieren aktuelle Trends wie der digitale Zwilling, virtuelle Inbetriebnahme und die modulare Automation. Ihre persönlichen Erkenntnisse aus dem Kongress AUTOMATION sowie Herausforderungen für die innovative Leitbranche stellen sie in diesem Beitrag rund um den Megatrend Digitalisierung dar.

Bild: VDI Hochschulgruppe DarmstadtDer VDI/VDE Kongress AUTOMATION brachte Ende Juni über 450 Experten, Anbieter und Nutzer von Automationslösungen im Kongresshaus Baden-Baden zusammen.Die AUTOMATION bietet eines der größten Automatisierungsindustrie-Netzwerke und dient als Plattform für den Austausch von Vertretern aus Forschung, Lehre, Entwicklung und Anwendung. Fragen zu Grundlagen und Methoden, Fertigungsautomation, Prozessautomation und Automation im Alltag standen dabei im Fokus.

Unter dem Motto „Technology networks Processes“ diskutierten Fachreferenten welche Anforderungen, Mehrwerte und Entwicklungen die Branche im Hinblick auf die digitale Vernetzung erwartet. In verschiedene Themengebieten wurden bestehende Konzepte hinterfragt, Lösungen entwickelt sowie Kontakte geknüpft. Bei den „Industry Talks“ wurden Produkte, Anwendungen und Lösungen besprochen. Bei den „Methods“ und der „Digital World“ standen die systemtechnischen Methoden und Kommunikationsprotokolle im Vordergrund. Auf dem Kongress war großes Interesse für die Simulation von Lebenszyklen, mehr Flexibilität in der Produktion sowie für die IT- Sicherheit festzustellen. In diesem Beitrag werden daher drei spezielle Trends in der Automatisierung aufgegriffen, und zwar der Digitaler Zwilling, die virtuelle Inbetriebnahme und die modulare Automation.

Bild: VDI Wissensforumautomation_titel

Digitaler Zwilling als virtuelles Abbild von Anlagen und Maschinen

Über den digitalen Zwilling besteht ein sehr heterogenes Meinungsbild, welches auf der AUTOMATION in Vorträgen kontrovers diskutiert wurde. Eine mögliche Definition des Digitalen Zwillings sieht ein digitales Abbild einer realen Prozessanlage mit all ihren Komponenten vor. Dieses digitale Abbild wird bereits vor der Herstellung und Inbetriebnahme der realen Anlage aufgebaut. Das virtuelle Abbild verändert sich genau wie die reale Anlage im gesamten Lebenszyklus. Dabei simuliert der digitale Zwilling nicht nur das geometrisch Aussehen, sondern auch das tatsächliche Verhalten aller vorhandenen Komponenten. Er lässt Realität und Virtualität verschmelzen, schafft Transparenz innerhalb komplexer Vorgänge und ist damit ein unerlässliches Werkzeug für die Entwicklung von so genannten cyberphysischen Systemen. Das Prinzip der digitalen Planung und Konstruktion ist sicherlich nicht neu, es lassen sich über den Digitalen Zwilling jedoch wichtige Prozessparameter jederzeit abrufen und simulieren. So können beispielsweise physische und virtuelle Sensoren Daten erfassen, auf deren Grundlage zukünftige Veränderungen der Anlage bewertet werden können. Die Fertigung von Produktvarianten kann ebenso schon vor der realen Herstellung durchgespielt wie virtuelle Kollisionen erkannt und der reale Prozess gestoppt werden. Dafür müssen digitale Modelle mit entsprechenden Eigenschaften aller Komponenten der Anlage zur Verfügung stehen. Die Komponentenhersteller müssen an Schnittstellen zusammenarbeiten, damit das umfassende Abbild entstehen kann.

Die Vorteile des Digitalen Zwillings liegen unter anderem in der Optimierung der Wartungsintervalle und Prozesse. Der Digitale Zwilling soll die Entwicklungszeit von Anlagen mittels verkürzten Innovationszyklen sowie Angebots- und Lieferzeiten reduzieren. Durch die Bereitstellung der digitalen Produktdaten und Integration von Engineering Prozessen ist eine Erhöhung der Flexibilität möglich. Die Produktivität kann durch eine Verbesserung des Betriebs- und Servicemanagements sowie der vorausschauenden Instandhaltung erhöht werden. Neben der Ressourceneffizienz kann durch umfassende Datenanalyse die Energieeffizienz verbessert werden.

Kritisch ist allerdings die Weitergabe von sensiblen Maschinendaten über die Unternehmensgrenze hinweg sowie die Definition von einheitlichen Schnittstellen zu betrachten. Sowohl bei der Informationssicherheit als auch bei den Standards müssen Grundlagen geschaffen werden, damit sich der Digitale Zwilling durchsetzen kann. Außerdem ist sicherlich nicht für jeden Prozess ein umfassender Zwilling notwendig. Es obliegt dem Einsatzbereich, wie detailliert das virtuelle Abbild ausgeprägt sein muss.

Bild: VDI Wissensforumautomation_wissensforum

Virtuelle Inbetriebnahme in den frühen Entwicklungsphasen

Basierend auf dem Digitalen Zwilling lässt sich unter anderem eine virtuelle Inbetriebnahme durchführen. Ziel ist es, Fehler aus dem Engineering des Automatisierungssystems frühzeitig aufzudecken und zu beheben. Sowohl in der Fertigungs- und Montageindustrie als auch zunehmend in der Prozessindustrie können Maschineneigenschaften und Steuerungen virtuell getestet werden, noch bevor diese in der realen Anlage installiert werden. Eine erste Auswertung der „Trendbefragung zum Einsatz von Simulationswerkzeugen im Maschinen- und Anlagenbau“ des VDMA diesen Jahres zeigt, dass lediglich 40 Prozent der Maschinen- und Anlagenbauer in Deutschland die virtuelle Inbetriebnahme nutzen. Als Hauptgrund nennen sie zu wenig Fachwissen in der Technik und Durchführung. Um diese Hindernisse zu mindern, präsentierte die Gesellschaft für Mess- und Automatisierungstechnik (GMA FA 6.11) eine erste Handlungsempfehlung für die virtuelle Inbetriebnahme im Engineering von Automatisierungssystemen.

Nach dieser Handlungsempfehlung basierend auf der VDI/VDE Richtlinie 3693 müssen zuerst verschiedene Projektrollen definiert werden. Die Projektrollen sind beispielsweise das Management, der Projektleiter und das Projektteam. Der anschließende Workflow teilt sich in vier Phasen auf. Zuerst wird eine Analyse und Implementierung der virtuellen Inbetriebnahme mittels Lastenheft, Erwartungen und Zielen aufgestellt. In der Planungsphase wird dann das Pflichtenhelft ausgearbeitet sowie die Schnittstellen für die Konstruktion und Simulation definiert. Danach folgt die Realisierungsphase mit Modellbildung, Simulation und Modellbibliothek. Der Modellbibliothek kommt hierbei eine herausragende Rolle zu, da spätere An- und Umbauten sowie Neuplanungen durch eine gut gepflegte Bibliothek zeitsparend realisiert und bewertet werden können. In der letzten Phase wird die virtuelle Inbetriebnahme abgeschlossen und die Daten für spätere Wiederverwertung aufbereitet. Die virtuelle Inbetriebnahme bietet in Zukunft noch viel Diskussionsbedarf: Es wird eine Standardisierung der Schnittstellen zwischen den Systemen gefordert und die IT-Sicherheit ist ebenso ein aktueller Forschungsgegenstand.

Modulare Automation für mehr Flexibilität in der Produktion

Modularität ist von zentraler Bedeutung für die notwendige Flexibilität im Rahmen der Industrie 4.0. Die modulare Automation bietet große Chancen in der Kostenersparnis und Ressourceneinsparung durch Recycling und Wiederverwertung von einzelnen Modulen in anderen Anlagenverbundeinheiten.

Ein großes deutsches Unternehmen stellt in dem Zusammenhang ein Projekt vor, welches einen Weg zur Umsetzung der Modularität aufzeigt. In diesem Projekt wird eine automatische Programmierung und Bahnplanung als Grundlage für wandlungsfähige Anlagen in der Montagetechnik erforscht. Dabei werden eine Positionserfassung, sowie eine Fähigkeitsbeschreibung und eine Steuereinheit miteinander in jedem Modul bzw. mechatronischen Objekt kombiniert. Die eigene Steuereinheit ermöglicht es, Module vollkommen frei miteinander zu verbinden und dabei einen Roboter durch automatische Erkennung der Module mit einer generischen Programmierung auszustatten. Eine generische Programmierung ist eine Methode, um Algorithmen und Datenstrukturen in der allgemeinsten sinnvollen Form zu implementieren. Ziel ist es, eine optimale Performance zu ermöglichen. Der Anwender muss lediglich die zur Montage des jeweiligen Produkts nötigen Fähigkeiten im „Skillmodell“ auswählen sowie die CAD-Daten des Produkts in das System einspeisen. Mithilfe der Schnittstellenbeschreibungen lässt sich schnell feststellen, ob noch weitere Module wie beispielsweise Dreheinheiten benötigt werden, um ein Produkt zu fertigen.

Die generische Programmierung nutzt zur Bahnplanung und Kollisionsvermeidung das Verfahren der Potenzialfelder um Hindernisse herum. Durch die inverse Kinematik des Roboters ergibt sich der entsprechende Konfigurationsraum. Das Verfahren wurde bislang lediglich im Labor getestet und wartet jetzt auf seinen Einsatz in der industriellen Praxis. Das Projekt basierte auf dem Forschungsvorhaben „Forschungsfabrik – ForschFab: Die wandlungsfähige Forschungsproduktion“.

Insgesamt zeichnen sich bei dem Kongress AUTOMATION viele interessante Trends ab, die in den nächsten Jahren den Weg in die Unternehmen finden werden. Gerade um den flexiblen und dynamischen Märkten gerecht zu werden bedarf es einer modularisierten Produktion, erweiterten Lebenszyklusdaten sowie digitaler Geschäftsmodelle. Sei es der Digitaler Zwilling, die virtuelle Inbetriebnahme oder die Industrie 4.0. – die Automatisierungstechnik wappnet sich für die digitale Zukunft. In Bezug auf die Standardisierung, der IT-Sicherheit und der konkreten Anwendung ist allerdings noch Handlungsbedarf zu erkennen.

Wir bedanken uns bei der VDI Gesellschaft für Mess- und Automatisierungstechnik (GMA), dem VDI Wissensforum und beim VDI Bezirksverein Frankfurt-Darmstadt e.V. für die großartige Unterstützung.

Bild: VDI Hochschulgruppe Darmstadtkluy-und-russÜber die Autoren:
Adrian Russ studiert Elektrotechnik und Mechatronik an der Hochschule Darmstadt, Lukas Kluy studiert Maschinenbau an der TU Darmstadt. Beide engagieren sich ehrenamtlich in der VDI Hochschulgruppe Darmstadt im VDI Bezirksverein Frankfurt-Darmstadt e.V.

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