Automatisierung 4.0 (eBook)

Objektorientierte Entwicklung modularer Maschinen für die digitale Produktion

Thomas Schmertosch, Markus Krabbes, Christian Zinke-Wehlmann (Autoren)

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2024 | 2., aktualisierte und erweiterte Auflage
316 Seiten
Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG
978-3-446-48120-6 (ISBN)

Infos

Wann ist eine Verarbeitungsmaschine fit für Industrie 4.0?
Die vierte industrielle Revolution stellt eine Reihe von zusätzlichen Anforderungen an die Konstruktion und die Automatisierung von Verarbeitungsmaschinen. So werden Produkte und deren Herstellungsverfahren nicht nur anspruchsvoller, sondern auch individueller. In diesem Lehrbuch werden die Herausforderungen analysiert und an aussagekräftigen Beispielen Lösungsszenarien aufgezeigt.
Ein Schwerpunkt des Buches ist die Projektion dieser Anforderungen auf bekannte Konstruktionsprinzipien. Daraus resultierende Funktionen werden an diversen Beispielen wie z. B. die Produktion von Fotobüchern oder das Inmould-Labeling verdeutlicht. So entsteht ein Fahrplan zur Erarbeitung eines Lastenheftes für die Konstruktion einer wandlungsfähigen Verarbeitungsmaschine. Vorgestellt wird die modulare, funktions- und objektorientierte Gestaltung von individuellen Maschinen und Anlagen als ein Lösungsansatz für Effizienzsteigerungen im gesamten Lebenszyklus sowohl theoretisch als auch an praktischen Beispielen. Ein wesentliches Verfahren für die Konstruktion wandelbarer Maschinen ist die Modularisierung nach Funktionseinheiten. Diese diversen Anforderungen werden Schritt für Schritt veranschaulicht und herausgearbeitet.
Das Buch richtet sich an Studierende der Fachrichtungen Automatisierungstechnik und Mechatronik sowie an Wirtschafts-, Entwicklungs- und Konstruktionsingenieur:innen.
Schwerpunkte:
- Anforderungen und Perspektiven an Automatisierung 4.0
- Entwurf modularer Maschinen und Anlagen
- Digitale Projektierung von Maschinen
- Modulare Automatisierung in der Praxis
In der 2. Auflage wurde das Kapitel 'Kommunikation' auf den neuesten Stand gebracht sowie Abschnitte zu den Themen 'Künstliche Intelligenz' und 'Simulation - der digitale Zwilling' ergänzt.

Prof. Dr.-Ing. Thomas Schmertosch ist Honorarprofessor an der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik der HTWK Leipzig und hält dort die Vorlesung Komponenten der Automatisierungstechnik. www.schmertosch.de/automatisierung.

Inhalt

Vorwort 7
Die Autoren 13
Inhalt 15
1 Automatisierung 4.0 – Anforderungen und Perspektiven 19
1.1 Wahrnehmung von Industrie 4.0 19
1.2 Trends und Anforderungen im Maschinen- und Anlagenbau 24
1.2.1 Endprodukte bestimmen die Richtung 25
1.2.2 Der Engineering-Prozess verändert sich 26
1.3 Neue Anforderungen an Produktionsanlagen 28
1.3.1 Effizienz entscheidet über Erfolg 28
1.3.2 Service schafft Vertrauen 34
1.3.3 Qualität ist bedingungslos 35
1.3.4 Wandelbarkeit macht fit für die Zukunft 37
1.3.5 Sicherheit muss sein 38
1.3.6 Neue Technologien in Erfolge umsetzen 45
1.3.7 Digitale Produktion 49
1.4 Schlussfolgerungen 53
2 Entwurf modularer Maschinen und Anlagen 57
2.1 Definition und Eigenschaften von Modulen 58
2.1.1 Modularität 59
2.1.2 Funktionalität 62
2.1.3 Zustand und Zustandsänderungen 63
2.1.4 Kompatibilität 66
2.2 Modularität im Kontext zu Industrie 4.0 68
2.2.1 Objekte und Entitäten 69
2.2.2 Methoden und Funktionen 73
2.2.3 Botschaften und Dienste 74
2.2.4 Die I4.0-Komponente 76
2.2.4.1 Das Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0) 77
2.2.4.2 Technische Assets 78
2.2.4.3 Assets in der Informationswelt 82
2.2.4.4 Die Verwaltungsschale 84
2.2.4.5 Interaktion von I4.0-Komponenten 89
2.3 Methoden der Modularisierung 92
2.3.1 Etablierte Entwurfsmethoden 94
2.3.2 Zielanalyse der Anforderungen 95
2.3.2.1 Produktsicht 97
2.3.2.2 Investitionssicht 99
2.3.2.3 Produktionsumfeld 102
2.3.2.4 Herstellersicht 105
2.3.3 Konstruktive Detailanalyse 108
2.4 Modellierung 113
2.4.1 Entwurf einer funktionalen Struktur 113
2.4.1.1 Das Funktions- und Klassendiagramm 114
2.4.1.2 Das Zustandsdiagramm 118
2.4.1.3 Das Interaktionsdiagramm 120
2.4.2 Entwurf einer modularen Konstruktion 123
2.4.2.1 Das Moduldiagramm 123
2.4.2.2 Qualitatives Modulschema 130
2.4.3 Entwurf des Automatisierungssystems 134
2.4.3.1 Hardwarekonzept 134
2.4.3.2 Softwarekonzept 137
2.5 Zusammenführung und Fazit 140
3 Digitale Projektierung von Maschinen 147
3.1 Spezifikation als Ausgangspunkt einer Projektierung 148
3.2 Projektierung nach dem V-Modell 150
3.2.1 Abstraktes und reales Modell 150
3.2.2 Modell-Qualifikation, -Verifikation und -Validierung 151
3.2.3 Rechnerbasierter Entwurf 154
3.2.4 Modellierungsvarianten 155
3.3 V-Modell in der Anwendung 157
3.3.1 Grundstruktur und Eigenschaftssicherung 158
3.3.2 Dekomposition 159
3.3.3 Modularisierung und Objektorientierung 161
3.3.4 Grundstrukturen simulativer Erprobung 161
3.4 Übertragbarkeit des interdisziplinären Mechatronikansatzes 169
3.4.1 Simulative Erprobung großer Systeme 170
3.4.2 Lebenszyklusmodellierung 172
3.4.3 Grenzen simulationsgestützter Evaluierung 173
3.4.4 Ausblick 175
4 Qualitätssicherung neu denken 179
4.1 Begriffsübersicht 180
4.2 Was macht Qualität 4.0 aus? 182
4.3 Qualitätsmanagement und Modularisierung 185
4.3.1 Messen von Qualität 186
4.3.2 Analyse von Qualität 188
4.3.3 Im Detail: digitale Bildverarbeitung als Qualitätssicherungsverfahren 189
4.4 Qualität 4.0 in die Anwendung bringen 194
5 Modulare Automatisierung in der Praxis 203
5.1 Sukzessive Modularisierung 203
5.1.1 Szenarien einer sukzessiven Modularisierung 206
5.1.2 Dezentralisierte Hardware ist möglich 207
5.1.3 Dezentralisierte Hardware ist eingeschränkt möglich 210
5.1.4 Dezentralisierte Hardware ist nicht möglich 212
5.1.5 Heterogene Automatisierungstechnik 216
5.1.6 Zusammenfassung 217
5.2 Echtzeitfähigkeit dezentraler Systeme 217
5.2.1 Reaktionszeit – Definition und Anforderungen 218
5.2.2 Jitter – die große Unbekannte 226
5.2.3 Kurze Reaktionszeiten in dezentralen Strukturen 231
5.2.3.1 Erhöhung der Systemleistung 234
5.2.3.2 Interrupt-basierte Systeme 236
5.2.3.3 Intelligente Feldgeräte 237
5.2.3.4 Spezialentwicklungen 240
5.2.3.5 Intelligente I/O-Module 241
5.2.4 Zusammenfassung und Lösungsbeispiele 245
5.2.4.1 Dickenmessung sammelgehefteter Broschüren 245
5.2.4.2 Fehlbogenkontrolle 248
5.3 Maschinensicherheit 250
5.3.1 Anwendung der Maschinenrichtlinie in modularen Systemen 250
5.3.2 Sicherheitstechnik im Überblick 253
5.3.3 Sichere Steuerungstechnik 259
5.3.4 Sicherheitstechnik ergänzen oder integrieren? 264
5.3.5 Zusammenfassung 269
5.4 Kommunikation ist (fast) alles 269
5.4.1 Industrielle Kommunikation im Überblick 270
5.4.2 Ethernet-basierte Feldbusse – Eigenschaften und Arbeitsweise 275
5.4.3 OPC UA im Industrial Ethernet 282
5.4.4 Single Pair Ethernet 289
5.4.5 Sichere Kommunikation – Safety 290
5.4.6 Sichere Kommunikation bis in die Cloud – Security 293
5.4.7 Zusammenfassung 296
5.5 Adaptiv und intuitiv: HMI 4.0 297
5.5.1 Bedeutung und grundsätzliche Aufgaben 298
5.5.2 Konstruktive Gestaltung 300
5.5.3 SCADA-System 301
5.5.3.1 Systemeinordnung 301
5.5.3.2 Engineering von SCADA-Applikationen 302
6 Automatisierung 4.0 im Überblick 309
Stichwortverzeichnis 313

Textauszug

Vorwort

Seitdem die deutsche Bundesregierung den Begriff Industrie 4.0 geprägt hat, findet kaum eine ingenieurwissenschaftliche Konferenz mehr statt, in der es nicht mindestens einen Vortrag rund um dieses Thema gibt. Ganze Themenreihen, Online-Angebote und Fachbücher beleuchten Industrie 4.0 aus unterschiedlichen Perspektiven. Und in der Tat stehen wir an der Schwelle zu einer neuen Form der Industrialisierung. Aber eigentlich haben wir sie schon überschritten, und zwar schon lange.

Das Gabler-Wirtschaftslexikon definiert Industrie 4.0 wie folgt:

„Industrie 4.0“ ist ein Marketingbegriff, der auch in der Wissenschaftskommunikation verwendet wird, und steht für ein ‚Zukunftsprojekt‘ der deutschen Bundesregierung. Die sog. vierte industrielle Revolution zeichnet sich durch Individualisierung bzw. Hybridisierung der Produkte und die Integration von Kunden und Geschäftspartnern in die Geschäftsprozesse aus.

Diese Definition enthält die Kernthemen „Individualisierung von Produkten“ und die „Veränderung der Geschäftsprozesse“. Wie das genauer geschieht, ist auf der offiziellen Webseite der Bundesregierung, der Plattform Industrie 4.0, nachzulesen:

In der Industrie 4.0 verzahnt sich die Produktion mit modernster Informations- und Kommunikationstechnik. Treibende Kraft dieser Entwicklung ist die rasant zunehmende Digitalisierung von Wirtschaft und Gesellschaft.

Damit wird die Digitalisierung zur treibenden Kraft erklärt. Und tatsächlich hat sich seit der Markteinführung von Smartphone und Co. die technische Welt tiefgreifend verändert. Das Selbstverständnis der Kunden, die lieber online einkaufen als nebenan im Tante-Emma-Laden, wachsende Ansprüche an Verfügbarkeit, Logistik, Qualität und nicht zuletzt eine geradezu extreme Preissensitivität können nicht spurlos am Produktionsumfeld vorübergehen. Somit steht für die Autoren die Frage im Fokus, welche Anforderungen diese Megatrends an die Herstellung und den Betrieb von Produktionsausrüstungen mit sich bringen.

Um sich der Antwort zu nähern, lohnt es sich, in den Publikationen der Plattform Industrie 4.0 weiterzulesen (wie auch sonst diese Publikation viele Fragen rund um das Thema umfassend beantwortet):

Technische Grundlage hierfür sind intelligente, digital vernetzte Systeme, mit deren Hilfe eine weitestgehend selbstorganisierte Produktion möglich wird: Menschen, Maschinen, Anlagen, Logistik und Produkte kommunizieren und kooperieren in der Industrie 4.0 direkt miteinander. Produktions- und Logistikprozesse zwischen Unternehmen im selben Produktionsprozess werden intelligent miteinander verzahnt, um die Produktion noch effizienter und flexibler zu gestalten.

Damit ist eine zentrale Herausforderung benannt:

Menschen, Maschinen, Anlagen, Logistik und Produkte sollen miteinander kommunizieren können. Tun sie das aber nicht schon seit geraumer Zeit?

Maschinen verfügen schon immer über in Umfang und Ausstattung den Anforderungen angepasste Kommunikationsmöglichkeiten. Das waren anfangs mechanische Stellelemente, wie Hebel, Stellschrauben oder Handräder. Über den Maschinenzustand haben sich die Bediener zuerst nur durch Beobachtung, Nachmessen und mit viel Erfahrung informieren können. Mit zunehmender Elektrifizierung kamen dann Schalter sowie Leuchtanzeigen und mit Einzug elektronischer Systeme auch zunehmend qualitative Instrumente wie Potenziometer und Leuchtskalen hinzu.

Schließlich erleben wir seit Einzug PC-basierter Hard- und Software in die Bedientechnik von Maschinen und Anlagen eine immer tiefergreifendere Integration von digitalisierten Methoden und Mechanismen, wie wir sie von Smartphones und Tablets kennen. Was nun Human Machine Interface (HMI) heißt, sieht diesen Geräten oft zum Verwechseln ähnlich und bietet immer mehr Komfort. Als Beispiel sei nur die Multitouch-Technologie genannt, die sich für das Smartphone etabliert hat und mit der auch die Bedienung von Maschinen revolutioniert wurde. Allerdings steigen mit den Möglichkeiten auch die Anforderungen an die Gestaltung der visuellen Darstellungen – ein Thema, welches den Usability-Engineer als neues Berufsbild generiert hat.

Neben diesem Komplex wird im vorliegenden Buch auch die direkte Kommunikation von Maschinen und Produktionsanlagen im digitalen Produktionsumfeld thematisiert.

Die Vernetzung von Produktions- und Leitebenen ist schon seit den frühen 1990er-Jahren Stand der Technik. Schließlich dienen die Daten der Produktionsausrüstungen einer effektiven Produktionssteuerung und tragen somit nicht unwesentlich zur Senkung der Stückkosten bei. Auch wenn neue Kommunikationssysteme der Bürowelt wie Ethernet und WLAN in der Werkhalle längst Einzug gehalten haben, so spielt sich intermaschinelle Kommunikation immer noch nach den gleichen Prinzipien ab wie zu deren Anfängen.

Das liegt daran, dass noch heute viele Hersteller von Automatisierungstechnik eigene Vorstellungen von Datenkommunikation verfolgen. Und so bevölkern Datensammler, Bridges und sogenannte Interpreter die Werkhallen, deren Aufgabe nur darin besteht, die Daten so aufzubereiten, dass andere Maschinen bis hinauf zum Produktionsleitsystem sie verstehen können. Ein lukratives Geschäft für Ingenieurbüros und Softwaredienstleister, das hoffentlich bald zur Vergangenheit gehört.

Leider haben da auch branchenspezifische Kommunikationsstandards wie etwa PackML in der Verpackungs-, JDF in der Druck- oder Euromap in der Kunststoffbranche nur mäßig Entlastung gebracht. Industrie 4.0 fordert aber, dass ALLE am Herstellungsprozess beteiligten Komponenten DIREKT miteinander kommunizieren. Gerade diese Anforderung ist für die Produktion individualisierter Produkte existenziell, sodass wir uns mit diesem Thema ausführlich befassen werden.

Ein weiteres Merkmal wird auf der Plattform Industrie 4.0 wie folgt beschrieben, nämlich dass

(. . .) intelligente Wertschöpfungsketten entstehen, die zudem alle Phasen des Lebenszyklus des Produktes miteinschließen – von der Idee eines Produkts über die Entwicklung, Fertigung, Nutzung und Wartung bis hin zum Recycling. Auf diese Weise können zum einen Kundenwünsche von der Produktidee bis hin zum Recycling einschließlich der damit verbundenen Dienstleistungen mitgedacht werden. Deshalb können Unternehmen leichter als bisher maßgeschneiderte Produkte nach individuellen Kundenwünschen produzieren. Die individuelle Fertigung und Wartung der Produkte könnte der neue Standard werden.

Das heißt nichts anderes als Losgröße 1 anstelle von Serien- und Massenfertigung. Aber Losgröße 1 kann nur zum Erfolg führen, wenn das individualisierte Produkt qualitativ gleichwertig und nicht teurer ist als das vergleichbare Serienprodukt. Daher heißt es auf der Plattform Industrie 4.0 weiter:

Zum anderen können trotz individualisierter Produktion die Kosten der Produktion gesenkt werden. Durch die Vernetzung der Unternehmen der Wertschöpfungskette ist es möglich, nicht mehr nur einen Produktionsschritt, sondern die ganze Wertschöpfungskette zu optimieren. (. . .) Die Produktionsprozesse können unternehmensübergreifend so gesteuert werden, dass sie Ressourcen und Energie sparen.

Weil die Autoren der Auffassung sind, dass die Produktionskosten trotz Individualisierung nicht nur sinken KÖNNEN, sondern grundsätzlich sinken MÜSSEN, widmen sie sich intensiv der Frage, wie das mittels modernster Automatisierungstechnik gelingen kann. Dabei wird nicht nur das individualisierte Endprodukt, sondern auch die individuelle Produktionsausrüstung betrachtet, denn beides beeinflusst die Gestaltung eines Automatisierungssystems auf unterschiedliche Art und Weise. Die sich daraus ergebenden Aspekte und Lösungsansätze bilden folgerichtig den Schwerpunkt dieses Buches. Auf diese Weise sollen mit Automatisierung 4.0 sowohl dem erfahrenen als auch dem zukünftigen Ingenieur Anforderungen und Lösungswege für Automatisierungskonzepte aufgezeigt werden, die eine Produktionsanlage fit für die Zukunft und Industrie 4.0 machen.

Im Laufe der Auseinandersetzung mit diesem umfassenden Thema wurde uns immer wieder die außerordentliche Intensität bewusst, mit der sich zahlreiche Institute, Verbände und Hersteller diesen Herausforderungen stellen. Immer wieder mussten wir feststellen, dass neue Ansätze, Lösungen und Normen entstanden, von denen zu Beginn unserer Recherche noch gar keine Rede war. Typisches Beispiel dafür ist das Busprotokoll OPC UA in Kombination mit Time Sensitive Networking. Alle in diesem Buch dazu gemachten Aussagen beziehen sich auf den technischen Stand von März 2018 und wurden in der 2. Auflage mit dem Stand August 2023 aktualisiert. Gleiches gilt für die Ausführungen zur Industrie-4.0-konformen Kommunikation, deren Standardisierungsprozess noch einige Zeit andauern wird. Es war uns daher ein dringendes Anliegen, ergänzend zu den zahlreichen Literaturverweisen, auch Aussagen und...

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 8.4.2024
• Zusatzinfo: Komplett in Farbe
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik ► Maschinenbau
• Schlagworte: Automatisierungstechnik • Automatisierung von Verarbeitungsmaschinen • digitale Projektierung Maschinen • Digitale Zwillinge • Industrie 4.0 • Modulare Automatisierung • modulare Fertigungsanlage • modulare Maschine • Modularisierung Funktionseinheiten
• ISBN-10: 3-446-48120-6 / 3446481206
• ISBN-13: 978-3-446-48120-6 / 9783446481206