Automatisierung 4.0 (eBook)

Objektorientierte Entwicklung modularer Maschinen für die digitale Produktion

Thomas Schmertosch, Markus Krabbes (Autoren)

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2018
280 Seiten
Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG
978-3-446-45865-9 (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 Konstruktionsingenieure.

Schwerpunkte:

•Anforderungen und Perspektiven an Automatisierung 4.0

•Entwurf modularer Maschinen und Anlagen

•Digitale Projektierung von Maschinen

•Modulare Automatisierung in der Praxis



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.

Autor

Prof. Dr.-Ing. Thomas Schmertosch ist Honorarprofessor an der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik der HTWK Leipzig und hält dort die Vorlesung Komponenten der Automatisierungstechnik.Dr.-Ing. Markus Krabbes ist Professor für Informationssysteme an der HTWK Leipzig und lehrt am Institut für Prozessinformatik und Leittechnik.

Inhalt

Vorwort 6
Inhalt 10
1 Automatisierung 4.0 – Anforderungen und Perspektiven 14
1.1 Wahrnehmung von Industrie 4.0 14
1.2 Trends und Anforderungen im Maschinen- und Anlagenbau 19
1.2.1 Endprodukte bestimmen die Richtung 19
1.2.2 Der Engineering-Prozess verändert sich 20
1.2.3 Effizienz entscheidet über Erfolg 22
1.2.4 Service schafft Vertrauen 27
1.2.5 Qualität ist bedingungslos 28
1.2.6 Wandelbarkeit macht fit für die Zukunft 30
1.2.7 Sicherheit muss sein 31
1.2.8 Neue Technologien in Erfolge umsetzen 37
1.2.9 Digitale Produktion 40
1.3 Schlussfolgerungen 42
1.4 Literatur 43
2 Entwurf modularer Maschinen und Anlagen 46
2.1 Definition und Eigenschaften von Modulen 47
2.1.1 Modularität 47
2.1.2 Funktionalität 50
2.1.3 Zustand und Zustandsänderungen 51
2.1.4 Kompatibilität 54
2.2 Modularität im Kontext zu Industrie 4.0 56
2.2.1 Objekte und Entitäten 57
2.2.2 Methoden und Funktionen 60
2.2.3 Botschaften und Dienste 61
2.2.4 Die I4.0-Komponente 63
2.2.4.1 Das Referenz-Architektur-Modell Industrie 4.0 (RAMI 4.0) 64
2.2.4.2 Technische Assets 65
2.2.4.3 Assets in der Informationswelt 68
2.2.4.4 Die Verwaltungsschale 70
2.2.4.5 Interaktion von I4.0-Komponenten 74
2.3 Methoden der Modularisierung 77
2.3.1 Etablierte Entwurfsmethoden 78
2.3.2 Zielanalyse der Anforderungen 79
2.3.2.1 Produktsicht 81
2.3.2.2 Investitionssicht 84
2.3.2.3 Standortsicht 87
2.3.2.4 Herstellersicht 90
2.3.3 Konstruktive Detailanalyse 92
2.4 Modellierung 98
2.4.1 Entwurf einer funktionalen Struktur 98
2.4.1.1 Das Funktions- und Klassendiagramm 98
2.4.1.2 Das Zustandsdiagramm 102
2.4.1.3 Das Interaktionsdiagramm 105
2.4.2 Entwurf einer modularen Konstruktion 108
2.4.2.1 Das Moduldiagramm 108
2.4.2.2 Qualitatives Modulschema 115
2.4.3 Entwurf des Automatisierungssystems 118
2.4.3.1 Hardwarekonzept 118
2.4.3.2 Softwarekonzept 121
2.5 Zusammenführung und Fazit 124
2.6 Literatur 129
3 Digitale Projektierung von Maschinen 132
3.1 Spezifikation als Ausgangsunkt einer Projektierung 132
3.2 Projektierung nach dem V-Modell 133
3.3 V-Modell in der Anwendung 138
3.4 Übertragbarkeit des interdisziplinären Mechatronikansatzes 148
3.5 Literatur 151
4 Modulare Automatisierung in der Praxis 152
4.1 Sukzessive Modularisierung 152
4.1.1 Szenarien einer sukzessiven Modularisierung 154
4.1.2 Dezentralisierte Hardware ist möglich 155
4.1.3 Dezentralisierte Hardware ist eingeschränkt möglich 158
4.1.4 Dezentralisierte Hardware ist nicht möglich 159
4.1.5 Heterogene Automatisierungstechnik 163
4.1.6 Zusammenfassung 164
4.2 Echtzeitfähigkeit dezentraler Systeme 164
4.2.1 Reaktionszeit – Definition und Anforderungen 165
4.2.2 Jitter – die große Unbekannte 173
4.2.3 Kurze Reaktionszeiten in dezentralen Strukturen 177
4.2.3.1 Erhöhung der Systemleistung 179
4.2.3.2 Interrupt basierte Systeme 181
4.2.3.3 Intelligente Feldgeräte 183
4.2.3.4 Spezialentwicklungen 185
4.2.3.5 Intelligente I/O-Module 186
4.2.4 Zusammenfassung und Lösungsbeispiele 190
4.2.4.1 Dickenmessung sammelgehefteter Broschüren 190
4.2.4.2 Fehlbogenkontrolle 194
4.3 Maschinensicherheit 195
4.3.1 Anwendung der Maschinenrichtlinie in modularen Systemen 195
4.3.2 Sicherheitstechnik im Überblick 198
4.3.3 Sichere Steuerungstechnik 203
4.3.4 Sicherheitstechnik ergänzen oder integrieren? 208
4.3.5 Zusammenfassung 212
4.4 Kommunikation ist (fast) alles 213
4.4.1 Industrielle Kommunikation im Überblick 213
4.4.2 Ethernet-basierte Feldbusse – Eigenschaften und Arbeitsweise 218
4.4.3 OPC UA im Industrial Ethernet 223
4.4.4 Sichere Kommunikation – Safety 228
4.4.5 Sichere Kommunikation bis in die Cloud – Security 231
4.4.6 Zusammenfassung 235
4.5 Literatur 235
5 Automatisierung 4.0 im Überblick 238
Index 242

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.

Mit Automatisierung 4.0 sollen 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. 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 Meinungen von involvierten Experten diverser Gremien zu integrieren, um dem Leser den aktuellsten Forschungsstand anbieten zu können.

Dafür gilt besonderer Dank Herrn Dr.-Ing. Heiko Koziolek vom Forschungszentrum der ABB AG und Mitglied im VDI/VDE-GMA-Fachausschuss „Industrie 4.0“. Besonders ihm haben wir zu verdanken, dass wir die zahlreichen Publikationen der Plattform Industrie 4.0 mit den neuesten Entwicklungen abgleichen und in diesem Buch konsolidiert abbilden konnten.

Gleiches gilt für Herrn Sebastian Sachse, der als Mitarbeiter der Business Unit Open Automation Technologies die Firma B&R Industrial Automation GmbH in zahlreichen internationalen Gremien vertritt. Durch seine Hinweise konnten die Darstellungen rund um das Thema Kommunikation...

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 8.10.2018
• Verlagsort: München
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik ► Maschinenbau
• Schlagworte: Automatisierung • automatisierung 4.0 • Automatisierungstechnik • Cloud Security • digitale Produkte • Engineering Prozess • Entwicklungsingenieur • Industrie 4.0 • industrielle Kommunikation • Industrielle Revolution • Jitter • Konstruktion • konstruktionsingenieur • Mechanik • Mechatroniker • Modulation • Projektierung • RAMI 4.0 • Serienmaschinen • Sichere Kommunikation • v modell • Wirtschaftsingenieur
• ISBN-10: 3-446-45865-4 / 3446458654
• ISBN-13: 978-3-446-45865-9 / 9783446458659