Volume 67, Issue 3 - Special Issue: Entwurf komplexer Automatisierungssysteme / Christian Diedrich, Ulrich Jumar

Zusammenfassung Die Inbetriebnahme von Prozessleitsystemen ist heutzutage teuer und umständlich, da ein hoher manueller Aufwand nötig ist. Durch den Trend zu Industrie 4.0 und IIoT sind bereits eine Vielzahl industrieller Standards verfügbar, auf deren Basis herstellerunabhängige selbstkonfigurierende Geräte („Plug-and-Produce“ (PnP)) realisiert werden können, die den Aufwand der Inbetriebnahme verringern. In diesem Papier stellen wir eine auf solchen Standards basierende Referenzarchitektur für IIoT-Prozessautomatisierungssysteme vor. Die Eckpfeiler der Architektur sind (i) die Verwendung modellbasierter Beschreibungen basierend auf PLCopen für gesteuerte Geräte, (ii) die Spezifikation eines PnP-Dienstes, der das Abstimmen der Konfigurationen von Steuereinheit (engl. Controller) und Feldgeräten entkoppelt und hierzu auf OPC UA Pub/Sub zurückgreift sowie (iii) die Verwendung von Technologien für selbstkonfigurierende Netzwerke. Weiterhin diskutieren wir zukünftige Forschungsherausforderungen, die auf der vorgeschlagenen Architektur aufbauen.

Zusammenfassung Die Kombination von unterschiedlichen Modellierungsansätzen wird schon seit längerer Zeit betrachtet – vor allem um sogenannte Grey-Box-Modelle zu erstellen. Im Rahmen der Digitalisierung von Produktionen entstehen jedoch bedingt durch eine größere Datenbasis neue Möglichkeiten im Bereich der Modellbildung. Dieser Beitrag befasst sich daher mit einem Konzept, Modelle unterschiedlicher Produktlebenszyklusphasen sowie unterschiedlichen Typs miteinander zu kombinieren. Diese Modellkombination soll einen Mehrwert für den Betreiber darstellen, indem dieser detaillierte Simulationsmodelle während des Betriebs als Entscheidungsunterstützung verwenden kann. Zunächst werden die unterschiedlichen Modellierungsansätze sowie deren Kombination eingeführt. Daraufhin wird ein Konzept für das Training und die Betriebsphase der Modelle beschrieben. Abschließend wird das Potential des Ansatzes am Beispiel der thermischen Zustandsüberwachung einer Asynchronmaschine dargestellt.

Zusammenfassung Die Nutzung der Informations- und Kommunikationstechnologien (IuK) in der Automatisierungstechnik ist unverzichtbar geworden. Dadurch kann den hohen Anforderungen an Flexibilität, Qualität und Zuverlässigkeit der Automatisierungskomponenten besser Rechnung getragen werden. Der Einsatz der IuK erfolgt in nahezu allen Phasen des Lebenszyklusses. Kurz: die Digitalisierung und das Konzept der „Smart Factory“ sind ein ungebrochener Trend. Durch die Digitalisierung von physischen Objekten und Prozessen entsteht ein Cyber Physisches System (CPS). Wesentliche Eigenschaft eines solchen Systems ist es, dass CPS über das Internet der Dinge (IoT) untereinander kommunizieren, kooperieren und für die Abwicklung von Geschäftsprozessen Informationen austauschen können. Dazu müssen die CPS an ihren Schnittstellen Informationen semantisch eindeutig bereitstellen. Die industriellen und öffentlichen Netzwerke können physisch jedes Datum bereitstellen. Die Modellierung der Bedeutungen der Daten, d. h. die Beschreibung von Dingen und ihrer Funktionen in einer für die automatisierte Verarbeitung geeigneten Art und Weise stellen eine der aktuellen Herausforderungen dar. In diesem Beitrag soll das Konzept der Verwendung der Merkmale für den Informationsaustausch im operativen Betrieb beschrieben werden. Es soll gezeigt werden, wie anhand der Merkmale ein Übergang von dem Austausch der Informationen mit impliziter Semantik zu dem Austausch der Informationen mit expliziter Semantik erfolgen kann. Es soll gezeigt werden, wie die Erhöhung der Robustheit und Flexibilität des Zusammenwirkens zwischen den Interaktionspartnern erreicht werden kann, wenn die Beschreibung von Merkmalen mit einem standardisierten Datenmodell durchgeführt und zur Laufzeit zugreifbar wird.

Zusammenfassung In diesem Beitrag werden ein modellbasiertes Konzept zur Transformation von GRAFCET nach IEC 61131-3 Steuerungscode sowie verschiedene darauf aufbauende Ansätze für die automatische Rücktransformation des manuell geänderten Codes in die GRAFCET-Spezifikation vorgestellt und diskutiert. Diese bidirektionale Transformation kann als Round-Trip-Engineering im Steuerungs-Lebenszyklus verstanden werden.

Zusammenfassung Bei der Entwicklung automatisierter Systeme im Bereich der Automatisierungstechnik haben Ingenieure viele Aufgaben oft unter Zeitdruck zu bearbeiten, unter anderem Simulationen. Um Ingenieure bei diesen aufwändigen Simulationsaufgaben zu unterstützen, wird ein Framework vorgestellt, das Simulationen basierend auf strukturiertem Wissen parallel und dezentral koordiniert und durchführt. Hierbei können verschiedene Lösungsansätze eines Problems automatisiert simuliert und miteinander verglichen werden. Komplexe Problemstellungen, d. h. umfangreiche und häufig aus mehreren voneinander abhängigen Teilen bestehende Aufgaben, werden hierzu in Teilprobleme zerlegt und ihre Lösungsansätze separat mit dem jeweils geeignetsten Softwaretool bearbeitet. Zur flexiblen Koordination der dezentralen Simulationen werden kooperierende Softwareagenten eingesetzt. Diese autonomen Einheiten kommunizieren miteinander, um die parallelen Tätigkeiten während eines Simulationsprojekts zu steuern. Evaluiert wird das vorgestellte Konzept anhand der Anwendungsgebiete des Regelungsentwurfs und der multiphysikalischen Simulation. Hierzu wurden entsprechende prototypische Agentensysteme mithilfe des entwickelten Frameworks realisiert. Zusätzlich zum Framework zur parallelen Simulation wird auch ein Konzept zur Ergänzung des Agentensystems um eine lernende Case-Based-Reasoning-Komponente vorgestellt. Durch die Ergänzung des Agentensystems um Lernfähigkeit, konnte die Performance der Simulationen weiter gesteigert werden. Aufgrund der parallel durchgeführten Simulation verschiedener Ansätze mit teils stark variierenden Rechenzeiten, stehen Ergebnisse häufig bereits früher zu Verfügung. Auch die Qualität der Simulationsergebnisse kann durch die Untersuchung verschiedener Ansätze mit dem Agentensystem verbessert werden.

Zusammenfassung Dieser Beitrag beleuchtet die Rückbauphase von Produktionssystemen und erläutert, wie diese Phase zur durchgängigen Modellierung von Produktionssystemen – im Lebenszyklus und darüber hinaus – beiträgt. Dazu wird der Entscheidungsraum aufgespannt, den diese Phase besitzt, und eine Planungsmethode zur Auswahl eines passenden Rückbauszenarios aus diesem Entscheidungsraum vorgestellt. Um die informationsintensive Planungsmethode durch Software unterstützbar machen zu können, wird ein Rückbaudatenmodell vorgestellt, welches die relevanten Informationstypen für die Rückbauphase hält und damit eine Datenweitergabe – innerhalb der Rückbauphase und darüber hinaus – ermöglicht. Mit AutomationML wird ein Datenaustauschformat vorgeschlagen, was diesen Austausch realisieren kann.

Due to the increasing integration of different disciplines, the complexity in the development of mechatronic production systems is growing. To address this issue, a multi-disciplinary design approach has been proposed, which follows the model-based systems engineering (MBSE) architecture and integrates the interdisciplinary modeling approach SysML4 Mechatronics . In this article, the applicability of this approach in the machine and plant manufacturing domain is demonstrated using five use cases. These use cases are derived from industry and are demonstrated in a lab-sized production plant. The results of the application show that the approach can completely fulfil the proposed industrial requirements, namely interdisciplinary modeling, comprehensibility of system modeling, reusability of the modeling components, coupling different engineering models and checking data consistency.