Schmertosch / Krabbes / Zinke-Wehlmann Automatisierung 4.0
2. aktualisierte und erweiterte Auflage 2024
ISBN: 978-3-446-47856-5
Verlag: Hanser, Carl
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark
Objektorientierte Entwicklung modularer Maschinen für die digitale Produktion
E-Book, Deutsch, 316 Seiten
ISBN: 978-3-446-47856-5
Verlag: Hanser, Carl
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark
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.
Autoren/Hrsg.
Weitere Infos & Material
1;Vorwort;7
2;Die Autoren;13
3;Inhalt;15
4;1 Automatisierung 4.0 – Anforderungen und Perspektiven;19
4.1;1.1 Wahrnehmung von Industrie 4.0;19
4.2;1.2 Trends und Anforderungen im Maschinen- und Anlagenbau;24
4.2.1;1.2.1 Endprodukte bestimmen die Richtung;25
4.2.2;1.2.2 Der Engineering-Prozess verändert sich;26
4.3;1.3 Neue Anforderungen an Produktionsanlagen;28
4.3.1;1.3.1 Effizienz entscheidet über Erfolg;28
4.3.2;1.3.2 Service schafft Vertrauen;34
4.3.3;1.3.3 Qualität ist bedingungslos;35
4.3.4;1.3.4 Wandelbarkeit macht fit für die Zukunft;37
4.3.5;1.3.5 Sicherheit muss sein;38
4.3.6;1.3.6 Neue Technologien in Erfolge umsetzen;45
4.3.7;1.3.7 Digitale Produktion;49
4.4;1.4 Schlussfolgerungen;53
5;2 Entwurf modularer Maschinen und Anlagen;57
5.1;2.1 Definition und Eigenschaften von Modulen;58
5.1.1;2.1.1 Modularität;59
5.1.2;2.1.2 Funktionalität;62
5.1.3;2.1.3 Zustand und Zustandsänderungen;63
5.1.4;2.1.4 Kompatibilität;66
5.2;2.2 Modularität im Kontext zu Industrie 4.0;68
5.2.1;2.2.1 Objekte und Entitäten;69
5.2.2;2.2.2 Methoden und Funktionen;73
5.2.3;2.2.3 Botschaften und Dienste;74
5.2.4;2.2.4 Die I4.0-Komponente;76
5.2.4.1;2.2.4.1 Das Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0);77
5.2.4.2;2.2.4.2 Technische Assets;78
5.2.4.3;2.2.4.3 Assets in der Informationswelt;82
5.2.4.4;2.2.4.4 Die Verwaltungsschale;84
5.2.4.5;2.2.4.5 Interaktion von I4.0-Komponenten;89
5.3;2.3 Methoden der Modularisierung;92
5.3.1;2.3.1 Etablierte Entwurfsmethoden;94
5.3.2;2.3.2 Zielanalyse der Anforderungen;95
5.3.2.1;2.3.2.1 Produktsicht;97
5.3.2.2;2.3.2.2 Investitionssicht;99
5.3.2.3;2.3.2.3 Produktionsumfeld;102
5.3.2.4;2.3.2.4 Herstellersicht;105
5.3.3;2.3.3 Konstruktive Detailanalyse;108
5.4;2.4 Modellierung;113
5.4.1;2.4.1 Entwurf einer funktionalen Struktur;113
5.4.1.1;2.4.1.1 Das Funktions- und Klassendiagramm;114
5.4.1.2;2.4.1.2 Das Zustandsdiagramm;118
5.4.1.3;2.4.1.3 Das Interaktionsdiagramm;120
5.4.2;2.4.2 Entwurf einer modularen Konstruktion;123
5.4.2.1;2.4.2.1 Das Moduldiagramm;123
5.4.2.2;2.4.2.2 Qualitatives Modulschema;130
5.4.3;2.4.3 Entwurf des Automatisierungssystems;134
5.4.3.1;2.4.3.1 Hardwarekonzept;134
5.4.3.2;2.4.3.2 Softwarekonzept;137
5.5;2.5 Zusammenführung und Fazit;140
6;3 Digitale Projektierung von Maschinen;147
6.1;3.1 Spezifikation als Ausgangspunkt einer Projektierung;148
6.2;3.2 Projektierung nach dem V-Modell;150
6.2.1;3.2.1 Abstraktes und reales Modell;150
6.2.2;3.2.2 Modell-Qualifikation, -Verifikation und -Validierung;151
6.2.3;3.2.3 Rechnerbasierter Entwurf;154
6.2.4;3.2.4 Modellierungsvarianten;155
6.3;3.3 V-Modell in der Anwendung;157
6.3.1;3.3.1 Grundstruktur und Eigenschaftssicherung;158
6.3.2;3.3.2 Dekomposition;159
6.3.3;3.3.3 Modularisierung und Objektorientierung;161
6.3.4;3.3.4 Grundstrukturen simulativer Erprobung;161
6.4;3.4 Übertragbarkeit des interdisziplinären Mechatronikansatzes;169
6.4.1;3.4.1 Simulative Erprobung großer Systeme;170
6.4.2;3.4.2 Lebenszyklusmodellierung;172
6.4.3;3.4.3 Grenzen simulationsgestützter Evaluierung;173
6.4.4;3.4.4 Ausblick;175
7;4 Qualitätssicherung neu denken;179
7.1;4.1 Begriffsübersicht;180
7.2;4.2 Was macht Qualität 4.0 aus?;182
7.3;4.3 Qualitätsmanagement und Modularisierung;185
7.3.1;4.3.1 Messen von Qualität;186
7.3.2;4.3.2 Analyse von Qualität;188
7.3.3;4.3.3 Im Detail: digitale Bildverarbeitung als Qualitätssicherungsverfahren;189
7.4;4.4 Qualität 4.0 in die Anwendung bringen;194
8;5 Modulare Automatisierung in der Praxis;203
8.1;5.1 Sukzessive Modularisierung;203
8.1.1;5.1.1 Szenarien einer sukzessiven Modularisierung;206
8.1.2;5.1.2 Dezentralisierte Hardware ist möglich;207
8.1.3;5.1.3 Dezentralisierte Hardware ist eingeschränkt möglich;210
8.1.4;5.1.4 Dezentralisierte Hardware ist nicht möglich;212
8.1.5;5.1.5 Heterogene Automatisierungstechnik;216
8.1.6;5.1.6 Zusammenfassung;217
8.2;5.2 Echtzeitfähigkeit dezentraler Systeme;217
8.2.1;5.2.1 Reaktionszeit – Definition und Anforderungen;218
8.2.2;5.2.2 Jitter – die große Unbekannte;226
8.2.3;5.2.3 Kurze Reaktionszeiten in dezentralen Strukturen;231
8.2.3.1;5.2.3.1 Erhöhung der Systemleistung;234
8.2.3.2;5.2.3.2 Interrupt-basierte Systeme;236
8.2.3.3;5.2.3.3 Intelligente Feldgeräte;237
8.2.3.4;5.2.3.4 Spezialentwicklungen;240
8.2.3.5;5.2.3.5 Intelligente I/O-Module;241
8.2.4;5.2.4 Zusammenfassung und Lösungsbeispiele;245
8.2.4.1;5.2.4.1 Dickenmessung sammelgehefteter Broschüren;245
8.2.4.2;5.2.4.2 Fehlbogenkontrolle;248
8.3;5.3 Maschinensicherheit;250
8.3.1;5.3.1 Anwendung der Maschinenrichtlinie in modularen Systemen;250
8.3.2;5.3.2 Sicherheitstechnik im Überblick;253
8.3.3;5.3.3 Sichere Steuerungstechnik;259
8.3.4;5.3.4 Sicherheitstechnik ergänzen oder integrieren?;264
8.3.5;5.3.5 Zusammenfassung;269
8.4;5.4 Kommunikation ist (fast) alles;269
8.4.1;5.4.1 Industrielle Kommunikation im Überblick;270
8.4.2;5.4.2 Ethernet-basierte Feldbusse – Eigenschaften und Arbeitsweise;275
8.4.3;5.4.3 OPC UA im Industrial Ethernet;282
8.4.4;5.4.4 Single Pair Ethernet;289
8.4.5;5.4.5 Sichere Kommunikation – Safety;290
8.4.6;5.4.6 Sichere Kommunikation bis in die Cloud – Security;293
8.4.7;5.4.7 Zusammenfassung;296
8.5;5.5 Adaptiv und intuitiv: HMI 4.0;297
8.5.1;5.5.1 Bedeutung und grundsätzliche Aufgaben;298
8.5.2;5.5.2 Konstruktive Gestaltung;300
8.5.3;5.5.3 SCADA-System;301
8.5.3.1;5.5.3.1 Systemeinordnung;301
8.5.3.2;5.5.3.2 Engineering von SCADA-Applikationen;302
9;6 Automatisierung 4.0 im Überblick;309
10;Stichwortverzeichnis;313
| 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:
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 , nachzulesen:
.
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 weiterzulesen (wie auch sonst diese Publikation viele Fragen rund um das Thema umfassend beantwortet):
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 (HMI) heißt, sieht diesen Geräten oft zum Verwechseln ähnlich und bietet immer mehr Komfort. Als Beispiel sei nur die 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 in der Verpackungs-, in der Druck- oder 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
Das heißt nichts anderes als anstelle von Serien- und Massenfertigung. Aber 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:
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 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 in Kombination mit . 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 , deren Standardisierungsprozess noch einige Zeit andauern wird. Es war uns daher ein dringendes Anliegen, ergänzend zu den zahlreichen Literaturverweisen, auch Aussagen und...
