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Industrie 4.0 und Cyber Physical Systems – ganz oder gar nicht?

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Cyber Physical Production System (CPPS)

Für Produktionseinheiten, die nach Industrie 4.0 bereits realisiert sind, wird im Folgenden der Begriff Cyber Physical Production System (CPPS) verwendet. Die acatech Studie AgendaCPS von 2012 (acatech 2011) definiert Cyber-Physical Systems – die Basis für Industrie 4.0 – als eingebettete Systeme, die:

  • mittels Sensoren unmittelbar physikalische Daten erfassen und mittels Aktoren auf physikalische Vorgänge einwirken
  • Daten auswerten und speichern sowie auf dieser Grundlage aktiv oder reaktiv mit der physikalischen und der digitalen Welt interagieren
  • mittels digitaler Netze untereinander verbunden sind, und zwar sowohl drahtlos als auch drahtgebunden, sowohl lokal als auch global
  • weltweit verfügbare Daten und Dienste nutzen
  • über eine Reihe multimodaler Mensch-Maschine-Schnittstellen verfügen, also für Kommunikation und Steuerung differenzierter und dedizierte Möglichkeiten bereitstellen, zum Beispiel Sprache und Gesten.

Die wesentlichen technischen Merkmale von CPPS werden in vier Unterbereiche zusammengefasst.

Architekturmodelle: Für die Integration heterogener Anlagen und Geräte sind Serviceorientierte Architekturen (Cândido et al. 2011) bzw. Multi-Agenten Systeme (Colombo et al. 2006), welche mittels Botschaften flexibel untereinander Informationen austauschen können, geeignete Lösungsansätze, die eine minimale Standardisierung erfordern. Softwareagenten repräsentieren die Funktionalität der Maschinen und können über ein unterschiedlich und proprietär Schnittstelle verfügen: ideal für die Migration von bestehenden Anlagen.

Kommunikation und Datendurchgängigkeit: Für Industrie 4.0 ist die Kopplung der Daten aus Engineeringsystemen, Laufzeitsystemen sowie übergeordneten IT-Systemen eine Voraussetzung, um flexibel auf Änderungen im Produktionsprozess aber auch in der Ablösung von IT-Systemen reagieren zu können. Themen wie OPC-UA, AutomationML und die semantische Beschreibungen sind die Basis.

Intelligente Produkte und adaptive intelligente Produktionseinheiten: Basierend auf der Produkt-Konfiguration eines Kunden stellen die CPPS-Produktionseinheiten unter Berücksichtigung von Produkteigenschaften, Kosten, Sicherheit, Zuverlässigkeit, Effizienz, Zeit, Nachhaltigkeit u.a.m. einen Produktionsablauf zusammen und sorgen für die Herstellung des Produkts. Tritt Anpassungsbedarf auf, tauschen die Produktionseinheiten sich eigenständig aus, passen sich an oder entwickeln sich entsprechend des Anpassungsbedarfs weiter.

Informationsaggregation und -aufbereitung für den Menschen: Selbst wenn alle Daten integriert vorhanden sind, ist die wesentliche Herausforderung diese dem Menschen abhängig von seine individuellen Eigenschaften und Vorliegen für seine Arbeitsaufgabe und Rolle in geeigneter Form zur Verfügung zu stellen.

Realisierung eines CPPS in der Modellfabrik MyJoghurt

Bei der Produktion von Joghurt mit Schokokugeln soll aufgrund entsprechender Marktstudien und konkreter Kundenanfragen außer Joghurt mit dunklen Schokoladenkugeln auch Joghurt mit weißen Schokoladenkugeln und Joghurt der beide Arten von Schokokugeln enthält produziert werden. Die Kunden konfigurieren den Joghurt über eine Kundenplattform im Internet. Verschiedene Produktionseinrichtungen stehen Deutschland-weit bereit verschiedene Arten von Joghurt zu produzieren oder Teile der Produktion, wie das Gravieren von Deckeln, zu übernehmen.

Intelligente Produkte und adaptive intelligente Produktionseinheiten: Wenn die neue Fähigkeit „Befüllen von weißen Schokokugeln“ über eine Botschaft angefragt wird, kann die CPPS-Produktionseinheit entscheiden, ob sie diese Funktion erbringen kann und ob sie freie Kapazität zu welchem Preis anbieten kann. Die Botschaften, sind in einem Botschaftsverzeichnis festgelegt. Mithilfe des Vergleichs von angebotener und benötigter Anlagenfunktion wird auf Basis der ausgewählten Kriterien, wie Preis, Lieferzeitpunkt etc. die passende Anlage ausgewählt.

Der Vergleich der Eigenschaften erfolgt auf Basis von Merkmalen einer Ontologie, die die Fähigkeiten der Anlage beschreiben. Dazu muss spezifiziert sein, ob die weißen Schokokugeln vom Durchmesser und ihren Eigenschaften (Schmelzpunkt der Schokolade, Viskosität) identisch zu den dunklen Schokokugeln sind. Würden die weißen Schokokugeln einen geänderten pneumatischen Druck bei der Vereinzelung benötigen oder einen anderen Durchmesser aufweisen, so müsste eine geänderte Parametrierung oder eine konstruktive Änderung der Kugelsortierungseinheit vorgenommen werden. Intelligente Produkte und Produktionseinheiten verfügen über die Möglichkeit sich selbst zu überwachen, d.h. ggf. Qualitätsschwankungen wie die Viskosität des Joghurts, Messfehler etc. selbst zu diagnostizieren und entsprechend entgegenzuwirken.

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