Design and Implementation of an Embedded System Factory in the Context of Industry 4.0

Thomas Schmeizl

Bachelorarbeit: Design and Implementation of an Embedded System Factory in the Context of Industry 4.0
Betreuer: Prof. Dr. Matthias Kranz
Datum: 01/2016

Motivation

Die Industrie 4.0 führt zu gewaltigen Veränderungen in der industriellen Fertigung und eröffnet
neue Unternehmenskonzeptionen und Businessmodelle.Durch das Verschmelzen von moderner
Informations- und Kommunikationstechnologien mit der Produktion wird eine höhere Flexibilität
erzielt. Diese Veränderungen stellen neue Anforderungen an die Fabriken, die Maschinen, das
Personal und die Vernetzung, um die steigende Komplexität, die „intelligente“ Fabriken mit sich
bringen, bewältigen zu können.

 

 

Zusammenfassung

In meiner Arbeit konzepiere und realisiere ich einen Prototyp einer Industrieanlage mit
Fischertechnik-Bauteilen. In dieser Fabrik treten bekannte Informatikprobleme auf, die nur durch
Kommunikation zwischen den verschiedenen Instanzen gelöst werden können.

 

Informatikprobleme

Die Hauptprobleme sind das Erzeuger-Verbarucher-Problem und das Raucher-Problem, die durch
die Verteilung auf verschiedene Maschinen und die Zwischenspeicherung der Werkstücke in einem Speicher entstehen. Zusätzlich kommuniziert die Fabrik mit einem Partnersystem, das Werkstücke entgegen nimmt und wieder in mein System zurückführt. Das Partnersystem stellt den Erzeuger dar und die Maschinen im System sind die Verbraucher. Das Raucher-Problem wird durch David Parnas Algorithmus gelöst. Das Erzeuger-Verbraucher-Problem ist an die Lösung von A. B. Downey angelehnt.

Konzepierung

Die Fabrik wurde anhand der Hauptprobleme konzepiert. Um die benötigten Bauteile besser abschätzen zu können, wurde ein Plan von der Fabrik erstellt. Tests für die Umsetzbarkeit des Plans hinsichtlich der Fischertechnik-Komponenten und der Mechanik wurden durchgeführt. Kommunikationstechnologien wurden getestet um einen stabilen Informationsaustausch zwischen den System eigenen Microcontrollern und dem Partnersystem zu gewährleisten.

Umsetzung

Die Anlage wird von Atmel Atmega 2560 AVR-Chips gesteuert, die in low-Level C programmiert sind. Diese steuern mithilfe von Aktuatoren und Sensoren das System und benachrichtigen über Vernetzung andere Instanzen. Die Systemzustände werden mit LEDs angezeigt. Fehler werden weitestgehend selbstständig von der Fabrik behoben, um ein laufendes System zu gewährleisten. Die Werkstücke werden mithilfe von Magneten lokalisiert.

Validierung

Schon während der Implementierungsphase wurden Komponenten-Tests durchgeführt um die reibungslose Zusammenarbeit zu garantieren. Letztendlich wurden die Komponenten zusammengefügt und das ganze System nach der Implementierungsphase getestet, um Fehlerhaftes Verhalten ausschließen zu können.

     

Abbildung 1: Fabrikansicht von oben               Abbildung 2: Speicher

Ausblick

Trotz der Fehlerbehandlung treten Fehlschlüsse des Systems auf, die das System nicht erkennen kann. Diese werden meistens durch die Mechanik verursacht. Somit wurde ein komplett autonomer Ablauf noch nicht erreicht und benötigt somit noch Verbesserungen. Trotzdem kann das System erweitert werden, beispielsweise durch eine Anbindung an das Internet und externe Steuerung.