Design and Implementation of a Factory Model in the Context of Industry 4.0 with Networked and Embedded Systems

Sebastian Witt

Bachelorarbeit: Design and Implementation of a Factory Model in the Context of Industry 4.0 with Networked and Embedded Systems
Betreuer: Prof. Dr. Matthias Kranz
Datum: 01/2016

Motivation

Jährlich entsteht eine Vielzahl neuer Geräte und Innovationen, die jeder haben sollte. Die Produktpalette wird größer und individueller, sodass die Industrie gezwungen ist, sich den neuen Gegebenheiten anzupassen, um in der Produktion wettbewerbsfähig zu bleiben. In der deutschen Wirtschaft wird diese Anpassung "Industrie 4.0" oder "die vierte industrielle Revolution" genannt. Es bedeutet, moderne Kommunikations- und Informationstechnologie mit traditionellen industriellen Prozessen zu verschmelzen. Vision dieser digitalen Revolution ist eine intelligente Fabrik, die selbständig auf Änderungen reagiert, dabei ressourceneffizient arbeitet und den Menschen bei den immer komplexeren Aufgaben unterstützt. Voraussetzung hierfür ist die Vernetzung sämtlicher beteiligter Geräte und die Kommunikation untereinander.

Zusammenfassung

Die Grundlage der "Industrie 4.0" sind sogenannte "Cyberphysische Systeme", traditionelle Herstellungsanlagen, die mit virtuellen Objekten oder Prozessen verknüpft und über das Internet verbunden sind. Maschinen kommunizieren und tauschen Informationen miteinander aus, um Entscheidungen zu treffen und sich selbst zu kontrollieren. Da die Produkte ihren eigenen Zustand kennen, sind sie in der Lage den Maschinen mitzuteilen, wo sie sich gerade befinden und was muss noch getan werden muss, um ein fertiges Produkt zu sein. In Kombination mit dem Wissen der Mitarbeiter wird es möglich sein, kundenspezifische Anforderungen zu erlauben oder schnell auf Störungen oder Ausfälle in der Produktion zu reagieren. Mit Hilfe dieser Systeme können Planung und Produktion zuverlässiger, flexibler und effizienter gestaltet werden, was in höherer Produktqualität resultiert.

Aufgabe dieser Arbeit ist der Aufbau eines funktionalen Prototypen einer Industrieanlage aus Elementen der Firma fischertechnik. Die Anlage soll dabei allgemeine Problemstellungen repräsentieren, die in der Informatik und Industrie häufig auftreten. Als Beispiele seien hier Erzeuger-Verbraucher-Probleme, Prozesssynchronisation, effizientes Umsortieren oder Prioritätswarteschlangen zu nennen. Dazu wurde zunächst überlegt, welche dieser Problemstellungen mit einer Fabrik dargestellt werden können. Auf Grundlage dessen wurde dann ein Plan für die Systemarchitektur erstellt, um abschätzen zu können, welche Bauteile benötigt werden. Anschließend wurde das System iterativ aufgebaut und mit Hilfe von Mikrocontrollern in C programmiert. Diese übernehmen den Systemablauf, indem sie die Sensoren und Aktuatoren der Fabrikanlage steuern und miteinander kommunizieren. Abschließend wurde das System noch validiert, um Hard- und Software-Defekte ausschließen, einen korrekten Programmablauf sicherstellen und Schwachstellen entdecken zu können.

Der entstandene Prototyp simuliert nun eine Fabrikanlage in der Objekte abhängig von ihren Eigenschaften an unterschiedlichen Stationen bearbeitet werden. Die Anlage soll dabei Synchronisationsprobleme, die aufgrund beschränkter Ressourcen wie Förderbänder und Roboter entstehen können, frühzeitig erkennen und Gegenmaßnahmen ergreifen. Dadurch soll ein möglichst effizienter Prozessablauf gewährleistet werden.

Abbildung 1: Ansicht der Fabrikanlage von oben

Abbildung 2: Pneumatikbereich zum Bewegen von Objekten auf angrenzende Förderbänder

Ausblick

Die Fabrikanlage kann durch entsprechende Umprogrammierung auch für andere Problemstellungen verwendet und erweitert werden. Dazu sollten dann leistungsstärkere Steuergeräte verwendet werden, um vor allem die Systemrobustheit zu erhöhen. Des weiteren kann die Objekterkennung noch optimiert werden. Ein mögliches Projekt wäre im Anschluss daran beispielsweise die Steuerung der Fabrik über das Internet.