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Robustheit durch Integration, Interaktion, Interpretation & Intelligenz- RobIN 4.0

Status abgeschlossen
Ziele

1. Verbesserung der Prozessrobustheit, Produktionssicherheit und Produktivität
Das Ziel des Verbundprojektes ist es, Informationsflüsse parallel zu den unverändert produktiven Materialflüssen in der Umformtechnik zu ermöglichen und für eine bessere Prozessrobustheit bzw. Produktionssicherheit und Produktivität prozessübergreifend zu nutzen. Um dieses Ziel zufriedenstellend zu erreichen müssen drei Teilziele definiert werden, die anhand einer typischen umformtechnischen Prozesskette in Abbildung 1 dargestellt sind:
  I. Robuste Prozesse:
Durch die zusätzlichen Informationen muss die Möglichkeit gegeben sein einzelne Prozesse innerhalb der Prozesskette zu überwachen und zu optimieren. Die Robustheit der Prozesse gegenüber Störungen muss gesteigert werden. Die aufzunehmenden Prozessgrößen werden in Zusammenarbeit mit den Konsortialpartnern für die jeweiligen Prozesse definiert.

  II. Robuste Prozesskette:
Die Nutzung der zusätzlich gewonnen Informationen ermöglicht in Kombination mit den erweiterten Informationsflüssen eine Kommunikation innerhalb der Prozesskette. Die Kommunikation der einzelnen Prozesse untereinander sowie die Möglichkeit aktiv in vor- und nachgelagerte Prozesse einzugreifen steigert die Robustheit der gesamten Prozesskette.

  III. Robuste Entwicklungskette:
Die Speicherung und Aufbereitung der Informationen über einzelne Prozesse bzw. über die gesamte Prozesskette ermöglicht eine gezielte Kommunikation mit externen Partnern (Beschichter, Werkzeugbauer etc.). Dieser zusätzliche Informationsfluss bietet die Möglichkeit einer vernetzten Zusammenarbeit von Zulieferern und Produzenten. Die Robustheit der gesamten Entwicklungskette kann bei einer gezielten Nutzung der gewonnenen Informationen gesteigert werden.


Abbildung 1: Gesamtprozesskette zur Zusammenführung der Teilziele

Um die zuvor aufgeführten Teilziele erreichen zu können, ist eine Aufteilung in einzelne Bereichsziele zwingend erforderlich. Diese werden mit ihren definierten Zwischenergebnissen im Folgenden vorgestellt.

1. Bereichsziel:
Integration von Sensoren zur Schaffung eines robusten Sensornetzwerks
Ein maßgebliches Bereichsziel des Projektes ist die Entwicklung und Erprobung geeigneter Sensortechnologien. Um auch im industriellen Umfeld zuverlässige Messwerte aufnehmen zu können sollen Sensoren in universell einsetzbare Kopplungs- und Verbindungselemente integriert werden. Die Integration in mechanische Elemente erfüllt dabei zwei grundsätzlich wichtige Funktionen. Zum einen bietet die Ummantelung der empfindlichen Sensorelemente einen ausreichenden Schutz gegen die Einflüsse des Produktionsumfeldes, zum anderen können die Kopplungs- oder Verbindungselemente ohne großen Aufwand direkt in den primären Kraftfluss eingebracht werden. Da die Sensoren herkömmliche Kopplungs- oder Verbindungselemente in ihrer Funktion ersetzen, ist kein zusätzlicher Bauraum notwendig. Eine kostenintensive Integration von Messtechnik in vorhandene Werkzeuge kann somit weitestgehend umgangen werden.

Zwischenergebnis:
Als Zwischenergebnis wird ein funktionstüchtiges Sensornetzwerk aus Sensoren, die in Kopplungs- bzw. Verbindungselemente integriert wurden, aber auch aus herkömmlichen Sensoren, zu Verfügung gestellt. Mit den Demonstratoren soll es möglich sein, die im Rahmen der ausgewählten Prozesse und Prozessketten definierten Größen in ausreichender Genauigkeit messen zu können. Eine zukünftige Standardisierbarkeit sollte bei der Fertigung der Demonstratoren beachtet werden. Insbesondere ist dabei zu beachten, dass für die notwendigen Anschlüsse eine marktübliche Schnittstelle genutzt werden kann.

2. Bereichsziel:
Interpretation der Sensordaten zur Wahrnehmung der Prozessumgebung
Das zweite wichtige Bereichsziel ist die Interpretation und die Aufbereitung der aufgenommenen Messdaten. Um eine adaptive Prozessregelung bzw. eine Interaktion mit vor- oder nachgelagerten Prozessen gewährleisten zu können, müssen die ermittelten Messdaten interpretiert und gespeichert werden. Die Aufbereitung innerhalb einer Datenbankstruktur der Messdaten soll genutzt werden, um die Anlagensteuerung in Echtzeit adaptiv anpassen zu können. Nach der Speicherung der Daten folgt zunächst die Interpretation. Anhand der interpretierten Daten soll es möglich sein, Rückschlüsse auf den aktuellen Prozess bzw. auf vor- und nachgelagerte Prozesse zu ziehen und daraus prozessspezifische Parameter für die adaptive Regelung zu ermitteln. Bei der Ermittlung der Stellgrößen können sowohl modellbasierte aber Industrieverband Massivumformung e. V. Seite 3 auch simulationsgestützte Ansätze zur Anwendung kommen. Durch eine Kombination mehrerer Messgrößen (z.B. Weg, Kraft und Temperatur) können neue Größen bestimmt werden, die sich zur Prozesssteuerung eignen. Das entwickelte Modul soll zusätzlich gewährleisten mit vor- oder nachgelagerten Prozessen zu kommunizieren und zu entscheiden an welchem Teilprozess der Prozesskette die Stellempfehlung gesendet werden soll.

Zwischenergebnis:

Das Zwischenergebnis soll ein Modul sein, mit dem es möglich ist Messdaten in Echtzeit zu speichern und mit einer hinterlegten Systematik Stellgrößen für Teilprozesse, aber auch für deren vor- und nachgelagerten Prozesse, zu ermitteln und bereitzustellen. Bei den ermittelten Stellgrößen handelt es sich zunächst um prozessspezifische Parameter, die noch keine konkreten Anweisungen, bspw. Bahnoptimierung, für die Anlage bereitstellen.

3. Bereichsziel:
Interaktion zwischen cyber und physischen Systemen zur Erhöhung der Prozessrobustheit
Das dritte Bereichsziel ist es, ein Bedienkonzept und ein Steuerungssystem zu entwickeln mit denen eine autonome Prozessoptimierung realisiert werden kann. Um das Gesamtziel einer Selbstanpassung und einer Rekonfiguration der Presse zu erreichen, ist es erforderlich die zuvor ermittelten prozessspezifischen Stellgrößen an das verwendete Umformaggregat anzupassen. Die Entwicklung eines Bedienkonzeptes und eines Steuerungssystems zur Realisierung einer autonomen Prozessoptimierung soll vorgenommen werden. Um das allgemeine Ziel einer Selbstanpassung und Rekonfiguration der Presse zu erreichen sollen hierfür adaptive Algorithmen erarbeitet und im realen, industriellen Umfeld erprobt werden. Des Weiteren soll durch die Arbeit dieses Verbunds eine Schnittstelle des Prinzips „Plug and Play“ entwickelt werden, mit der vor- und nachgelagerte Prozesse aktiv beeinflusst werden können. Bei der Entwicklung eines Bedienkonzeptes ist es zunächst erforderlich, die Grenzen der autonomen Optimierung zu definieren, insbesondere ist zu entscheiden in wie weit dem Maschinenbediener eine manuelle Einflussnahme ermöglicht werden soll.

Zwischenergebnis:
Das Zwischenergebnis soll ein Steuerungssystem sein, das die zuvor erzeugten Daten dem Maschinenbediener zugänglich macht. Der Bediener soll sowohl über die teilweise autonom getroffenen Anpassungen informiert werden, alternativ können im Handlungsvorschläge oder Anweisungen unterbreitet werden. Insbesondere ist dabei eine geeignete und vereinfachte Darstellung der großen Datenmenge erforderlich.

4. Bereichsziel:
Intelligenz durch Zusammenführung und Erprobung des cyber-physischen Gesamtsystems und gezielten Ausbildungs- und Schulungsmaßnahmen
Im vierten Bereichsziel werden die Zwischenergebnisse der vorherigen Bereichsziele zu einem cyber-physischen Gesamtsystem zusammengefügt. Cyber-physische Systeme, die über ein Netz von oder vernetzte Sensoren seine Umwelt wahrnehmen, über Aktuatoren interagieren und über eine vorhandene interne oder externe Intelligenz ohne direkte Nutzerinteraktion reagieren können. Die entwickelte Sensorik soll dazu zusammen mit der entwickelten Datenbank und der adaptiven Steuerung an eine Beispielprozesskette angepasst werden.

Zwischenergebnis:
Das Ergebnis dieses Aufgabenpaketes ist eine Demonstrationsprozesskette in der sowohl die Möglichkeit einer Prozessregelung, aber auch die Möglichkeit einer Anpassung der vor- und nachgelagerten Prozesse und zusätzlich eine Möglichkeit zur Kommunikation mit externen Dienstleistern gegeben ist.


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