Lehre und Forschung am IAS Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

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1 Institut für Automatisierungstechnik und Softwaresysteme Lehre und Forschung am IAS 2017 Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

2 Tradition des Instituts ab 2013 Institut für Automatisierungstechnik und Softwaresysteme Professor M. Weyrich Institut für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung Professor R. Lauber Institut für Automatisierungsund Softwaretechnik Professor P. Göhner Institut für Elektrische Anlagen Professor A. Leonhard Universität Stuttgart, IAS, Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

3 Institut für Automatisierungstechnik und Softwaresysteme (IAS) Fakultät für Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik der Universität Stuttgart Die Forschung und Lehre des Instituts konzentriert sich auf das Thema Softwaresysteme für die Automatisierungstechnik. Dabei verstehen wir uns als Brückenkopf der Produkt- und Anlagenautomatisierung in die Forschungsdisziplinen der Informationstechnik, Softwaretechnologie und Elektronik. Prof. Weyrich wurde im April 2013 an die Universität Stuttgart berufen. Universität Stuttgart, IAS, Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

4 Informationen über das Institut MitarbeiterInnen Wissenschaftliche Assistenten: 5 Wissenschaftliche MitarbeiterInnen: 9 GastwissenschaftlerInnen (China): 1 Technisches Personal und Verwaltung: 5 Auszubildende: 2 Promotionen pro Jahr: ca. 2 Studentische Arbeiten pro Jahr: ca. 90 Veröffentlichungen pro Jahr: Wissenschaftliche Hilfskräfte pro Jahr: Universität Stuttgart, IAS, Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

5 Lehrveranstaltungen des IAS Beteiligung an Studiengängen Automatisierungstechnik I Automatisierungstechnik II Technologien und Methoden der Softwaresysteme I Technologien und Methoden der Softwaresysteme II Software Engineering for Real-Time Systems Industrial Automation Systems B. Sc. Elektrotechnik und Informationstechnik B. Sc. Mechatronik B. Sc. Medizintechnik B. Sc. Erneuerbare Energien B. Sc. Technische Kybernetik B. Sc. Technikpädagogik B. Sc. Informatik Grundlagen der Softwaresysteme Ringvorlesung: Forum Software und Automatisierung Zuverlässigkeit und Sicherheit von Automatisierungssystemen Softwaretechnik-Praktikum Automatisierungstechnik-Praktikum M. Sc. Elektrotechnik und Informationstechnik M. Sc. Mechatronik M. Sc. Medizintechnik M. Sc. Information Technology M. Sc. Nachhaltige Elektrische Energieversorgung M. Sc. Technikpädagogik M. Sc. Verkehrsingenieurwesen Universität Stuttgart, IAS, Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

6 Forschung am IAS Die Forschungen der Automatisierungstechnik orientieren sich an Anwendungen in der produzierenden Industrie, Automotive sowie der urbanen Lebenswelt. Universität Stuttgart, IAS, Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

7 Forschung: Automatisierungstechnik und Softwaresysteme Wertschöpfung Metriken und Kennzahlen Zuverlässigkeit Testmanagement Diagnose Zuverlässigkeits-Modelle Industrie 4.0 Vehicle-2-X Lebenswelt HMI Mobile Endgeräte Kontextsensitive Assistenzsysteme Dynamische Kopplung Kooperation heterogener Systeme Smarte Komponenten Self-X und Autonomie Lernfähigkeit Verarbeitung von Wissen Universität Stuttgart, IAS, Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

8 Flexible Systeme durch Smarte Komponenten Zukünftige Automatisierungssysteme sind agil, d.h. sie passen sich an den Nutzungskontext und geänderte Rahmenbedingungen flexibel an. Agentenorientierte Entwicklung automatisierter Systeme Autonome Automatisierungskomponenten und deren Orchestrierung Modularisierung automatisierter Systeme Realisierung fehlertoleranter Systeme Realisierung neuartiger Anwendungen, z.b. in der Produktion 2017 IAS, Univ. Stuttgart Universität Stuttgart, IAS, Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

9 Verlässlichkeit von Automatisierungssystemen Neben der Funktionalität entscheiden heute Qualitätsmerkmale wie Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Sicherheit über den Erfolg. Optimierung der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit Ermittlung der Zuverlässigkeit automatisierter Systeme im Kontext des Internets der Dinge Lernfähige Instandhaltung auf Basis von Sensornetzen und Auswertung großer Datenmengen Fehlermanagement und automatische Rekonfiguration 2017 IAS, Univ. Stuttgart Universität Stuttgart, IAS, Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

10 Engineering von (cyber-physischen) Automatisierungssystemen Digitale Abbilder und die informationstechnische Vernetzung verändern das Engineering und ermöglichen neue System-Funktionalitäten. Konzepte zur Verifikation, Validierung und Test von automatisierten Systemen Einsatz mobiler Endgeräte zur Informations- und Wissensverarbeitung Einfachheit und Alltagstauglichkeit von automatisierten Systemen Verteilte Entwicklung und Integration von Simulation in den Entstehungsprozess Integration heterogener Systemwelten, z. B. zum Investitionsschutz 2017 IAS, Univ. Stuttgart Universität Stuttgart, IAS, Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

11 Smartphone-basierte Fehlerdiagnose Anforderungen: Fehlerdiagnose für jedermann Generierung von anwenderverständlichen Hinweisen zu Fehlern und deren Behebung Kerntechnologien: Smartphone-Programmierung Framework zur Erstellung von Apps für die Instandhaltung von Haushaltsgeräten Ansatz Diagnose-App zur selbständigen Fehlerdiagnose durch den Anwender Digitales Typenschild zur Identifikation des Prüflings Framework zur effizienten Entwicklung von Diagnose-Apps Einsparung von Reparaturkosten und Verkürzung der Reparaturzeiten 2017 IAS, Univ. Stuttgart Universität Stuttgart, IAS, Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

12 Fehlerprävention in der Automatisierungstechnik Anforderungen: Erkennung von sich anbahnenden Fehlern in automatisierten Systemen Frühzeitige Handlungsanweisungen Kerntechnologien: Crash-Rekorder Signalüberwachung Merkmalserkennung AMIAS E-Crash-Box Prozessdaten Fehlerentw.- Identifikation Ansatz Einführung eines Abnormitäten-Managements Speichern von Maßnahmen, mit denen auf eine identifizierte Abnormität reagiert wird Systematische Identifikation, Bewertung, Behebung und Prävention (Überprüfung) der Abnormitäten Abnormitäten-Management ermöglicht es, Fehler oder einen Betriebsunfall zu verhindern bzw. Fehlerentwicklungen (Abnormitäten) frühzeitig zu erkennen 2017 IAS, Univ. Stuttgart Universität Stuttgart, IAS, Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

13 Testmanagement Anforderungen: Unterstützung bei der Auswahl von Testfällen zur Testplanung Automatisierte Priorisierung der Testfälle Kerntechnologien: Agententechnologie Algorithmen zur Lernfähigkeit Daten Testfälle Systemstruktur Historie Änderungen Aufgetretene Fehler Testfallpriorisierung Motivation Begrenze Zeit zur Durchführung von Tests Begrenzte Zeit zur Behebung spät gefundener Fehler Ansatz Unterstützung des Testmanagers durch agentenbasiertes Auswerten von Informationen Testfallpriorisierung, Testressourcenzuteilung, Fehlerdiagnose, Testskriptgenerierung, etc. Priorisierung von Testfällen, um schwere Fehler frühzeitig zu erkennen 2017 IAS, Univ. Stuttgart Universität Stuttgart, IAS, Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

14 Testen in dynamischen Produktionsumgebungen Anforderungen: Sicherstellung der korrekten Funktionsweise von flexiblen Produktionsmaschinen Kerntechnologien: Modellierung dynamischer Systeme Testmanagement Analyseverfahren, Optimierungsverfahren, Entscheidungssysteme Historie S 2 A 2 S 3 A 1 A 3 Testfälle 1) Testauftrag 3) Prozessgrößen S 1 Bus Regelung Modelle Auswertung 2) Testanweisungen Sensor Aktor Motivation Grundlegender Wandel des Testens durch ständige Rekonfigurationen Ansatz Bedarfsgerechte Testinitiierung Automatisierte Testkoordination Nutzung zusätzlicher Informationen durch weltweite Vernetzung Hohe Testabdeckung von flexiblen Systemen unter Gewährleistung des Produktionsflusses während des Betriebs 2017 IAS, Univ. Stuttgart Universität Stuttgart, IAS, Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

15 Cyber Physical Systems für Industrie 4.0 Anforderungen: Flexible Kopplung von heterogenen, automatisierten Systemen Vernetzung virtueller mit physischer Welt Kerntechnologien: Softwareagenten zur Steuerung Anwendung von Internettechnologien Bestätigung Rekonfiguration Auftragserteilung bzw. -zuteilung Zustandsüberwachung Qualitätssicherung Diagnose Dokumentation Ansatz Vielfältige Szenarien realisierbar: Energieoptimierung Dezentrale kooperierende Produktion Systemübergreifende Fehlerdiagnose und Fehlerprävention Automatisierte Rekonfiguration Verwendung von Agententechnologien erlaubt die Nachrüstung bestehender Systeme (Retrofit) sowie eine Neuplanung 2017 IAS, Univ. Stuttgart Universität Stuttgart, IAS, Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

16 I4.0-Connector Anforderungen: Flexible Kopplung von bestehenden automatisierten Systemen Vernetzung unterschiedlicher Protokolle Kerntechnologien: Wissensbasierte Übersetzung Ontologie zur Wissensspeicherung I4.0-Connector Motivation ATS ATS-Schnittstelle Kooperationsschnittstelle I4.0-Netzwerk Hohe Anzahl an nicht I4.0-fähigen Bestandsystemen Ansatz Nutzung existierender Schnittstellen Wissensbasierte Übersetzung der Nachrichten Der I4.0-Connector ermöglicht die einfache Anbindung bestehender automatisierter Systeme Universität Stuttgart, IAS, Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

17 I40-Connector Verbindung von bestehenden Anlagen mit einer Dienstearchitektur. Dies ermöglicht das globale Anbieten von lokalen Diensten. > bestehende Anlagen müssen integrierbar sein > Dienste und Leistungsnachfragen müssen übersetzt werden (Ontologien) Connector vertritt Ziele und Absichten eines Teilsystems I40- Connector Globales Leistungsverzeichnis (neuartiger Standard) Ziele (z.b. Auslastung LKW) Absicht (z.b. Transport Paletten) Wissensbasis (z.b. Entfernungen, Ladeverhältnisse) bestehendes Automatisierungssystem Lokale Ontologie Universität Stuttgart, IAS, Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

18 Noch eine Plattform Dynamische Kopplung Es müssen heterogene Plattformen und IT-Systeme verbunden werden. Use Case: Einfaches Hinzufügen und Entfernen von Teilsystemen I40-Dienste-Cloud > Automatisierungssysteme verschiedener Hersteller I40-Connector > Offene Architekturen > Proprietäre IT-Systemwelten I40-Connector I40-Connector Produktions-Netz bestehende Plattform weitere bestehende Plattformen Geräte Maschinen Anlagen Universität Stuttgart, IAS, Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

19 Realisierung: Verbund Entwicklung und Erprobung von Konzepten im Rahmen von Modellprozessen I4.0 LKW Vorprodukte Individuelle Produktion Montage von Autos > Transport von Waren > Meldungen über Lieferzeitpunkte Materiallager > Erkennung der Waren > Auftragserteilung > Lagerung von Zwischenprodukten > Produktionsüberwachung > Visualisierung weiterer Nachrichten App > Automatisierte Auftragsverwaltung und Koordination der Fertigung Universität Stuttgart, IAS, Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

20 Modellprozesse am IAS Die Modellprozesse der Automatisierungstechnik dienen der Darstellung spez. Automatisierungstechnologie und verdeutlichen die Einsatzmöglichkeiten von Softwaresystemen. Smartphonebasierte Fehlerdiagnose Modulares Produktionssystem Automatisiertes Hochregallager Automatisierte Abfüllanlage Automatisiertes Gokart Automatisierter Kaffeeautomat Automatisiertes Kugellabyrinth Automatisierter Tischkicker Automatisierter Arzneischrank Automatisierter Klavierlehrer Industrie 4.0 Montage-Anlage Automatisierter Torhüter GOALIAS Automatisierte Pyrotechnik-Show Universität Stuttgart, IAS, Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

21 Kooperation mit folgenden Firmen ABB (Asea Brown Boveri AG) ads-tec Automation, Daten- und Systemtechnik AUDI AG BASF SE Daimler AG ETAS GmbH iss (Innovative Software Services GmbH) Robert Bosch GmbH Siemens AG Vector Consulting GmbH Vector Informatik GmbH Universität Stuttgart, IAS, Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

22 Institutsziele Übereinstimmung von Lehre und Institutspraxis Praxisnahe wissenschaftlich fundierte Ausbildung Akquisition von Studierenden Technologietransfer zu kleinen mittelständischen Unternehmen Kooperation mit Industriefirmen in Forschungsprojekten Leitmotiv des Instituts Leben, was wir lehren Lehren, was wir forschen Forschen, was man braucht Universität Stuttgart, IAS, Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich

23 Vielen Dank! Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich Web Telefon +49 (0) Fax +49 (0) Universität Stuttgart Institut für Automatisierungstechnik und Softwaresysteme Pfaffenwaldring Stuttgart