INTELLIGENTE STEUERUNGEN UND REGELUNGEN FÜR FLEXIBLE AUTOMATISIERUNG

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1 INTELLIGENTE STEUERUNGEN UND REGELUNGEN FÜR FLEXIBLE AUTOMATISIERUNG Selbstoptimierende Fertigungssysteme in der Produktion Folie 1

2 AGENDA 1. Einführung und Motivation 2. Methoden und Anwendungsbeispiele 3. Der Weg zu intelligenten Steuerungen und Regelungen 4. Resumee Folie 2

3 Die Fraunhofer-Gesellschaft Standorte in Deutschland Itzehoe Rostock 67 Institute und selbstständige Forschungseinrichtungen rund Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter Forschungsvolumen: 2,1 Milliarden Euro Gelsenkirchen Oberhausen Duisburg Köln Euskirchen Aachen Wachtberg Oldenburg Münster Dortmund Schmallenberg Bonn, Sankt Augustin Lübeck Bremerhaven Hamburg Bremen Hannover Potsdam-Golm Braunschweig Magdeburg Lemgo Goslar Paderborn Halle Göttingen Schkopau Leipzig Kassel Leuna Erfurt Jena Hermsdorf Chemnitz Ilmenau Berlin Wildau Teltow Cottbus Dresden, Moritzburg Freiberg Zittau Remagen Frankfurt Alzenau Würzburg Bayreuth Sulzbach St. Ingbert Kaiserslautern Darmstadt Mannheim Wertheim/ Bronnbach Sulzbach-Rosenberg Erlangen, Nürnberg, Fürth Saarbrücken Karlsruhe Regensburg Institut/selbständige Einrichtung Ettlingen Pfinztal Stuttgart Straubing sonstiger Standort Zentrale Freiburg Kandern Augsburg Weßling Freising München, Garching Prien Efringen-Kirchen Holzkirchen Folie 3

4 Der Standort Paderborn Fraunhofer-Projektgruppe Entwurfstechnik Mechatronik Projektgruppe des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT Start im 1. März Mitarbeiter (Stand September 2015) Heinz Nixdorf Institut Forschungszentrum der Universität Paderborn 1987 gegründet ca. 200 Mitarbeiter, 8 Professoren Folie 4 ID_003

5 Kernkompetenzen Intelligenz in technischen Systemen: Konzepte für fortgeschrittene Regelungstechnik und Realisierung von Self-X-Fähigkeiten wie z.b. Selbstdiagnose, -konfiguration oder -heilung Systems Engineering: Fachdisziplinübergreifende Entwicklungsmethoden, Systemspezifikation, Systemmodularisierung und -integration, Simulation und Verifikation Virtual Prototyping: Minimierung von zeit- und kostenintensiven realen Prototypen durch Techniken zur Bildung und Analyse von digitalen mechatronischen Modellen Folie 5

6 Die vierte industrielle Revolution Entwicklung Industrie 4.0 ist ein Zukunftsprojekt in der Hightech- Strategie der Dt. Bundesregierung Folie 6

7 Industrie 4.0 & Intelligente Steuerungen und Regelungen Begriffsdefinition und Einordnung»Im Mittelpunkt von Industrie 4.0 steht die echtzeitfähige, intelligente, horizontale und vertikale Vernetzung von Menschen, Maschinen, Objekten und IKT-Systemen zum dynamischen Management von komplexen Systemen.«Definition nach der Plattform Industrie 4.0 Intelligente Steuerungen und Regelungen: Baustein zur Umsetzung von Industrie 4.0, Fokus: echtzeitfähige Kontrolle komplexer Systeme Intelligente Steuerungen & Regelungen Folie 7

8 Industrielle Produktion im Zeichen der Industrie 4.0 Ein Paradigmenwechsel Bisherige Produktion Produktion Industrie 4.0 zentrale Steuerung: starr, komplex dezentrale Selbstorganisation durch Ad-hoc-Vernetzung Entscheidungen deterministisch vorgeplant betriebene Produktionssysteme Werkstücke/Produkte sind passive Objekte der Bearbeitung Entscheidungen kontextabhängig, auf Basis von Echtzeitsimulationen autonome, sich selbst organisierende Produktionseinheiten intelligente Werkstücke/Produkte unterstützen aktiv den Produktionsprozess Einschätzung der Plattform Industrie 4.0 Sensorik Reaktives System Offline Planung starre / Kopplung Auslegung System Aktorik Lokale Regelung Selbstopt. Aktoren Regelung Prozess Sensoren Intelligentes System Sensorik System Aktorik Folie 8

9 Intelligente Steuerung und Regelung Vorteile und allgemeine Architektur Vernetztes System Informationsverarbeitung Kommunikationssystem Informationsverarbeitung Nicht kognitive Regulierung, Kognitive Regulierung Assoziative Regulierung Kommunikationssystem Vorteile: Regelung von Produkt- /Qualitätsmerkmalen Robust: weniger Prozessschwankungen Adaptiv: Produkt- / Situationsspezifische Prozessführung Vorrausschauend: Berücksichtigung zukünftiger Situationen Mensch-Maschine- Schnittstelle Kommunikationssystem Mensch Leistungsversorgung Aktorik Maschine / Anlage Sensorik Umgebung Grundsystem Legende Fraunhofer IEM Informationsfluss / Heinz Nixdorf Institut Folie 9 interne Einheit Energiefluss externe Einheit Stofffluss

10 AGENDA 1. Einführung und Motivation 2. Methoden und Anwendungsbeispiele 3. Der Weg zu intelligenten Steuerungen und Regelungen 4. Resumee Folie 10

11 Modellbasierter Regelungsentwurf Spezifische Verhaltensmodelle der Fachdisziplinen Dynamisches Verhalten Thermisches Verhalten Maschinenstruktur Antriebe Maschine Technologiemodelle Steuerung Regelungsarchitektur Kompensationsmodelle Schnittstellen Prozess Wechselwirkung Werkzeug/ Werkstück Prozessmesstechnik Komplexität Quelle: ELHA Folie 11

12 Modellbasierter Regelungsentwurf Maschinenmodell eines Vertikaldrehzentrums Zusammenarbeit mit Vertikaldrehzentrum ELHA VTM Haupteinsatzgebiet Herstellung großer Wälzlager Tischdurchmesser von 2,5 8 m Aufgabenstellung: Modellbildung des Bearbeitungszentrums Untersuchung der Einflüsse auf die Positioniergenauigkeit Aufteilung in zwei Teilmodelle Mechanisches Teilmodell Elektrisches und regelungstechnisches Teilmodell Z-Achse Folie 12

13 Modellprädiktive Regelungen Grundprinzip Fahrer eines Automobils übernimmt Regelungsaufgaben Konventioneller Regler: Seitenfenster und Rückspiegel Modellprädiktiver Regler: zusätzlich Blick nach vorne 30 Geschwindigkeit Zeit Zielvorgaben Modellpräd. Regelung Numerische Optimierung Störungen Sensorik System Aktorik Folie 13

14 Modellprädiktive Regelungen Ressourceneffiziente, selbstoptimierende Wäscherei Zusammenarbeit mit 50 t Wäsche am Tag ( Teile pro Woche) l Wasser kg Waschmittel Anlieferung Ereignis Zukunft Waschprozess geplante Anlieferung Simulation Wäschefluss Online-Bestimmung der optimalen Reihenfolge Zielgrößen: Max. Durchsatz Min. Ressourcen Priorisierung von Kunden bzw. Kategorien Erhöhung des Wäscheflusses durch Optimierung Prädiktion Num. Optimierung Optimale Reihenfolge Folie 14

15 Entwicklung intelligenter Antriebstechnik ProSeCo Intelligente produktabhängige Intralogistik Zusammenarbeit mit Anforderungen Steigerung der dezentralen Autonomie für die Intralogistik Dezentrales lastabhängiges Condition Monitoring Lösungskonzept Hochflexible, rekonfigurierbare und modellbasierte Reglerstruktur Generation von Belastungsmerkmalen Vorgehensweise Ausarbeitung des Konzepts mittels systematischem modellbasiertem Entwurf Entwicklung der produkt- und lastabhängigen Regelalgorithmen Entwicklung des dezentralen Condition Monitorings Modellbasierte Verifizierung der Steuerungs- und Regelalgorithmen Transfer Patentanmeldung beim DPMA geplant Wissenschaftliche Veröffentlichung und Folgeprojekte Folie 16

16 Virtuelle Sensorik / Softsensoren Online-Bestimmung schwer messbarer Prozessgrößen Softwarekomponente zur Ermittlung von schwer messbaren Prozessgrößen auf Basis einfach messbarer Prozessgrößen Einsatzgebiete: Messung von nicht-messbaren Prozess- und Qualitätsgrößen Kosteneinsparung, verminderter Wartungsaufwand für Sensorik Analytische Redundanz, Fehlererkennung (z.b. Sensorausfall) Steuer- und Regeleinrichtung Diagnose Maschinensteuerung Plausibilität virtuelle Messgrößen Virtuelle Sensorik Stellgröße Messgrößen Maschine / Prozess Condition Monitoring System Folie 17

17 Virtuelle Sensorik Zusammenarbeit mit Online Ermittlung Teigzustand Intelligente Informationsverarbeitung für die Steuerung eines Knetprozesses Teigzustand (Viskosität) als virtuelle Messgröße Berechnet aus vorhandenen Sensoren auf Basis physikalischer Modelle Einbindung in die Prozesssteuerung zur Bestimmung des Endzeitpunkts Umsetzung auf Echtzeit-Hardware von National Instruments Folie 18 Drehmomentsensor Temperatursensor Kraftsensoren

18 AGENDA 1. Einführung und Motivation 2. Methoden und Anwendungsbeispiele 3. Der Weg zu intelligenten Steuerungen und Regelungen 4. Resümee Folie 19

19 Der Weg zu intelligenten Steuerungen und Regelungen Retrofit bestehender Maschinen / Anlagen Bestehende Anlagen verfügen bereits über Aktoren, Sensoren, (lokale) Regelungen Funktionalität nicht ausreichend für Industrie 4.0 Neuanschaffung oftmals nicht wirtschaftlich Aktorik Informationsverarbeitung Maschine / Anlage Grundsystem Sensorik? Selbstoptimierende Maschinen / Anlagen erfordern: Aktorik Sensorik Steuerungstechnik Vernetzung Folie 20

20 Der Weg zu intelligenten Steuerungen und Regelungen Synergien nutzen SCADA / MES Prozessüberwachung Online Prozess- und Condition-Monitoring: umfangreiche Softwarekomponenten zur Diagnose und Qualitätskontrolle Erweitertes Monitoring: Zusätzliche Datenquellen bilden die Basis für eine manuelle Prozessoptimierung. Monitoring: Nutzung verfügbarer Datenquellen Mögliche Funktionen: Leistungsfähigkeit (z.b. Verfügbarkeit, Durchsatz) Auslastung Mögliche Funktionen: Parameteraufzeichnung Fehlerdetektion Benachrichtigungen und Warnmeldungen Traceability Mögliche Funktionen: Handlungsempfehlungen Diagnose zur Lokalisierung von Fehlerort und Ursache Einflussfaktoren und Ursache-Wirkungs- Zusammenhänge Trendauswertung Aktorik Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung CM Informationsverarbeitung Vorverarb. Maschine / Anlage Grundsystem Sensorik Folie 21

21 Der Weg zu intelligenten Steuerungen und Regelungen Synergien nutzen Prozessüberwachung Online Prozess- und Condition-Monitoring: umfangreiche Softwarekomponenten zur Diagnose und Qualitätskontrolle Aktorik Erweitertes Monitoring: Zusätzliche Datenquellen bilden die Basis für eine manuelle Prozessoptimierung. Monitoring: Nutzung verfügbarer Datenquellen Mögliche Funktionen: Leistungsfähigkeit (z.b. Verfügbarkeit, Durchsatz) Auslastung Informationsverarbeitung Informationsverarbeitung Maschine / Anlage Grundsystem Mögliche Funktionen: Parameteraufzeichnung Fehlerdetektion Benachrichtigungen und Warnmeldungen Traceability Sensorik Mögliche Funktionen: Handlungsempfehlungen Diagnose zur Lokalisierung von Fehlerort und Ursache Einflussfaktoren und Ursache-Wirkungs- Zusammenhänge Trendauswertung Einricht-Assistenzsysteme (Teil-)automatisiertes Einrichten mit Assistenzmodul: Mobile Messstation zur effizienten Parametrierung der Maschine Mögliche Funktionen: Direkte Messung von Produktmerkmalen Vernetzung mit Aktoren und Maschinensteuerung Kalibrierung der Maschine Teilautomatisiertes Einrichten: Zusätzliche Aktorik ersetzt manuelle, mechanische Justage. Mögliche Funktionen: definierte Einstellungen anfahren Höhere Präzision Datenbank für Historie Handlungsempfehlungen: Hilfen für manuelle Einrichtung Mögliche Funktionen: Vorschläge zur Einstellung Virtuelle Tests Folie 22

22 Der Weg zu intelligenten Steuerungen und Regelungen Synergien nutzen Intelligente Online-Prozessregelung Prozessüberwachung und Einricht- Assistenzsysteme hinsichtlich größtmöglicher Synergien konzipieren Prozessüberwachung Einricht-Assistenzsysteme Online Prozess- und Condition-Monitoring: umfangreiche Softwarekomponenten zur Diagnose und Qualitätskontrolle (Teil-)automatisiertes Einrichten mit Assistenzmodul: Mobile Messstation zur effizienten Parametrierung der Maschine Erweitertes Monitoring: Zusätzliche Datenquellen bilden die Basis für eine manuelle Prozessoptimierung. Monitoring: Nutzung verfügbarer Datenquellen Mögliche Funktionen: Leistungsfähigkeit (z.b. Verfügbarkeit, Durchsatz) Auslastung Mögliche Funktionen: Parameteraufzeichnung Fehlerdetektion Benachrichtigungen und Warnmeldungen Traceability Mögliche Funktionen: Handlungsempfehlungen Diagnose zur Lokalisierung von Fehlerort und Ursache Einflussfaktoren und Ursache-Wirkungs- Zusammenhänge Trendauswertung Mögliche Funktionen: Direkte Messung von Produktmerkmalen Vernetzung mit Aktoren und Maschinensteuerung Kalibrierung der Maschine Teilautomatisiertes Einrichten: Zusätzliche Aktorik ersetzt manuelle, mechanische Justage. Mögliche Funktionen: definierte Einstellungen anfahren Höhere Präzision Datenbank für Historie Handlungsempfehlungen: Hilfen für manuelle Einrichtung Mögliche Funktionen: Vorschläge zur Einstellung Virtuelle Tests Folie 23

23 AGENDA 1. Einführung und Motivation 2. Methoden und Anwendungsbeispiele 3. Der Weg zu intelligenten Steuerungen und Regelungen 4. Resümee Folie 24

24 Intelligente Steuerungen und Regelungen Resümee Baustein für Industrie 4.0 vorausschauend adaptiv robust Modellprädiktive Regelung Dezentrale produktabhängige Maschinensteuerung Der Weg zu intelligenten Regelungen Synergien nutzen Folie 25