Thomas Schmertosch, Markus Krabbes, Christian Zinke-Wehlmann
Automatisierung 4.0
Objektorientierte Entwicklung modularer Maschinen für die digitale Produktion
Vorwort
7
Die Autoren
13
Inhalt
15
1 Automatisierung 4.0 – Anforderungen und Perspektiven
19
1.1 Wahrnehmung von Industrie 4.0
19
1.2 Trends und Anforderungen im Maschinen- und Anlagenbau
24
1.2.1 Endprodukte bestimmen die Richtung
25
1.2.2 Der Engineering-Prozess verändert sich
26
1.3 Neue Anforderungen an Produktionsanlagen
28
1.3.1 Effizienz entscheidet über Erfolg
28
1.3.2 Service schafft Vertrauen
34
1.3.3 Qualität ist bedingungslos
35
1.3.4 Wandelbarkeit macht fit für die Zukunft
37
1.3.5 Sicherheit muss sein
38
1.3.6 Neue Technologien in Erfolge umsetzen
45
1.3.7 Digitale Produktion
49
1.4 Schlussfolgerungen
53
2 Entwurf modularer Maschinen und Anlagen
57
2.1 Definition und Eigenschaften von Modulen
58
2.1.1 Modularität
59
2.1.2 Funktionalität
62
2.1.3 Zustand und Zustandsänderungen
63
2.1.4 Kompatibilität
66
2.2 Modularität im Kontext zu Industrie 4.0
68
2.2.1 Objekte und Entitäten
69
2.2.2 Methoden und Funktionen
73
2.2.3 Botschaften und Dienste
74
2.2.4 Die I4.0-Komponente
76
2.2.4.1 Das Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0)
77
2.2.4.2 Technische Assets
78
2.2.4.3 Assets in der Informationswelt
82
2.2.4.4 Die Verwaltungsschale
84
2.2.4.5 Interaktion von I4.0-Komponenten
89
2.3 Methoden der Modularisierung
92
2.3.1 Etablierte Entwurfsmethoden
94
2.3.2 Zielanalyse der Anforderungen
95
2.3.2.1 Produktsicht
97
2.3.2.2 Investitionssicht
99
2.3.2.3 Produktionsumfeld
102
2.3.2.4 Herstellersicht
105
2.3.3 Konstruktive Detailanalyse
108
2.4 Modellierung
113
2.4.1 Entwurf einer funktionalen Struktur
113
2.4.1.1 Das Funktions- und Klassendiagramm
114
2.4.1.2 Das Zustandsdiagramm
118
2.4.1.3 Das Interaktionsdiagramm
120
2.4.2 Entwurf einer modularen Konstruktion
123
2.4.2.1 Das Moduldiagramm
123
2.4.2.2 Qualitatives Modulschema
130
2.4.3 Entwurf des Automatisierungssystems
134
2.4.3.1 Hardwarekonzept
134
2.4.3.2 Softwarekonzept
137
2.5 Zusammenführung und Fazit
140
3 Digitale Projektierung von Maschinen
147
3.1 Spezifikation als Ausgangspunkt einer Projektierung
148
3.2 Projektierung nach dem V-Modell
150
3.2.1 Abstraktes und reales Modell
150
3.2.2 Modell-Qualifikation, -Verifikation und -Validierung
151
3.2.3 Rechnerbasierter Entwurf
154
3.2.4 Modellierungsvarianten
155
3.3 V-Modell in der Anwendung
157
3.3.1 Grundstruktur und Eigenschaftssicherung
158
3.3.2 Dekomposition
159
3.3.3 Modularisierung und Objektorientierung
161
3.3.4 Grundstrukturen simulativer Erprobung
161
3.4 Übertragbarkeit des interdisziplinären Mechatronikansatzes
169
3.4.1 Simulative Erprobung großer Systeme
170
3.4.2 Lebenszyklusmodellierung
172
3.4.3 Grenzen simulationsgestützter Evaluierung
173
3.4.4 Ausblick
175
4 Qualitätssicherung neu denken
179
4.1 Begriffsübersicht
180
4.2 Was macht Qualität 4.0 aus?
182
4.3 Qualitätsmanagement und Modularisierung
185
4.3.1 Messen von Qualität
186
4.3.2 Analyse von Qualität
188
4.3.3 Im Detail: digitale Bildverarbeitung als Qualitätssicherungsverfahren
189
4.4 Qualität 4.0 in die Anwendung bringen
194
5 Modulare Automatisierung in der Praxis
203
5.1 Sukzessive Modularisierung
203
5.1.1 Szenarien einer sukzessiven Modularisierung
206
5.1.2 Dezentralisierte Hardware ist möglich
207
5.1.3 Dezentralisierte Hardware ist eingeschränkt möglich
210
5.1.4 Dezentralisierte Hardware ist nicht möglich
212
5.1.5 Heterogene Automatisierungstechnik
216
5.1.6 Zusammenfassung
217
5.2 Echtzeitfähigkeit dezentraler Systeme
217
5.2.1 Reaktionszeit – Definition und Anforderungen
218
5.2.2 Jitter – die große Unbekannte
226
5.2.3 Kurze Reaktionszeiten in dezentralen Strukturen
231
5.2.3.1 Erhöhung der Systemleistung
234
5.2.3.2 Interrupt-basierte Systeme
236
5.2.3.3 Intelligente Feldgeräte
237
5.2.3.4 Spezialentwicklungen
240
5.2.3.5 Intelligente I/O-Module
241
5.2.4 Zusammenfassung und Lösungsbeispiele
245
5.2.4.1 Dickenmessung sammelgehefteter Broschüren
245
5.2.4.2 Fehlbogenkontrolle
248
5.3 Maschinensicherheit
250
5.3.1 Anwendung der Maschinenrichtlinie in modularen Systemen
250
5.3.2 Sicherheitstechnik im Überblick
253
5.3.3 Sichere Steuerungstechnik
259
5.3.4 Sicherheitstechnik ergänzen oder integrieren?
264
5.3.5 Zusammenfassung
269
5.4 Kommunikation ist (fast) alles
269
5.4.1 Industrielle Kommunikation im Überblick
270
5.4.2 Ethernet-basierte Feldbusse – Eigenschaften und Arbeitsweise
275
5.4.3 OPC UA im Industrial Ethernet
282
5.4.4 Single Pair Ethernet
289
5.4.5 Sichere Kommunikation – Safety
290
5.4.6 Sichere Kommunikation bis in die Cloud – Security
293
5.4.7 Zusammenfassung
296
5.5 Adaptiv und intuitiv: HMI 4.0
297
5.5.1 Bedeutung und grundsätzliche Aufgaben
298
5.5.2 Konstruktive Gestaltung
300
5.5.3 SCADA-System
301
5.5.3.1 Systemeinordnung
301
5.5.3.2 Engineering von SCADA-Applikationen
302
6 Automatisierung 4.0 im Überblick
309
Stichwortverzeichnis
313
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