Automatisierung 4.0 - Objektorientierte Entwicklung modularer Maschinen für die digitale Produktion

Thomas Schmertosch, Markus Krabbes, Christian Zinke-Wehlmann

Automatisierung 4.0

Objektorientierte Entwicklung modularer Maschinen für die digitale Produktion

2024

316 Seiten

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ISBN: 9783446478565

 

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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