Industrie 4.0- Abfüllanlage Stefan Manemann

2 Industrie-4.0-Abfüllanlage Industrie-4.0-Anlage als Lernträger für die industrielle Ausbildung Entwickelt mit dualen Studierenden von Volkwagen und Studenten der Fachschule Technik der BBS 2 Wolfsburg Leuchtturmprojekt 2015/16 des Vereins New Automation e.V. Integration unterschiedlichster Technologien: SPS, Visualisierung, App- Programmierung, Raspberry-Pi-Integration, Datenbanken, IO-Link … Eingesetzte Industrie-4.0-Technologien können direkt ausprobiert und nachvollzogen werden. Welche sind die realisierten Industrie-4.0-Technologien?

3 Integrierte Industrie-4.0-Technologien Stückzahl „1“-Produktion Produktionsdaten web-basiert gespeichert (in der Cloud) Individuelle Produktionsdaten einer Dose web-basiert über QR-Code mit dem Smartphone abrufbar Smartphone-App für die Produktionsanlagensteuerung Zugriff auf die Anlage über Ethernet bis zum Sensor Bildung-4.0 durch QR-Code-Verlinkung auf die online Lernplattform Energiedatenerfassung pro M&M-Dose Intelligente Beleuchtung des Produktionsprozesses Selbstdiagnose mit automatischer Benachrichtigung Vernetzung von Mensch und Maschine

4 Fertigungsbereiche der Anlage Produktions- & Kostenplanung Logistik Instandhaltung Historie + Push-Mail/Txt2Voice Auftrags- management Historie Stückzahl „1“- Produktion VW0123 Lagerbestand + Push-Mail Energiemanagement Mitarbeiter- Qualifizierung Moodle basiertes I4.0-Training Kosten, Historie, Stand-by-Modi Historie + Push-Mail Qualitäts- management

5 Industrie 4.0-Trainingsbereiche Data in the cloud Machine Human Interaction Selbstdiagnose Digital Twin Individuelles Produkt IT-basiertes & interaktives Training

6 Lernplattform Lernplattform für die Industrie-4.0-Technologien Entwickelt mit Auszubildenden für Auszubildende Wurde über 5 Jahre entwickelt und ausgebaut Aufarbeitung verschiedenster berufsrelevanter Themenbereiche für Elektroniker und Mechatroniker Enthält viele interaktive Animationen und Quizabfragen Zugriff über jeden beliebigen PC mit Internet-Zugang Basiert auf Moodle (

7 Online Lernplattform Moodle  Themenbereiche: Neu: Industrie-4.0!

8 Thema 1: Data in the cloud Data in the cloud Schritt 1: Lokale Datenbank Schritt 2: Abruf von Daten von lokaler Datenbank Schritt 3: Kommunikation mit Cloud- Datenbank Data in the cloud Was ist eine Datenbank? Wie tausche ich Daten mit einer Datenbank aus? 2030: Daten stehen mir fertig aufbereitet überall zur Verfügung.

9 Umsetzung: Data in the cloud Data in the cloud 1. Szenario: Sie sind in der Produktion für die Qualitätssicherung zuständig. Um ein konstant hochwertiges Produkt herzustellen, sollen im Produktionsprozess u.a. die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit erfasst werden. … Wenn möglich: Ergänzendes Video 2. Vermittlung der Grundlagen Teil 1: Leitfaden zum Erfassen von Temperatur und Luftfeuchtigkeit > Erster Erfolg Die Stückliste und Schaltung wird zur Verfügung gestellt. 3. Vermittlung der Grundlagen Teil 2: Leitfaden zum Speichern von Daten mit einem Einplatinencomputer > Zweiter Erfolg 4. Umsetzung Entwickeln einer Lösung mit lokaler Datenbank Darauf aufbauend folgen Schritt 2 und 3. Wichtig: realitäts- nahe Situation!

10 Didaktisches Konzept 1. Aufgabenstellung: Grundlage für ein zu vermittelndes Fachgebiet bildet eine reale Aufgabenstellung. 2. Theorie und Praxis: Die Vermittlung der theoretischen Grundlagen ist eingebettet in die reale Aufgabenstellung. 3. Geführte Aufgabenstellungen: Aufgabenstellungen sind so ausgeführt, dass diese auch mit keinem/wenig Vorwissen nachvollzogen werden können. 4. Blended Learning: Aufgaben sind selber am PC/mit Hardware/Software auszuführen. 5. Medien: Zur Vermittlung des benötigten Wissens werden unterschiedliche Medien genutzt: Text mit Bildern, Simulationsmodelle, interaktive Animationen, ScreenCam-Tutorials, Feed-back Quizz, Videos … 5. Erfolgskontrolle Die Erfolgskontrolle erfolgt über die erfolgreiche Projektumsetzung, Moodle-Tests und/oder aufgabennahe Klausuren. ?

11 Didaktisches Konzept – Kompetenzen Kompetenzen „Data in the Cloud“ Kompetenzen Schritt 1:  Die Schüler/innen können Messdaten (Temperatur/Luftfeuchtigkeit) in einer Anlage erfassen.  Die Schüler/innen können selbstständig eine Datenbank aufsetzen.  Die Schüler/innen können Daten in einer Datenbank ablegen.  Die Schüler/innen können Daten von einer Datenbank abrufen.  Die Schüler/innen können Daten aus einer Datenbank für unterschiedliche Applikationen exportieren (z.B. csv, txt). Kompetenzen Schritt 2:  Die Schüler/innen können Daten mit einer Steuerung (SPS) von einer externen Datenbank über Ethernet abrufen. Kompetenzen Schritt 3:  Die Schülerinnen und Schüler können Daten von einem Server im Internet über eine sichere Verbindung abrufen. ….

12 Thema 2: Machine Human Interaction Schritt 1: Einfache lokale Visualisierung Schritt 2: Globale Visualisierung Schritt 3: Bidirektionale Kommunikation Mensch/Maschine LAN Wie bekomme ich Daten von einer Maschine? Wie kommuniziere ich mit einer Maschine? 2030: Ich unterhalte mich mit der Maschine.

13 Kompetenzen in den DQR-Leveln Kompetenzen „Machine Human Interaction“ – Visualisierung Kompetenzen Auszubildende > Facharbeiter (DQR-Stufe 4):  Auszubildende können Visualisierungssysteme für Touchpanel und Smart Devices mit einem Leitfaden auf eine bekannte Applikation anpassen. Kompetenzen Studierende (Technikerschule) > Techniker/in (DQR-Stufe 6):  siehe Auszubildende  Studierende können eine Visualisierung für unterschiedliche Applikationen programmieren.  Studierende können eine Visualisierung für variable lokale und globale Netzwerke programmieren. Kompetenzen Studierende (Fachhochschule/Universität) > Bachelor/Master (DQR-Stufe 6/8):  siehe Studierende der Technikerschule  Studierende können selbstständig Apps für mobile Devices programmieren, ohne auf fertige Lösungen zurückzugreifen.  Studierende berücksichtigen Aspekte der Sicherheit bei Visualisierungslösungen. ……

14 Thema 3: Selbstdiagnose Überwachung Zylinderlaufzeit Überwachung Spannung Was ist Diagnose? Welche Daten kann ich wie bekommen? 2030: Die Maschine meldet sich dediziert bei aufkommenden Problemen.

15 Thema 4: Individuelles Produkt Erstellen Produkt Wie produziere ich ein individuelles Produkt? Wie funktionieren QR- und RFID-Codes? Produktionskette: Druck Produktionscode Erfassen Produktionscode Rohmaterial Produktionscode 1 QR-Code:Produktionscode 2 RFID-Code: 2030: Ich bestelle per Sprachsteuerung mein individuelles Produkt.

16 Thema 5: Digital Twin Schritt 1: 2D-Anlagensimulation mit Siemens SIMIT Schritt 3: Anlage in der Virtuell Reality Schritt 2: 3D-Konstruktion der Anlage mit einem CAD-Programm und Dynamisierung (NX/MCD) Wie kann ich eine Anlage simulieren? Wie bekomme ich den digitalen Zwilling in die Virtuell Reality (VR)? 2030: VR- und reale Anlage arbeiten parallel.

17 Thema 6: Augmented Reality Was ist Augmented Reality? Wie kann die Technik vorteilhaft eingesetzt werden? Schritt 1: Zusammenstellung von Inhalten, die zur Anlage eingeblendet werden sollen. Schritt 2: Programmierung der Augmented Reality mit einer 3D-Entwicklungsumgebung (Unity & Vuforia (PTC Inc.) in C#) Schritt 3: Projizierung der Informationen auf Zielobjekte der Anlage für Instandhaltung und Weiterbildung 2030: Augmented Learning ist fester Bestandteil des Lernprozesses

18 Berufsspezifische Inhalte der Anlage  IT: Datenbanken, Datensicherheit, Daten in der Cloud, App- Programmierung (Smartwatch & Smartphone), Betriebsdatenerfassung, Vernetzung in Produktionsanlagen, Web-Interface-Programmierung, Produktionscodegenerierung, Programmierung interaktiver Lerninhalte  Automatisierungstechnik: Sensorik, Sensorkommunikation, Human Machine Interface (HMI), Programmiersprachen, Energiedatenerfassung und Energiemanagement, Datenbankanbindung, Feldbussysteme, Produktionscodeerfassung, Maschinenzustandsüberwachung  Produktionssteuerung: Stückzahl-1-Produktion, Produktionskosten- rechnung, Produktionssteuerung, Qualitätsmanagement  Mechatronik: Entwicklung von Maschinenteilen

19 Automatisierungsstruktur Raspberry Pi 2 Smartphone Access Data Base App PLC ILC 350 PN Plant Control Smartwatch Server Markoprint x1jet Socket Server & TCP/IP SSL Python C# Java & TCP/IP mySQL, PHP-scripts SSL Bluetooth Java FUP AS Java

20 Fertigungsstruktur der Anlage Product ready for pick-up Smartphone & Web-order 1-Piece Production Real time status to plant staff & Cloud based data management Detailed product information Through QR-Code

21 Fertigungsprozess der Anlage Individuelle Beschriftung (Stückzahl-1-Produktion) Start Prozess 1: Eingabe für individuelle Beschriftung Ende Prozess 1: Individueller QR-Code auf dem Deckel Start Prozess 2: QR-Code wird eingelesen Ende Prozess 2: Individueller QR-Code auf der Seite PLC Raspberry Pi in der Anlage Datenübergabe zum Server Server im www Datenübergabe zum Raspberry Pi Daten- übergabe zur SPS Ansteuerung Drucker Ansteuerung Drucker Datenabruf vom Server Datenübergabe zum Raspberry Pi Beschriftungsprozess 1 (Deckel) Beschriftungsprozess 2 (Seite)

22 App als Steuerungssoftware Zwei Modi: Anwender- und Entwicklermodus Start des Produktionsprozesses mit individueller Deckel- und Seitenbedruckung Benachrichtigungen bei abweichenden Werten wahlweise über Pushbenachrichtigung, Mail, Text2Speech und über Telefon Smartwatch für einen schnellen Überblick für den Instandhalter Ausgelegt für den Betrieb mit mehreren Smartphones Live-Anzeige der aktuellen Sensordaten Vollständige zweisprachige Implementierung

23 Stückzahl „1“ Produktion Auslesen der wichtigsten Produktionsdaten aus der Datenbank: Produktionsdatum Produktionstemperatur und Luftfeuchtigkeit Mindesthaltbarkeitsdatum Energieverbrauch (in Planung) Ampelsystem für Mindesthaltbarkeitsdatum Zweisprachige Darstellung

24 Eingesetzte Komponenten Raspberry Pi 2 Über einen Socket-Server mit der Steuerung verbunden Greift über PHP-Skripte auf die Datenbank zu Programmiert in Java, Python und C# Aufgaben: Schreibender Zugriff auf die Datenbank Generierung der QR-Codes Ansteuerung des Inkjet-Druckkopfes Erfassung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit Mailserver für Pushbenachrichtigungen Service- s mit passendem Schaltplanauszug

25 Eingesetzte Komponenten Steuerung – Phoenix Contact ILC350 PN Steuert die M&M-Abfüllanlage (Pneumatik, Vereinzeler) Abfüllprozess als Schrittkette programmiert Auslesen von Sensordaten über IO-Link und Analogkarte Prinzip der dezentralen Peripherie (Vernetzung über Profinet) Eingebaut in Rittal Schaltkästen direkt an der Anlage

26 Eingesetzte Komponenten Server Strato Dedicated Server mySQL-Datenbank Programmiert in PHP und MySQL Sichere Kommunikation über SSL Passwortgeschütze Speicherung Weltweit erreichbar

27 Eingesetzte Komponenten Sensorik – Füllstand Dosenmagazin über IO-Link Hersteller: Pepperl & Fuchs Sensortyp: UC500-30GM-IUEP-IO-V15 Funktionsprinzip: Ultraschall Ankopplung an die SPS über IO-Link und ein Phoenix Contact Profinet-Modul Erfasst die Füllstandshöhe der Dosen im Magazin Zu niedriger Füllstand wird dem Anlagen- verantwortlichen direkt gemeldet

28 Eingesetzte Komponenten Sensorik – Füllstand M&M-Spender Hersteller: Endress + Hauser Sensortyp: Prosonic S FDU90 Funktionsprinzip: Ultraschall Ankopplung an die SPS über eine analoge Schnittstelle und ein Phoenix Contact Analogmodul Erfasst die Füllstandshöhe der M&Ms im Süßigkeitsspender Zu niedriger Füllstand wird dem Anlagen- verantwortlichen direkt gemeldet

29 Eingesetzte Komponenten Drucker Hersteller: Bluhm Systeme GmbH Druckertyp: Markoprint x1jet Aufdruck von individuellen Grafiken im Produktionsprozess Angesteuert über den Raspberry Pi über Ethernet Selbst programmierte Ansteuerung in Java (plattformunabhängig)

30 Eingesetzte Komponenten Energieerfassung Hersteller: Phoenix Contact Typ: EEM-MA Ankopplung an den Raspberry über Ethernet Dreiphasige Erfassung von Spannung, Strom, Leistung, … Eintrag der Energiedaten in die Datenbank Zuordnung der Energieverbrauchsdaten auf die Produktionskosten Phasenausfallsimulation mit Benachrichtigung an den verantwortlichen Instandhalter

31 Eingesetzte Komponenten Sensorik – Stückzahlerfassung über IO-Link Hersteller: Pepperl & Fuchs Sensortyp: OBT300-R 101-2EP-I0-0,3M-V1-L Funktionsprinzip: Reflexlichttaster Ankopplung an die SPS über IO-Link und ein Phoenix Contact Profinet-Modul Erfasst die Menge der M&Ms in einer Dose Die Menge der erfassten M&Ms wird in der Datenbank abgelegt.

32 Eingesetzte Komponenten 2D Code-Leser – QR-Code-Reader Hersteller: Keyence Sensortyp: SR-1000 ( ) Funktionsprinzip: CMOS-Bildempfänger mit roter LED- Objektbeleuchtung Ankopplung an die SPS über PROFINET Erfasst den QR-Code einer Dose und wertet ihn aus, damit die Dosenseite im nächsten Produktionsschritt bedruckt werden kann.

33 Leuchtturmprojekt M&M-Anlage

34 Daten auf der Smartwatch

35 Daten auf dem Smartphone

36 Anlage auf der Hannovermesse

37 Weitere Informationen Lernplattform: Video 1: (Video BBS 2 Wolfsburg) Video 2: (New Automation e.V.) Stefan Manemann:

38 Literatur Projektbuch 1 (362 Seiten) ISBN Schüler (23,45 €) ISBN Lehrer (28,95 €) Projektbuch 2 (340 Seiten) ISBN Schüler (27,45 €) ISBN Lehrer (28,95 €) EPLAN P8 Version 2 (120 Seiten) Praxistraining für Einsteiger ISBN (9,95 €) Einzelprojekt 3 – „Steuerungen analysieren und anpassen“ ISBN Schüler (9,95 €) ISBN Lehrer (8,00 €) Einzelprojekt 6 – Eine Sortieranlage analysieren, erweitern und deren Sicherheit prüfen (Ende 2016) ISBN Schüler (9,95 €) ISBN Lehrer (8,00 €)