Neben den zahlreichen aktuellen Projekten, die wir am Institut erforschen, können wir auf eine Menge erfolgreich abgeschlossener Projekte zurückblicken.
Eine Auswahl an aktuellen und abgeschlossenen Projekten haben wir aufbereitet, um Ihnen einen Einblick in die Forschungsarbeit von Dipl.-Ing. Bensenouci Zemmiri zu ermöglichen.
Das Internet of Things „IoT“ und Cloud Technologie sind heutzutage als fortschreitenden Themenfelder der Digitalisierung und der Industrie 4.0 in aller Munde und gleichzeitig ein sehr aktuelles Themenbereich in der Forschung in Hochschulen und Universitäten. Im Institut für Mechatronik der Fakultät Maschinenbau an der Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften in Wolfenbüttel wurde ein ausbaubares Konzept eines vollautomatisierten Produktionsprozesses im Sinne von Industrie 4.0 entwickelt. Über eine Smartphone App wird eine vollständige Cloudbasierte Steuerung einer Minifabrik angesteuert. Die Vernetzungen wurde durch Verwendung des Siemens Gateways IoT2040 und eine OPC UA-fähigen Siemens S7-CPU 1516 ermöglicht.
Vor der Entwicklung einer App war die Entscheidung zur Auswahl des Betriebssystems, auf dem eine
App läuft, zu treffen. Es standen uns zwei Betriebssystem zur Auswahl „Android von Google“
und
„iOS von Apple“ zur Verfügung. Die Merkmale, die die Entscheidung stark beeinflusst haben,
waren
die enorme Verbreitung von Android-Geräten und die Sympathie für das OpenSource-Projekt.
Andererseits ist der Test von eigenen Android-Anwendung auf einem Endgerät vorteilhafter, da
keine
Gebühren für Entwicklerlizenzen zu einrichten sind. Die Entwicklung der App auf „iOS von
Apple“ ist
in Planung.
Um eine App zu entwickeln, werden zunächst die Funktionen von App bestimmt. Hierbei muss die zu
entwickelnde App Minifabrik mindestens über die Funktionen Beladen der Paletten der
Minifabrik,
Entladen der Paletten und die Überwachung des Produktionsprozesses wie Sortieren nach Farbe
und
Form verfügen. Nach der Erfüllung der grundlegenden Anforderungen können die sekundäre
Funktionen wie Infos, die den Anwender Informationen über die App und die Mini-Fabrik zeigen,
realisiert werden.
Mittels MIT App Inventor wird die Gestaltung von der zu entwickelnden App Minifabrik zuerst
im
DesignEditor aufgebaut. Hierfür wurden die vorgefertigten Elemente zur Entwicklung der
Bedienoberfläche der App verwenden. Danach wird das Verhalten der App im Block-Editor
definiert
und programmiert. Über Interaktionen zwischen der App und dem Benutzer kann dieses Verhalten
realisiert werden. Anschließend wird die entwickelte App zum Testen in Android-Handy
heruntergeladen und installiert.
Da das Auftauchen der Fehler bei einem solchen Entwicklungsvorgang nicht vermeidbar ist, ist es
mehr als notwendig die Überprüfung einer App mit vielen Tools durchzuführen, sodass die
Fehler
behoben werden können und sich eine bessere Performance erreichen lässt. Durch die
Beseitigung
der Fehler kommt es immer daher zur einer Qualitätsverbesserung der App.
In MIT App Inventor liegen drei Möglichkeiten zum Testen der entwickelten App vor.
Die erste Option zeigt, dass das Testen der App über die kabellose Verbindung mit eigenem
Handy
erfolgt. Die zweite Option verwendet eine Emulator „AI Starter“, welche eine Android Geräte
animiert, sodass die App auf dem Emulator laufen kann. Die dritte Option kann mittels einer
USB
Kabel das Testen realisieren.
Es stehen zwei Möglichkeiten zum Herunterladen der MIT AI2 Companion App zur Verfügung.
Eine Möglichkeit erfolgt über Play Store. Durch Play Store kann die MIT AI2 Companion App in
eigenes Handy heruntergeladen werden. Die zweite Möglichkeit und alternativ zu Play Store
lässt
sich die App auch direkt mittels der QR Code in der Form von APK File in das Handy
herunterladen.
Beide Methoden des Installierens sind getestet worden.
Eigentlich war das Interesse nach der Hannover Messe 2017 auf die Cloudplattform „MindSphere“
fokussiert, leider stand uns während der Entwicklung dieser Arbeit keine Version zur Verfügung.
Vorteilhaft bei dieser Cloudplattform ist die verschlüsselte Datenübertragung des Gateways,
was zu einer höheren Datensicherheit führen würde.
Ubidots ist eine kostenlose IoT-Plattform und bot sich zum Testen einer Kommunikation
zwischen der Siemens CPU 1516 in Firmware Version 2.0 und dem „Internet“ an. Derzeit gibt es
zahlreiche Anbieter von IoT-Plattformen am Markt. Diese unterscheiden sich häufig im Hinblick auf
die Funktion, die Kosten und die Offenlegung der Schnittstellen. Um die Kosten möglichst gering zu
halten, wurde auf das kostenlose Tool von ubidots zurückgegriffen.
Es sei bemerkt, dass als Anwendung für komplexe Auswertungen in Unternehmen ist diese
IoTPlattform eher ungeeignet. Zur Bearbeitung der Aufgabenstellung und um einen generellen
Einblick in die Zusammenhänge von „realer“ Fertigung und einer IoT-Coudplattform bot ubidots ein
gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Außerdem hier akquirierter Knowhow kann schnell ohne großer
Umstand auf andere Cloudplattformen mit höheren Sicherheit übertragen.
Die Antwort des Siemens-Konzern lautete wie folgt: „Das IOT2040 ist ein industrielles
Gateway, welches insbesondere für die Kommunikation zwischen Fertigung und IT-Ebene beziehungsweise
der Cloud konzipiert ist.“ Dieses Gateway lässt sich mit wenig Aufwand in bereits bestehende
Maschinen und Anlagen integrieren. Hilfreich hierbei sind die beiden Ethernet-Ports, die jeweils
für die
Anbindung an die Maschine bzw. an das Internet vorhanden sind.
Node-Red ein Werkzeug zur Verbindung der Ubidots-Cloudplattform zum Gateway IoT2040 der Firma
Siemens für unsere Smart Manufacturing.
Quelle: https://nodered.org/
Die flowbasierte Programmierung ermöglichte uns den Ablauf der Produktion der Minifabrik
durch die Verschaltung von konfigurierbaren Knoten zu veranschaulichen. Um mit der Cloud-Plattform
Ubidots zu kommunizieren wurde hier das MQTT Kommunikationsprotokoll verwendet.
MQTT ist ein extrem effizientes IoT-Protokoll mit wenig Protokolloverhead und wurde speziell
für Machine-to-Machine-Anwendungsfälle (M2M) konzipiert.
*OPC UA ist ein einheitlicher Standard zum Datenaustausch und ist unabhängig von bestimmten
Betriebssystemplattformen.
Zitat von Holger Junker Referatsleiter Cyber-Sicherheit in kritischen IT-Systemen,
Anwendungen und Architekturen (BSI): “Die einzige mir derzeit bekannte Kommunikationstechnologie in
der Fabrik, die Sicherheitsaspekte mit eingebaut hat, und auch Potential für die
Herausforderungen einer Industrie 4.0 bietet, ist OPC UA”
Nach der Inbetriebnahme der CPU und der der Aktivierung der OPC Server (standardmäßig
deaktiviert) und der erfolgreichen erbindung vom OPC Server mit der CPU S7 1516 erfolgte
die Einstellung der Port Adresse, des kleinsten Sendeintervalls und des kleinsten
Abtastintervalls.
Mit Hilfe der Software UaExpert als universeller OPC UA Test Client wurden die Eigenschaften
der Variablen der gesteuerten Minifabrik angezeigt und getestet.
Die Mini-Fabrik besteht aus mehreren einzelnen Stationen, die über Förderbänder miteinander
verbunden sind. Die Stationen simulieren einen Produktionsablauf unter Realbedingungen, soweit dies
unter Berücksichtigung finanzieller Aspekte möglich ist. Die folgende Abbildung zeigt den
schematischen Aufbau der Mini-Fabrik.
Im Rohmateriallager (Pufferlager 1) lagern die Paletten in drei Farben mit den zur Simulation
verwendeten Würfeln. Nach der Auswahl des Users über die App wird mit Hilfe eines an den Paletten
angebrachten RFID-Chips die gewünschte Palette mit dem Würfel automatisch ausgewählt. Die
Sortierung wird nach gewünschten Farbe getätigt. Anschließend wird die Palette mit dem Würfel
über die Transportbänder zur HR-Kamerastation transportiert. Die Kamera überprüft ob die
gewünschte Form auf den Würfelseiten nach oben zeigt. Ist dies nicht der Fall dreht der KUKARoboter
nach einem bestimmten Algorithmus diesen solange, bis die Kamera die gewünschte Form erkennt.
Daraufhin nimmt der Roboter den Würfel auf und transportiert diesen auf die rechte Seite
der Mini-Fabrik. Dort wird der Würfel auf eine Montagepalette abgelegt und anschließend zur
Montagestation befördert. An der Montagestation wird mit Hilfe eines Druckluftsaugers ein Deckel
auf den Würfel gelegt. Dieser Vorgang soll einen herkömmlichen Montageprozess in einer realen
Fertigung simulieren. Im nächsten Schritt wird die Palette zu einer weiteren Station transportiert.
An
dieser Station wird der zuvor aufgelegte Deckel durch einen pneumatischen Zylinder bzw.
Kolben verschlossen. Daraufhin ist der Montageprozess abgeschlossen und das fertige Produkt kann
zum Fertigteillager (Pufferlager 2) transportiert und dort eingelagert werden. Der
Lichtvorhang stoppt die Anlage sobald eine Person diesen durchschreitet. Diese Maßnahme ist
nach Maschinenrichtlinien
notwendig, damit kein Betreten der Anlage während des Betriebes möglich ist.
