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Cyber-physische Systeme für die klimaneutrale Produktion

Begriffsdefinition, Nomenklatur und Ableiten von Standards


Die Entwicklung im Forschungsfeld cyber-physische Systeme wird von vielen verschiedenen Institutionen aus diversen Fachgebieten geprägt. Dies führt zu einer Fülle an unterschiedlichen Begriffsdefinitionen. Aus diesem Grund ist ein zentrales Element unserer Forschungsarbeit die Erarbeitung von Begriffsdefinitionen, Nomenklaturen und logischen Zusammenhängen im Kontext cyber-physischer Produktionssysteme (CPPS) für die klimaneutrale Produktion. Dazu zählen auch die Begriffe Digitaler Zwilling sowie Verwaltungsschale. In diesem Rahmen unterstützen wir bei der Erstellung von VDI Standards und OPC UA Companion Specifications.


CPPS Architektur


Zur Schaffung einer zielführenden Architektur cyber-physischenr Produktionssysteme (CPPS), welche eine klimaneutrale Produktion ermöglichen, setzen wir uns mit allen Teilsystemen eines CPPS auseinander: mit der physischen Maschine, der Konnektivitätsebene die die Maschine mit informationstechnischen Komponenten verbindet und der Informationsebene, die zum Beispiel das digitale Abbild der Maschine und Softwarealgorithmen enthält. Weiterführend entwickeln wir schwerpunktübergreifend Methoden um Produktionssysteme dahingehend zu befähigen, um mit Algorithmen zum Monitoring, zur Prognose und zur Optimierung der Maschinen- und Betriebszustände zu interagieren. Dies erfordert eine durchgängige und einheitliche Konnektivität von der Feldebene bis in die Cloud.


Datenmodelle für Transparenz und optimierten Fabrikbetrieb


Um Fabriken klimaneutral zu betreiben, muss der Energieverbrauch der Fabrik gesenkt werden und der Energiebezug aus erneuerbaren Energien erfolgen. Zur Senkung des Energieverbrauchs und damit zu Reduzierung von Treibhausgasemissionen, werden Kennzahlen benötigt, die die aktuelle Klimabilanz unserer Fabrik abbilden. Aus diesen lassen sich dann unter Einsatz von Algorithmen Effizienzpotentiale ableiten. Damit der Energiebezug aus erneuerbaren Energien maximiert wird, müssen die Maschinen energieflexibel betrieben werden. Sowohl für Transparenz als auch zum energieflexiblen Fabrikbetrieb müssen Maschinen mit IoT-Plattformen verbunden sein, in denen die Kennzahlen und Maßnahmen automatisiert berechnet werden. Um diese Anbindung und Berechnung einfach und standardisiert zu ermöglichen, kombinieren wir die Kennzahlen und Maßnahmen in Datenmodellen.


Programmierschemas für Automation, Simulation & Konnektivitätsebene


In der klimaneutralen, intelligenten Fabrik optimieren Algorithmen den Fabrikbetrieb. Hierfür ist eine Co-Simulation aus Automation, Simulation und Optimierung nötig. Die Simulationsmodelle werden zur Berechnung und Optimierung zukünftiger Systemzustände genutzt, während parallel dazu Optimierungsalgorithmen ausgeführt und die Optimierungsergebnisse im Automationssystem der Maschinen umgesetzt werden. Bisher werden die drei Gebiete Automation, Simulation und Optimierung getrennt betrachtet und modelliert. Dies führt zu Kommunikationsproblemen zwischen den einzelnen Feldern und großem Mehraufwand bei der für eine Co-Simulation nötigen Anpassung einzelner Modelle. Aus diesem Grund erarbeiten wir Programmierschemas für die standardisierte Modellierung von Automationsprogrammen, Simulationsmodellen und Konnektivitätsebene für Optimierungsmodelle.

PTW, Daniel Fuhrländer-Völker

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