Tag der Forschung im proto_lab

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Der Tag der Forschung 2022 der Technischen Hochschule Rosenheim ist Schaufenster der Forschungsaktivitäten der Hochschule und Netzwerkschmiede zugleich. Am 29.09.2022 treffen sich im Zeitraum von 08:30 – 14:00 Vertreter aus Wirtschaft, Politik und Gesellschaft mit Forschern der TH Rosenheim auf dem innovativen Campus der Hochschule, um sich über aktuelle Forschungsaktivitäten und -ergebnisse in unterschiedlichsten Fachgebieten zu informieren und auszutauschen. Sowohl bei den Schwerpunktthemen der automatisierten Fertigung, wie auch bei Forschungsschwerpunkten in den Bereichen der sozialen Arbeit, der Materialforschung oder der Energieübertragung stehen Digitalisierung und künstliche Intelligenz im Fokus. Das sind Themen, welche auch den Großteil des Wirtschafts- und Servicesektors der Region aktuell herausfordern. Damit wird der Tag der Forschung zu einem Enabler für Forschungskooperationen und Diskussionsplattform zur Erarbeitung von Lösungsansätzen für herausfordernde aktuelle Fragen in Wirtschaft und Gesellschaft. Die Teilnehmer können nacheinander vier Themenkomplexe vertiefen, in denen  die Forscher der Technischen Hochschule Rosenheim ihre Erkenntnisse in Vorträgen und in konkreten Laboranwendungen zeigen werden: Modellfabrik 4.0 Drahtlose Energieübertragung Standardisierung der Schnittstellen im Anlagenbau Additive Fertigung – Erkenntnisse im Bereich des 3D Druckes Daneben werden über den gesamten Tag kurze Wissenssnacks zu Forschungsergebnissen aus den Fakultäten der Technischen Hochschule Rosenheim präsentiert. Die Teilnehmer können im Nachgang der jeweils 15-minütigen Inputs direkt mit den Forschern in Kontakt treten. Anmeldungen zu dieser kostenlosen Veranstaltung sind über https://eveeno.com/259630849 möglich. Diese Veranstaltung wird durch den Seeoner Kreis unterstützt.

Beispielhafte Umsetzung einer IoT-Central Anwendung

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Im proto_lab wurde die Einbindung von IoT-Devices in die Azure Anwendungsplattform IoT-Central am Beispiel eines elektrischen Rolltores erfolgreich getestet. Über einen Raspberry Pi mit Automation HAT können In- und Outputsignale der internen Steuerung des Rolltores verarbeitet und analoge Spannungswerte ausgegeben werden. Diese Daten werden über Node-Red an IoT-Central übermittelt und dort visualisiert. So können verschiedene device-spezifische Daten (grafisch) dargestellt werden wie etwa der monatliche Stromverbrauch des Rolltores oder Informationen zu Hersteller, Baujahr etc.Darüberhinaus kann das Rolltor über die IoT-Central Anwendung auch direkt angesteuert bzw. der Betriebszustand (z.B. „Tor geöffnet halten“) geändert werden.Mit der Einbindung des Rolltores in die Azure Cloud wurde zudem auch die Voraussetzung für eine mögliche spätere Kommunikation des fahrerlosen Transportfahrzeugs mit dem Rolltor geschaffen.

Erstes Modell für KI-basiertes production scheduling

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Im Laborumfeld des proto_labs wurde mittels KI ein erstes Modell für ein autonom arbeitendes Produktionsplanungs- und steuerungssystem (production scheduling) entwickelt. Ein intelligenter Software-Agent erfasst alle verfügbaren Fertigungsdaten und gewinnt durch Methoden des Verstärkenden Lernens (reinforcement learning) Kenntnisse über die komplexen Zusammenhänge industrieller Produktionsabläufe. Mithilfe zahlreicher Trainingsdaten und Feedback ist der Agent nach einiger Zeit in der Lage, immer bessere Planungsergebnisse durch einen intelligenten und erlernten  Soll-/Ist-Abgleich von Prozesszeiten zu erreichen.  Im proto_lab konnten schließlich gängige Referenzfälle auf Augenhöhe mit publizierten Lösungen sehr vielversprechend gelöst werden: Fertigungsaufträge können je nach Prozessschritt Maschinen mit freien Kapazitäten automatisch zugeteilt werden. KI verhilft somit zu schlanken, effizienten und transparenten Produktionsprozessen. 

proto_lab startet Virtualisierung der Produktion in der MS Azure Cloud (Cloud Manufacturing/ Industrial IoT)

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Das proto_lab-Team startet in diesen Tagen mit der Virtualisierung sämtlicher Produktionsressourcen in MS Azure. Damit gehen wir einen wichtigen Schritt in Richtung digitale Produktion, die sowohl vertikal als auch horizontal hochgradig vernetzt ist. Für die Anbindung der Teilnehmer wird der von uns entwickelte proto_cube eingesetzt, der auf unkomplizierte und einheitliche Art und Weise beliebige Teilnehmer in unser cyber-physisches System einbindet. Produktionsentitäten wie Maschinen, Produkte, Materialien, Kommissionierbehälter oder Arbeitsplätze lassen sich so über ein generisches Datenmodell als digitaler Zwilling abbilden, vernetzen und steuern. Eine vollständige Virtualisierung aller Ressourcen ermöglicht dann die Anwendungen von KI-Methoden zur Optimierung einer nachhaltigen Produktion. Zudem ist für die Zukunft die Integration des cloudbasierten ERP-Systems MS Dynamics als Dach der digitalen Produktion angedacht. Mit dieser Entwicklung sollen Informations- und Produktionsarchitekturen für eine optimierte, nachhaltige und damit zukunftsfähige Produktion sichtbar, greifbar und beherrschbar werden. Wir sind überzeugt, dass diese Entwicklung sowohl für unsere Studierenden in der Lehre als auch für unsere Industriepartner in der Praxis einen wichtigen Akzent setzt – wir freuen uns auf den Austausch mit Ihnen!

Neues AGV im proto_lab

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Im Rahmen des Projekts Fleet (Blogbeitrag vom 8.11.2021 ) hat die Firma safelog dem proto_lab-Labor ein hochflexibles Kompakt-AGV des Typs S2 zur Verfügung gestellt. Dieses wurde nun mechanisch und digital in Betrieb genommen. Die Routenführung kann sowohl über ein Magnetband am Boden als auch über einen Virtual Lane Sensor erfolgen und über die Steuerung nach Bedarf priorisiert werden. Über einen frontal montierten Laserscanner erfasst das AGV seine Umgebung und kann ohne weitere Hilfsmittel wie etwa Reflektoren navigieren. Definierbare Warn- und Sicherheitszonen sorgen für verlangsamte Fahrt bzw. einen Komplettstopp bei der Begegnung mit Hindernissen. Das AGV S2 ist sehr klein und wendig und eignet sich daher hervorragend für den Einsatz in einem hochflexiblen Labor. Über einen elektrischen Hubbolzen können Anhänger unterfahren und mitgezogen sowie spezielle Aufbauten für Toploads am AGV befestigt werden. Im proto_lab wird aktuell der use case der Beschlägekommissionierung vorbereitet. Durch die Programmierung von festen Haltestationen wie „Anlieferungsort Beschläge“, „Beschlägeregal“ und „Montagearbeitsplatz“ kann das AGV über ein Terminal für den Transport von Beschlägen über vordefinierte Strecken angefordert werden.

Erfolgreicher Test eines UWB-Positionierungssystems im proto_lab

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Im Rahmen einer Masterarbeit wurde nun die Genauigkeit eines auf Ultrabreitband basierenden Lokalisierungssystems in der Praxis untersucht. Als Basis dienten die Ergebnisse einer vorangegangenen  AFE-Master-Projektarbeit (siehe Blogbeitrag vom 14.9.2021). Getestet wurde ein Decawave Indoor Positioning System. Hierzu wurden in einem Teilbereich des proto_lab-Labors vier Anchors als Referenzpunkte in rechteckiger Anordnung installiert. Der zu ortende Kommissionierwagen wurde mit einem Tag versehen. Anchors und Tag kommunizieren über das Two-Way-Ranging (TWR)-Verfahren: Die Positionskoordinaten des Kommissionierwagens errechnen sich aus den Signallaufzeiten zwischen den fest definierten Ancor-Positionen und dem mobilen Tag. Die Daten werden vom Decawave-Gateway (Development-Board an Raspberry Pi) gelesen und einem verbundenen LAN/WLAN über ein MQTT-Protokoll bereit gestellt. Durch das Messaging-Prinzip „subscribe and publish“ wird jegliche Positionsänderung sofort automatisch übermittelt. Die Position des Kommissionierwagens kann über LAN-/WLAN-/Bluetooth-Verbindung oder eine Web-Applikation an jedem mobilen Endgerät (Laptop, Tablet, Smart Phone) angezeigt werden. Die erforderliche Genauigkeit des Systems, gerade im Bereich der automatischen Teilekommissionierung durch einen Roboter konnte über eine Heat-Map grafisch bestätigt werden. Nun steht der Ausweitung des Systems auf weitere Ladungsträger sowie Räumlichkeiten des proto_lab-Labors nichts mehr im Wege.

Der proto_cube im Einsatz

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Im Rahmen einer Bachelorarbeit wurde unter Verwendung von OpenSource-Software an einer „älteren“ Dickenhobelmaschine erfolgreich ein Industrie-4.0-Retrofit durchgeführt.   Ohne tiefgreifende Veränderungen der bereits bestehenden Maschineninfrastruktur konnte durch die nachträgliche Anbringung von zusätzlich benötigter Sensorik sowie die Aufbereitung und Übertragung der erfassten Messwerte über IIoT-Gateways eine Industrie-4.0-Infrastruktur nachgerüstet werden. Mithilfe einer modularen IIoT-Plattform werden die Maschinendaten nun für Services zur Verfügung gestellt. Über den „proto_cube“ sowie die „proto_cube-App“ werden Maschinen- und Betriebsdaten erfasst und dem Anwender nutzerfreundlich bereitgestellt. So werden etwa die Leistungswerte an Haupt- und Vorschubmotor mithilfe von Stromwandlern gemessen um den Bearbeitungszustand der Maschine (Stillstand / Leerlauf / Bearbeitung mit entsprechendem Vorschub) über ein mobiles Endgerät aus der Ferne erkennen zu können. Ergänzend dazu kann auch eine LED-Signalleuchte mit entsprechender Farbgebung am proto_cube angebracht werden.   Ein induktiver Sensor erfasst den Zustand (offen / geschlossen) einer Abdeckung, welche im Falle einer Wartung oder Reinigung geöffnet sein muss. Vervollständigt werden diese Maschinendaten um ein eigenentwickeltes BDE-Terminal mit webbasierter Oberfläche. Über einen Touchscreen können in der proto_cube-App Aktionen auftragsbezogen abgearbeitet werden, z.B. die Einstellung von Hobeldicke und Vorschubgeschwindigkeit, Start und Stopp der Bearbeitung. Zusätzlich können weitere Informationen wie eine Maschinenstörung oder Wartung erfasst werden. Die Überlagerung von Maschinen- und Betriebsdaten ermöglicht schließlich eine aussagekräftige Auswertung aller gesammelten Daten. Dabei werden sämtliche Daten auf einem Dashboard etwa als Balkendiagramme o.ä. gemeinsam visualisiert. Alle Daten werden nicht nur historienfähig abgespeichert, sondern via IIoT-Kommunikation (MQTT oder OPC UA) auch in Echtzeit zur Verfügung gestellt, was künftig datenbasierte Entscheidungen in der Produktion erleichtert. Systemarchitektur des Retrofits Überlagerung von Maschinen- und Betriebsdaten Ansicht der proto_cube-App

Pizza & IoT

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Wie universell einsetzbar IoT-Technologien sind, bewiesen Studierende im jüngsten Durchlauf des FWPMs „IoT-cyber-physische Systeme“. Anstatt eines klassischen Industrieprozesses wurde diesmal der Produktkonfigurations und -herstellungsprozess einer Pizza betrachtet. Die Studierenden erstellten eine Website, auf der Kunden online ihre Wunschpizzen kreieren und bestellen können – ein Online-Konfigurator für die Gastronomie. Und auch der Herstellprozess in der Großküche wurde digitalisiert: Der Kundenauftrag wird vom Kochpersonal am mobilen Endgerät geladen, die benötigten Zutaten werden über aufleuchtende LEDs an den Behältern angezeigt und die „Materialentnahme“ von Schinken, Käse & Co. über Knopfdruck oder Barcode-Scan quittiert. Auf diese Weise können hochindividuelle Produkte flexibel und prozessoptimiert hergestellt werden.

Das proto_lab wächst (III)… Noch mehr IT-Kompetenz!

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Tobias Butz unterstützt als IT-Experte die Weiterentwicklung des durchgängigen I4.0-Prozesses im proto_lab. Als IIoT-Fachmann wird er neue, ergänzende Features in den Produktionsablauf sowie in die proto_lab-App einbinden. Um den Einsatz dezentraler Agenten in der Produktion zu ermöglichen werden auch neue Cloudtechnologien genutzt werden. Autonome Einheiten können dann auf Basis von Algorithmen selbständig Ablaufentscheidungen treffen, was den Gesamtprozess noch flexibler und weniger fehleranfällig macht. Neue Cloudtechnologien spielen auch für die generelle Weiterentwicklung der IT-Infrastruktur eine Rolle. Ziel ist eine offene und modulare Architektur mit Schnittstellen zu weiteren Anwendungen und Partnerlaboren, etwa aus den Bereichen Metall, 3D-Druck und Stoffstrommanagement. Diese Vernetzung könnte etwa über GAIA-X realisiert werden, einem Projekt zur Entwicklung einer offenen, transparenten Dateninfrastruktur auf Basis der europäischen Datenschutz-Grundverordnung.