Die Lernfabrik „Industrie 4.0“
Ein Cyber-Physisches-System für ein individualisiertes und kompetenzorientiertes Lernen
ANFORDERUNGEN
Basis von neuen Produktionsprozessen werden sogenannte CyberPhysische Systeme (CPS) sein. Das sind komplexe Produktions-Systeme, die sich durch einen hohen Vernetzungsgrad sowie intelligente, dezentrale Steuerungen auszeichnen.
Der Verbund aus software- und hardwaretechnischen Komponenten, die eine Vielzahl von Produktionsdaten verarbeiten und speichern, bietet nicht nur technische Möglichkeiten, sondern auch neue Geschäftsmodelle. Kundenspezifische Fertigung (Losgröße 1), vorausschauende Instandhaltung oder eine optimierte Produktionslogik sind nur einige Beispiele.
Waren Sensoren und Steuerungen bisher auch schon über Feldbussysteme gekoppelt (horizontale Vernetzung), so bieten Cyber-Physische Systeme nun einen durchgängigen Datenaustausch bis in die betriebswirtschaftliche Ebene von Unternehmen (vertikale Vernetzung).(…) Ein System, an dem die Lernenden Aufgaben in verschiedenen Anforderungsbereichen selbstständig bearbeiten können, ist dem reinen Demonstrationszweck in jedem Fall vorzuziehen.
Zitat aus „Hinweise zur Lehrmittelausstattung im Zuge des Förderprogramms Industrie 4.0“ vom IBS (Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung München), https://www.isb.bayern.de/download/19431/anlage_hinweise_lehrmittelausstattung_i_4.0_20170427.pdf
Neue Wege der industriellen Produktion fordern ein Umdenken hinsichtlich der Ausstattung in der Aus- und Weiterbildung
Topik Didaktik bietet ein modulares Ausbildungssystem an, das aus einzelnen CPSModulen besteht, auf dem in der Regel zwei aufeinander abgestimmte Anwendungsapplikationen installiert sind. (z.B. zwei Applikationen der „Behältermontage ” wie Deckel montieren und Verschlussbolzen einpressen) So können schon bei der Anschaffung eines CPS-Moduls sowohl die ersten Schritte der Programmierung einer SPS, die automatische Zusammenarbeit zweier Montagestecken, als auch die Kommunikation in der MES-Ebene zur Steuerung und Überwachung der Produktionsprozesse trainiert werden.
Die folgenden Lerninhalte werden an unseren Anlagen trainiert:
- SPS Programm für ein Anlagenmodul erstellen, dokumentieren und testen
- Feldbussysteme einbinden
- RFID-Kommunikation programmieren und realisieren
- Einzelne CPS-Module in Betrieb nehmen
- Das SPS-Programm einer Auftragsbearbeitung (ERP) entwickeln und realisieren
- Eine Leitstandsoftware (MES) für die Steuerung mehrerer CPS-Module entwickeln und testen
- Gesamtanlage und SPS-Module visualisieren
- Bedienen und Beobachten eines CPS-Moduls via Notebook oder Smartphone
- SPS Programm für ein Anlagenmodul erstellen, dokumentieren und testen
- Feldbussysteme einbinden
- RFID-Kommunikation programmieren und realisieren
- Einzelne CPS-Module in Betrieb nehmen
- Das SPS-Programm einer Auftragsbearbeitung (ERP) entwickeln und realisieren
- Eine Leitstandsoftware (MES) für die Steuerung mehrerer CPS-Module entwickeln und testen
- Gesamtanlage und SPS-Module visualisieren
- Bedienen und Beobachten eines CPS-Moduls via Notebook oder Smartphone
Der Grundtyp eines CPS-Moduls besteht aus einem fahrbaren Rahmen aus Al-Profilen, auf denen zwei unabhängig voneinander betriebene Applikationen (z.B. Montage 1 und Montage 2) eingesetzt werden. Für jede Applikation ist eine SPS-Steuerung, ein 4‑facher IO-Link Master, zwei RFID Schreib-Leseköpfe, ein Bedienpult und ein WLAN-Accesspoint sowie je zwei SUB‑D Schnittstellen 25-polig und zwei SUB‑D Schnittstellen 9‑polig nach Topik Standard vorhanden. So kann jedes Modul einzeln für bis zu 4 Auszubildende, die in zwei Gruppen aufgeteilt sind, eingesetzt werden.

Angefangen mit den ersten Schritten der SPS-Programmierung (z.B. Förderband im Tippbetrieb) bis zur Programmierung und Visualisierung eines kompletten CPS-Moduls, sowie zur Erstellung von dynamischen Webseiten zur Bedienung des CPS-Moduls mittels Notebook oder Smartphone, muss die Hardware nicht umgebaut oder ergänzt werden, weil von Anfang an alle benötigten technischen Komponenten grundsätzlich installiert und verfügbar sind.
Haben beide Ausbildungs-Gruppen die Grundlagen der SPS-Programmierung erarbeitet, kann eine Steuerungsaufgabe bearbeitet werden, in der beide Applikationen eingesetzt werden. Durch das Anbringen einer zusätzlichen 180°-Kurve kann so ein vollständiges Paletten-Umlaufsystem realisiert werden.
Eine Lernfabrik 4.0 besteht bei uns aus der Kombination mehrerer CPS-Module, die durch eine Produktionssteuerung (ERP) und eine Auftragsbearbeitung (MES) zu einer Smart Factory werden. In der nachfolgenden Abbildung werden 3 unterschiedliche Fertigungen (Behältermontage, PKW-Montage und das Füllen und Verschließen von Flaschen) realisiert, an der gleichzeitig bis zu 14 Schüler oder Studenten lernen und trainieren können.
CPS 1 – Logistikzentrum – 4 Lagertürme, 1 Lift mit Pneumatikachse
TD 9883
Das Lager besteht aus 4 Lagertürmen mit je 4 Lagerplätzen und einem Palettenlift mit einem Kurzband. Der Lift wird auf einer pneumatischen Achse um ca. 200 mm in X‑Richtung bewegt. Zwei Förderbänder ermöglichen das Ein- und Auslagern von Paletten. Eingelagert werden leere oder beladene Paletten aller Palettentypen. Die Paletten werden an zwei Stellen von RFID Schreib-Leseköpfen erfasst und bei Bedarf ausgelesen bzw. beschrieben.

- Laborwagen mit 4 Feststellrollen, B=600mm, L=1200mm, H=850mm
- 2 Förderbänder 24V Getriebemotor, L=480mm
- 2 x RFID Schreib-Lesekopf IO-Link
- 2 x Systemstecker SUB‑D 9‑polig für SPS-Betrieb
- 1 x Palettenlift mit Kurzband 2 x 24V Getriebemotor, Bedienpult mit Not-Aus
- 1 x RFID Schreib-Lesekopf IO-Link
- 2 x Systemstecker SUB‑D 25-polig für SPS-Betrieb
- 4 x Lagerturm 4 Ebenen
- 4 x Systemstecker SUB‑D 25-polig
- 1 x Halterung für Steuerung und Kommunikation
CPS 2 – Behälterbau 1 – Zwei Automaten für Behälter und Deckel
TD 9884
Das Montagesystem besteht aus zwei Montagestationen, einem Montageautomaten für je 6 schwarze oder weisse Behälter-Unterteile und einem fast baugleichen Automaten für je 6 schwarze oder weisse Behälter- Deckel. Zwei Förderbänder und zwei Transferknoten und eine aussen angeflanschte 180° Kurve bilden das erforderliche Transfersystem. Das System wird mit Paletten für Behälter und Sixpack betrieben. Die Sie werden an 4 Stellen von RFID Schreib-Leseköpfen erfasst und am Anfang des Förderbandes ausgelesen (Fertigungsauftrag). Nach erfolgtem Fertigungsvorgang wird eine Fertigungsquittung in einen weiteren Datenträger des Förderbandes geschrieben.

- Laborwagen mit 4 Feststellrollen, B=600mm, L=1200mm, H=850mm
- 2 Förderbänder 24V Getriebemotor, L=900mm
- 2 x Systemstecker SUB‑D 9‑polig für SPS-Betrieb
- 4 x RFID Schreib-Lesekopf IO-Link
- 2 x Transferknoten
- 2 x Systemstecker SUB‑D 9‑polig für SPS-Betrieb
- 2 x Bedienpult mit Not-Aus
- 2 x Systemstecker SUB‑D 25-polig für SPS-Betrieb
- 1 x Automat zum Vereinzeln von Behältern
- 1 x Systemstecker SUB‑D 25-polig für SPS-Betrieb
- 1 x Automat zum Montieren von Behälterdeckeln
- 1 x Systemstecker SUB‑D 25-polig
- 2 x Halterung für Steuerung und Kommunikation
CPS 3 – Behälterbau 2 – Automat für Bolzenmontage, Prüfstation, Handling
TD 9885
Zwei Förderbänder und zwei Transferknoten sowie eine aussen angeflanschte 180° Kurve bilden das erforderliche Transfersystem. Auf dem ersten Förderband ist als 3. Montagestation ein Montage-Doppelautomat für je 6 Montagebolzen aus rotem Kunststof oder Aluminium angebracht. Auf dem zweiten Förderband befinden sich eine Prüfstation und ein Handhabungsautomat. Das System wird mit Paletten für Behälter und Sixpack betrieben. Sie werden an 4 Stellen von RFID Schreib-Leseköpfen erfasst und am Anfang des Förderbandes ausgelesen (Fertigungsauftrag). Nach erfolgtem Fertigungsvorgang wird eine Fertigungsquittung in einen weiteren Datenträger des Förderbandes geschrieben. Die montierten Behälter weden geprüft und mit dem Handling sortiert ausgelagert.

- Laborwagen mit 4 Feststellrollen, B=600mm, L=1200mm, H=850mm
- 2 Förderbänder 24V Getriebemotor, L=900mm
- 2 x Systemstecker SUB‑D 9‑polig für SPS-Betrieb
- 4 x RFID Schreib-Lesekopf IO-Link
- 2 x Transferknoten
- 2 x Systemstecker SUB‑D 9‑polig für SPS-Betrieb
- 2 x Bedienpult mit Not-Aus
- 2 x Systemstecker SUB‑D 25-polig für SPS-Betrieb
- 1 x Automat zum Einpressen von Montagebolzen
- 1 x Systemstecker SUB‑D 25-polig für SPS-Betrieb
- 1 x Automat zum Prüfen montierter Behälter
- 1 x Systemstecker SUB‑D 25-polig
- 2 x Halterung für Steuerung und Kommunikation
CPS 4 – Flaschenabfüllung – Flaschenfüllautomat und Deckelmontageautomat
TD 9886
Das Montagesystem besteht aus zwei Stationen, einem Automaten für das Füllen von 6 Flaschen mit zwei Füllständen wahlweise 5ml oder 10 ml. Der Füllstand wird mittels Ultraschallsensoren erfasst und ausgewertet. Bei korrektem Füllstand fährt die Palette zu dem Automaten zum Montieren von Deckeln auf die Flaschen. Zwei Förderbänder und zwei Transferknoten sowie eine von aussen angeflanschte 180° Kurve bilden das erforderliche Transfersystem. Das System wird mit Paletten für Behälter und Sixpack betrieben. Sie werden an vier Stellen von RFID Schreib-Leseköpfen erfasst und bei Bedarf ausgelesen (Fertigungsauftrag) bzw. beschrieben (Fertigungsquittung).

- Laborwagen mit 4 Feststellrollen, B=600mm, L=1200mm, H=850mm
- 2 Förderbänder 24V Getriebemotor, L=900mm
- 2 x Systemstecker SUB‑D 9‑polig für SPS-Betrieb
- 4 x RFID Schreib-Lesekopf IO-Link
- 2 x Transferknoten
- 2 x Systemstecker SUB‑D 9‑polig für SPS-Betrieb
- 2 x Bedienpult mit Not-Aus
- 2 x Systemstecker SUB‑D 25-polig für SPS-Betrieb
- 1 x Automat zum Befüllen von Flaschen und Prüfen des Füllstandes
- 1 x Systemstecker SUB‑D 25-polig für SPS-Betrieb
- 1 x Automat zum Verschließen von Flaschen
- 1 x Systemstecker SUB‑D 25-polig
- 2 x Halterung für Steuerung und Kommunikation
CPS 5 – PKW-Montage 1 – Karosseriemontage, Prüfstation
TD 9887
Das Montagesystem besteht aus einem Montageautomaten für Karosserien der VW-Käfer Modellautos und einer Prüfstation für das Prüfen des Motortyps und der Karosseriefarbe. Die Karosserie wird in die Montagestation transportiert, angehoben und die leere Palette fährt zurück zum Logistikzentrum. Es folgt eine Palette, die mit einem mit einem Motor bestückten Fahrgestell beladen ist. Die Karosserie wird auf das Fahrgestell abgesenkt und mit dem Fahrgestell verbunden. Die Karosserie wird angehoben und es wird geprüft ob das Fahrgestell mit angehoben wird. Die montierte Palette wird in die nachfolgende Prüfstation gefahren. Es wird nun die Karosseriefarbe und der Motortyp erfasst und püberprüft. Die Paletten werden an 4 Stellen von RFID Schreib-Leseköpfen erfasst und bei Bedarf ausgelesen (Fertigungsauftrag) bzw. beschrieben (Fertigungsquittung).

- Laborwagen mit 4 Feststellrollen, B=600mm, L=1200mm, H=850mm
- 2 Förderbänder 24V Getriebemotor, L=900mm
- 2 x Systemstecker SUB‑D 9‑polig für SPS-Betrieb
- 4 x RFID Schreib-Lesekopf IO-Link
- 2 x Transferknoten
- 2 x Systemstecker SUB‑D 9‑polig für SPS-Betrieb
- 2 x Bedienpult mit Not-Aus
- 2 x Systemstecker SUB‑D 25-polig für SPS-Betrieb
- 1 x Automat zum Montieren der PKW-Karosserie
- 1 x Systemstecker SUB‑D 25-polig für SPS-Betrieb
- 1 x Automat zum Erkennen von Motortyp und Karosseriefarbe
- 1 x Systemstecker SUB‑D 25-polig
- 2 x Halterung für Steuerung und Kommunikation
CPS 6 – PKW-Montage 2 – Motormontage und Motorlager
TD 9888
Zwei Förderbänder und zwei Transferknoten sowie eine aussen angeflanschte 180° Kurve bilden das erforderliche Transfersystem. Ein Motorenlager mit 3 Lagerebenen und einem dreiachsigen Be- und Entladeautomaten wird als Lager und als Montagestation für die Bestückung der Fahrgestelle mit verschiedenen Motortypen eingesetzt. Die Paletten werden an 4 Stellen von RFID Schreib-Leseköpfen erfasst und bei Bedarf ausgelesen (Fertigungsauftrag) bzw. beschrieben (Fertigungsquittung).
- Laborwagen mit 4 Feststellrollen, B=600mm, L=1200mm, H=850mm
- 2 Förderbänder 24V Getriebemotor, L=900mm
- 2 x Systemstecker SUB‑D 9‑polig für SPS-Betrieb
- 2 x RFID Schreib-Lesekopf IO-Link
- 2 x Transferknoten
- 2 x Systemstecker SUB‑D 9‑polig für SPS-Betrieb
- 1 x Bedienpult mit Not-Aus
- 1 x Systemstecker SUB‑D 25-polig für SPS-Betrieb
- 1 x Automat zum Montieren und Lagern der PKW-Motoren
- 1 x Systemstecker SUB‑D 25-polig für SPS-Betrieb
- 1 x Automat zum Erkennen von Motortyp und Karosseriefarbe
- 1 x Systemstecker SUB‑D 25-polig
- 1 x Halterung für Steuerung und Kommunikation
CPS 7 – PKW-Montage 3 – Motorenherstellung im 3D-Druck
TD 9889
- 3D-Drucker, Typ geschlossen mit Heizung, didaktisch aufbereitet
Winkel für Kurvenanbau
TD 9892
- Halterung für den nächträglichen Anbau einer Kurve an 2 Förderbänder
Satz Digitaler Zwilling (für 6 CPS-Module)
TD 2040
- Virtuelle Nachbildung der tatsächlich vorhandenen Technik
- Anschluss an reale oder virtuelle SPS per Profinet (TIA-Portal 16)
- Virtuelle Inbetriebnahme
Module:
- Logistikzentrum
- Behälterbau 1
- Behälterbau 2
- Flaschenabfüllung
- PKW-Montage 1
- PKW-Montage 2
Webshop mit Datenbank
TD 2042
- Erfassung der Kundendaten
- Präsentation der Produkte
- Auswahl von Produkt und Bestellmenge
- Auftragsannahme
- Erstellen von Lieferschein und Rechnung
- Mitteilung von Lieferterminen