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Cyber-Physical Sensor Systems

Sensoren für die digitale Produktion von morgen - Teil 6/7

Die Entwicklungen von Systemen werden heute immer auch mit den Möglichkeiten der Vernetzung und vielfachen Verwendung von Prozessdaten unter dem Begriff Cyber-Physical Production System (CPPS) diskutiert. Das Cyber-Physical Sensor System (CPSS) beschreibt die Vernetzung von mehreren Sensoren, die auf einer selbstständigen Fusion basiert. Die Grundlage für die Vernetzung bilden adaptive Systeminformationen, die von dem CPPS an das Sensorsystem gegeben werden.

Bild: Werkzeugmaschinenlabor der RWTH AachenBild: Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen
Bild 1: Cyber-Physical Sensor System

Unter Berücksichtigung von Optimierungszielen liefern die CPSS die Prozessinformationen an das CPPS, welche zum Aufbau von geeigneten Prozessmodellen benötigt werden.

Bild: Werkzeugmaschinenlabor der RWTH AachenBild: Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen
Bild 3: Vom Labor zur Inline-Analyse mittels Lab-on-a-Chip

Bild: Werkzeugmaschinenlabor der RWTH AachenBild: Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen
Bild 2: Vom einfachen Sensor zur mobilen Informationsbereitstellung

Um den Prozess oder einzelne Bauteileigenschaften selbstständig zu überwachen, müssen aus den Rohdaten Informationen extrahiert werden. Die dafür verwendeten Algorithmen müssen im CPPS dynamisch an das jeweilige Bauteilfeature angepasst werden. Um diese Adaptivität zu erreichen, werden Informationen aus der Planungsebene benötigt, die von PLM-Systemen zur Verfügung gestellt werden können. Die Konfiguration einer zukünftigen Prozessüberwachung erfolgt über die Fertigungsplanung. Die Optimierungskriterien bzw. nicht zu über- oder unterschreitende Grenzkriterien (Stabilitätskenngrößen, minimale Spanungsdicken,...) können entweder durch Kennwerte hinterlegt sein oder aus Modellierungen in CAx-Systemen ermittelt werden. Wenn kennwertbasiert gearbeitet werden kann, was insbesondere für KMUs eine wichtige Option darstellt, verringern sich das Datenvolumen und die benötigte Rechnerleistung erheblich. Im Extremfall können Kennwerte ausschließlich über Attribute wie 'gut' oder 'schlecht' beschrieben sein. Es ist wichtig, dass die jeweilige Instanz nur die Daten erhält, die sie für ihre Arbeit wirklich benötigt. Andernfalls droht die Entstehung von 'toten' Datenmengen, die nicht nutzbar sind bzw. lediglich auf Serversystemen abgelegt werden. Der Kunde eines Herstellers wird z.B. nur die Aussage benötigen, ob ein Bauteil die geforderten Qualitätsmerkmale in der Gesamtheit erfüllt. Dies heißt aber nicht, dass innerhalb des Fertigungsprozesses ebenfalls eine attributive Wertung und Dokumentation ausreichend ist. Insbesondere unter Gesichtspunkten der Produkthaftung und Zertifizierungen müssen innerbetrieblich quantifizierte Dokumentationen von signifikanten Prozessparametern angelegt werden. Dies erfordert dann auch die Entwicklung von Strategien zur Verwaltung und Archivierung von Messdaten. Die steigende Messgenauigkeit von Sensoren bei gleichzeitig höherer zeitlicher Auflösung stellt für die Verarbeitung der Daten eine Herausforderung dar. Der limitierende Faktor ist dabei die Übertragungsrate und Latenzzeit heutiger Bussysteme in Werkzeugmaschinen. Durch die Bereitstellung der Informationen auf verschiedenen Ausführungsebenen wandeln sich auch die Anforderungen zur Echtzeitverarbeitung. Für harte Echtzeitanforderungen werden zukünftige Sensorsysteme die Verarbeitung der Daten zu Informationen eigenständig erledigen müssen. Die bereitgestellten Informationen können dann Aktor-Komponenten oder einem höheren Zielsystem für die weitere Verarbeitung zur Verfügung gestellt werden. Berechnete Kennwerte können bei nicht zeitkritischen Applikationen über Standard-Netzwerkprotokolle zu Datenbanksystemen übertragen werden. Auch ein direkter Stream von Daten auf einen dezentralen Datenspeicher könnte ein CPPS-Sensor ohne Host verarbeiten. Um eine möglichst hohe Flexibilität zu gewährleisten, müssen daher verstärkt rekonfigurierbare und skalierbare Systeme auf Basis von Real-time-Prozessoren und FPGA-Technologie zum Einsatz kommen. Hersteller von Sensoren und Aktoren können in Bezug auf CPPS nur eine Hardwareplattform zur Verfügung stellen, da die Anforderungen kundenseitig stark variieren können. Daher sollte die Entwicklung offener, leicht integrierbarer Embedded-Sensorplattformen das Ziel sein. Anwender können damit Messgeräte und Aktoren durch eigene Algorithmen um neue Funktionen erweitern. Die Forderung der Kunden nach intelligenten Produkten, die flexibel erweiterbar sind, zeigt sich schon heute in vielen Bereichen der Unterhaltungsindustrie. Die intelligenten Geräte lassen sich über Tech-Apps an die jeweiligen Kundenbedürfnisse anpassen. Eine Vielzahl dieser Plattformen erlaubt auch die eigene Programmierung von Apps durch den Anwender. Diese Anwendungen können dann verkauft oder kostenlos der Community zur Verfügung gestellt werden. Zukünftige Geräte sind offene, rekonfigurierbare und vom Kunden anpassbare Plattformen, die zur Bildung von Communities führen. Diese Anwendergemeinschaften generieren durch die Entwicklung von Apps neue Anwendungsgebiete und Funktionen für den Hersteller.

National Instruments Germany GmbH

Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN 4 2015 - 19.03.15.
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