Elektronikschule Tettnang

Die iLernfabrik 4.0 ist eine Eigenwicklung mit über 30 Firmen und dem Systemintegrator Christiani GmbH Konstanz. Die Mehrlieferanten-Strategie und der Einsatz von Mixed-Hardware bilden die Basis der iLernfabrik 4.0 (individuell).
Die aus sechs Modulen bestehende Anlage bildet eine komplette Produktionskette realitätsnah ab und veranschaulicht, wie die Prozesse in Industrie 4.0 funktionieren. Durch den modularen Aufbau der Stationen ist die Gesamtanlage auch auf künftige Anforderungen bestens vorbereitet. In der iLernfabrik 4.0 werden Würfel oder Dosen mit verschiedenen Einlageelementen befüllt.

Modul 1: (Palettenlager und Unterteile)

• Palettenlager
• Auftragsverknüpfung
• Ausgabe Dosenunterteile
• Ausgabe Würfelunterteile
• Magazinierung Dosenunterteile

Modul 2: (Handarbeitsplatz)

• Handarbeitsplatz (geplant)
• Sortierung und Magazinierung Würfelunterteile

Modul 3: (Einlegeteile, Produktkontrolle)

• Einlegeteile in Dosen oder Würfel platzieren
• Optische Produktkontrolle
• Einlegeteile von Dosen und Würfeln entnehmen

Modul 4: (Oberteile und Palettenlager)

• Dosendeckel auflegen
• Palettenlager
• Ausgabe Würfeloberteil
• Magazinierung Dosenoberteile
• Magazinierung Würfeloberteile

Modul 5: (Verpressen Dosen und Würfel, Produktkontrolle, Öffnen Dosen)

• Verpressen Dosendeckel
• Verpressen Würfelhälften
• Optische Produktkontrolle
• Öffnen Dosendeckel

Modul 6: (Lager und Produktausgabe)

• Lager für Würfel
• Lager für Dosen
• Produktausgabe Würfel und Dosen

Jede der sechs Stationen enthält zwei SPSen der Firma Siemens, die die in der Station verbauten Elemente ansteuern. Jeder Tisch bildet eine Einheit mit einer eigenen Netzwerkinfrastruktur, die wiederum mit dem übergeordneten MES ver-bunden sind. Die SPSen erledigen die konkreten Steuerungsaufgaben in den Stationen, wie zum Beispiel Anfahren der Transportbänder und die Umlagerung von Bauteilen. Hierbei kommunizieren die SPSen mit dem übergeordneten MES, welches die Gesamsteuerung der Anlage übernimmt.

Beim zurzeit eingesetzten MES handelt sich um eine Eigenentwicklung, mit einer auf die Zielgruppen angepassten didaktischen Reduktion auf die wesentlichen Elemente, die für den Betreib eines Web-Shops, der Ansteuerung des Produktionsprozesses sowie der Erfassung und Visualierung der dabei anfallenden Daten ermöglicht. Mittelfristig ist der Einsatz der Software der Firma forcam geplant.
Die beiden ebenfalls verbauten Roboter der Firma Kuka sind integraler Bestandteil der Anlage und kommunzieren über die SPSen mit dem MES.
Die Anlage wird durch einen 3D-Drucker JetFusion der Firma HP ergänzt. Mit dem Drucker werden Spezialhandhabungselemente zur Verbesserung der Anlage sowie spezielle Einlegeteile zur Erhöhung der Produktvarianz erstellt.

Steuerungstechnisch gesehen, kann jedes Modul für sich programmiert werden. Prozesstechnisch gesehen, sind wir teilweise an den Fertigungsablauf gebunden. Durch die übergeordnete Intelligenz könnte aber die Reihenfolge der Module beliebig angeordnet werden.

In jedem Modul ist mindestens ein Förderband, eine Identifikationsstation und eine Applikation integriert. Der Werkstückträger wird, an die RFID Station befördert und dort gestoppt. Die Nummer des Trägers wird identifiziert. Nachdem die Nummer des Trägers bekannt ist, wird nun am übergeordneten MES-Server angefragt, ob ein aktueller Auftrag für diesen Werkstückträger vorliegt. Falls ein Auftrag vorliegt, wird die zugehörige Applikation gestartet. Das ist z.B. die Umsetzung eines Teils, das Verpackt werden soll. Falls es jedoch keinen Auftrag für diesen Werkstückträger an der betroffenen Applikation gibt, wird das Werkstück „frei gelassen“ und fährt weiter zur nächsten Identifikationsstation.

Robotersysteme 1x KRC, 1x iiwa KUKA Roboter GmbH
Transportsystem: ETS DIDACTIC GMBH
Handhabungs- und Montagesysteme: Dr.-Ing. Paul Christiani GmbH & Co. KG
Steuerungs- und Antriebstechnik: Siemens AG
Visualisierungssysteme: Siemens AG, Eyevis GmbH
Sicherheitstechnik: Pilz GmbH & Co. KG, Wenglor sensoric GmbH
Energiemanagementsystem: Janitza electronics GmbH
RFID-System: IFM electronic GmbH
Feldbussysteme: IFM electronic GmbH, Murrelektronik GmbH, Turck GmbH
Netzwerksystem: Cisco Systems, Phoenix Contact GmbH & Co. KG
MES System: Forcam GmbH
Bildverarbeitungssystem: Wenglor sensoric GmbH
Sensorik: Wenglor sensoric GmbH, IFM electronic GmbH, Balluff GmbH

Die folgende Software ist in der iLernfabrik 4.0 im Einsatz:

• Ubuntu Linux
• MariaDB Datenbankserver
• Mosquitto MQTT-Broker
• Apache Webserver
• Tomcat Webserver
• Node-RED
• FORCAM (Planungs- und Integrationsphase)
• Janitza GridVis
• HP SmartStream 3D Command Center
• HP SmartStream 3D Build Manager

Weitere Entwicklungswerkzeuge die in der iLernfabrik 4.0 eingesetzt werden:

• Siemens TIA Portal mit WinCC
• PLCSIM
• Eclipse
• Solidworks
• ifm LR Device
• KUKA Sunrise
• KUKA Workvisual
• Pilz PNOZmulti Configurator

Gemäß dem est-Leitspruch „Vorsprung durch Bildung“ und dem Qualitätsleitbild hat die est den Anspruch ihre Schülerinnen und Schüler optimal auf die Berufs- und Arbeitswelt vorzubereiten. Das Wirken und Handeln bei der Umsetzung des Bildungs- und Erziehungsauftrag wird bestimmt durch eine hohe Fach- und Methodenkompetenz der Lehrkräfte, einem hohen Praxisbezug, zielgenaue pädagogische Konzepte und einer lehr- und lernbezogenen Ausstattung. Durch die Fokussierung der est ausschließlich auf das Berufsfeld Elektrotechnik und der engen Verzahnung von der dualen Ausbildung im Bereich der Elektroniker und der IT-Berufe mit der Fachschule/Technikerschule, hat die est die Möglichkeit, ihre pädagogische Arbeit, beginnend von der Ausbildung über die Weiterbildung, abzustimmen und optimal zu gestalten, so z. B. der Weg über die Berufsfachschule und die Berufsschule zur Technikerschule.
Bereits heute wird die pädagogische Arbeit der est gestützt von einem hohen Praxisbezug und einer intensiven Kooperation und Abstimmung mit der regionalen Wirtschaft (u.a. Ausbilder-Lehrergespräch) und den Kammern (u.a. IHK-Prüfungen, Meisterkurse). Der enge persönliche Kontakt und das gemeinsame Handeln von Vertretern der Betriebe, der Kammern und der est-Kollegen auf den verschiedenen Ebenen der beruflichen Bildung sind in der Region Bodensee-Oberschwaben einzigartig und von einer besonderen Qualität.
Die mit der Digitalisierung der Industrie verbundenen Inhalte und Themen wie Industrie 4.0, Internet der Dinge IoT, Mobilität, Cloud-Computing treffen genau die fachlich-pädagogische Expertise der est mit Ihren Bildungsinhalten der Informations- und Kommunikationstechnik, Informatik, Automatisierungstechnik und Elektrotechnik.

Das pädagogische Konzept basiert auf sogenannten Lernmodulen. Die Lernmodule bilden abgeschlossene fachlich-inhaltliche Einheiten, die in ihrer Summe die iLernfabrik 4.0 ergeben. Lernmodule sind z.B. Transportsystem mit Antriebstechnik, RFID-Technik, SPS-Technik, IT-Sicherheit, MES-System. Für jedes Lernmodul werden entsprechend dem Schülerniveau (Berufsschule, Fachschule, Berufskolleg) angepasste Unterrichtseinheiten neu entwickelt oder bestehende Konzeptionen angepasst.

Die technologischen Entwicklungen durch Industrie 4.0 werden auch Auswirkungen auf die Beschäftigungs- und Arbeitswelt haben, insbesondere auch für die Aus- und Weiterbildung. Die Anforderungen an die Beschäftigten hinsichtlich

• Komplexität
• Problemlöse-Strategien
• Analytischem Denkvermögen
• Lernarrangements
• Flexibilität
• Schnittstellen- und Übersichtswissen
• Systemkenntnissen
• Verknüpfungswissen
• Funktions- und Prozesswissen werden sich erhöhen. Auch die Kompetenz zur Diagnose und Interpretation von Daten und technischen Informationen zur Reparatur und Service gewinnt massiv an Bedeutung. Auch werden Fragen zur IT-Sicherheit und Maschinensicherheit und zum Datenschutz eine größere Rolle einnehmen.

Für die est ergeben sich in diesem Zusammenhang u.a. folgende pädagogische Fragestellungen:

• Wie verändert sich das Anforderungsprofil in den Ausbildungsberufen und in der Weiterbildung?
• Wie können neue Inhalte vermittelt werden?
• Welche Komplexität dürfen die zu vermittelnden Prozesse und Inhalte haben, um den Lernenden gerecht zu werden?
• Ist der Ansatz der Vermittlung von Automatisierungstechnik, elektrotechnischen Inhalten für die IT-affinen Lernenden (z. B. Fachinformatiker, Systemelektroniker) zielführend vor dem Hintergrund Industrie 4.0?
• Ist der Ansatz der Vermittlung von verstärkten IT-Kenntnissen für Elektronikerberufen (z.B. Elektroniker für Automatisierungstechnik, Elektroniker für Geräte und Systeme) zielführend vor dem Hintergrund Industrie 4.0?
• Welche Verzahnungen gibt es zwischen der dualen Ausbildung und der Weiterbildung zum Techniker?
• Welche fachlich-inhaltliche Anpassungen/Änderungen ergeben sich in bestehenden Ausbildungsberufen bzw. in der Weiterbildung?
• Welche didaktisch-methodischen Anpassungen/Änderungen ergeben sich?
• Wie verändern sich Schlüsselqualifikationen der Schülerinnen und Schüler?
• Entstehen neue Ausbildungsberufe?
• Wie müssen die Kollegen auf diese Veränderungen vorbereitet werden?
• Wie gestalten wir zukünftig die Lernortkooperation zwischen Schule und Betrieb?

Die Herausforderung liegt darin, wie zukünftig die Aus- und Weiterbildung vor dem Hintergrund der immensen Komplexität der Prozesse und der vielfältigen fachlichen und persönlichen Anforderungen an den Mitarbeiter gestaltet werden muss. Die est sucht also Antworten auf die pädagogischen Fragen in der Aus- und Weiterbildung im Zusammenhang mit den veränderten Anforderungen und Herausforderungen aufgrund von Industrie 4.0.

Ähnlich wie in der Musterlösung BW wird ein Produkt eingesetzt, das eine Vielzahl von Varianten in der Ausführung ermöglicht. In der I4.0 Anlage werden 2 grundlegende Verpackungseinheiten: Würfel und Dose zusammengestellt. Jede Verpackungseinheit kann mit einem Einlegeteil bestückt werden. Die Verpackungen können ebenfalls individuell zusammengestellt werden. Dadurch ergibt sich eine Anzahl von 36 Varianten, die derzeit gefertigt werden können.

Szenario 1: Produktentwicklung / Produktionsplanung
Der in der Anlage eingesetzte 3D-Drucker wird u.a. für die Herstellung von Sonder-Einlegeteilen für die I4.0 Anlage eingesetzt. Dabei wird das Sonderteil über einen Webshop bestellt und direkt auf dem Drucker, nach Kundenwunsch gefertigt.

Derzeit liegt dabei der Focus auf dem Bereich Produktentwicklung und alternative Fertigungsverfahren. 3D-Konstruktion und die Fertigung von Prototypen und Kleinserien wird in der Fachschule im Wahlpflichtbereich angeboten. Die I4.0 Anlage der est wird kontinuierlich optimiert und verbessert. In diesem laufenden Prozess werden auch konstruktive Änderungen mit Hilfe der vorhandenen Ressourcen im 3D-Druck hergestellt und an der Anlage montiert.

Die Herstellung von Kundenteilen ist aktuell noch nicht realisiert.

Szenario 2: Flexible Fertigung
Unser Aufbau enthält die in der Musterlösung geforderten Komponenten Transportband, Fertigungseinheiten, Identifikationssysteme und vernetzte zugehörige Steuerungssysteme. Die Grundlagenvermittlung erfolgt in der Berufsschule und der Technikerschule gemäß den gültigen Lehrplänen. Im Focus stehen dabei insbesondere Automatisierungstechnik und Robotik. Die Erkenntnisse aus den Grundlagenlaboren werden an der I4.0 Anlage als Basis benötigt, um die Anlagenteile und den Datenaustausch mit dem MES zu verstehen. Dabei können auch die Signale des MES analysiert und selbst manipuliert werden.

Problem:
Wir nutzen die Datenstruktur der Musterlösung. Die in der Musterlösung vorgeschlagene Kommunikation ist aber für Anlagen höherer Komplexität nicht gut geeignet. Aus diesem Grund wird die Datenstruktur in unserer Anlage um Status und Fehlersignale erweitert. Diese werden benötigt, damit das MES immer über den gesamten Zustand der Anlage informiert ist. Somit kann das MES z.B. alternative Entscheidungen treffen, wenn eine Station nicht bereit ist.

Szenario 3: MES
Das MES System wurde von unseren Lehrkräften selbst entwickelt. Es ist dabei auf ein schülergerechtes Minimum reduziert, um die grundlegenden Datenbankstrukturen und Mechanismen zur Steuerung der Anlage einfach und nachvollziehbar zu halten. Die Schnittstelle zwischen MES und SPS ist in der ersten Version über OPC UA realisiert. Die notwendigen Schnittstellen zwischen dem MES und den OPC-UA Servern auf der SPS wurde ebenfalls selbst programmiert. Diese Inhalte sind im Unterricht der Fachschule schon im Unterricht integrativer Bestandteil.

Aktuell laufen Untersuchungen, die Kommunikation an unserer Anlage über MQTT zu realisieren. Dieses Protokoll ist für Analysen besser geeignet, da entsprechende Clients direkt auf mobilen Endgeräten, wie Smartphones und Tablets installiert werden können.

Szenario 4: Service und Instandhaltung
Die Anlage ist in diesem Bereich noch nicht im Unterricht eingebunden. Im Moment wird ein eigenes IOT Netz aufgebaut, das die Daten der Sensorik in einer eigenen Softwarelösung sammelt.

Szenario 5: Energiemanagement
Die Anlage ist in diesem Bereich noch nicht im Unterricht eingebunden. Das Energiemanagement ist zwar hardwaremäßig installiert, es fehlen aber noch die Auswertungssoftware und entsprechende Unterrichtseinheiten.

Szenario 6: Vernetzung / Datensicherheit
Grundlegende Netzwerkkenntnisse werden im Grundlagenlabor vermittelt und vertieft, bevor die Schüler an die Anlage gehen. Das ist Inhalt in der Berufsschule und der Fachschule. In der Anlage sind verschiedene Topologien aufgebaut. Die Vernetzung an unserer I4.0 Anlage ist über VLANs organisiert. Entsprechende Security-Konzepte werden ebenfalls im Grundlagenunterricht untersucht.