Ferdinand-von Steinbeis-Schule Reutlingen

Die Lernfabrik Industrie 4.0 besteht aus vier einzelnen Zellen. Jede Zelle ist eine eigene Maschine. Die Zellen sind konzeptionell identisch aufgebaut, sodass eine  Änderung der Reihenfolge, oder ein Einzelbetrieb ohne Betrachtung des Prozesses, möglich ist. So können die Zellen getrennt oder im Verbund arbeiten.
Die Lernfabrik Industrie 4.0 soll die individuelle Konfiguration eines Produktes (Legoauto) in Losgröße 1 produzieren.  Der Kunde hat die Möglichkeit sein Produkt über ein Webinterface des Herstellers zu konfigurieren (Farbe von Rädern, Chassis und Motorhaube) und in Bestellung zu geben. Aus dieser Bestellung wird ein Auftrag generiert der in der Datenbank erfasst wird. Außerdem bekommt der Kunde eine Auftragsbestätigung an seine E-Mail-Adresse gesendet.
Sobald ein neuer Auftrag zur Verfügung steht und die Lernfabrik bereit ist, startet die Produktion. Zelle 1 bekommt die Information, dass ein neuer Auftrag vorhanden ist und erhält alle wichtigen Auftragsdaten, die für den Produktionsschritt notwendig sind. Hat die Zelle 1 ihren Produktionsschritt abgeschlossen, werden alle relevanten Produktionsdaten in die Datenbank geschrieben. Dabei werden diese Daten dem Produkt und dem Auftrag zugeordnet. Der Werkstückträger (im Folgenden mit WT abgekürzt) mit dem Produkt wird anschließend weiter in die nächste Zelle befördert. Die Zelle 2 besorgt sich nun, mit Hilfe der WT-Nummer, ebenso alle relevanten Daten für den Produktionsschritt. Anschließend werden wiederum die angefallenen Produktionsdaten an die Datenbank zurückgemeldet. Analog geschieht dasselbe Prinzip für den letzten Produktionsschritt in Zelle 3. Abschließend findet in Zelle 4 die Endkontrolle mittels Bildverarbeitungssensorik statt.
Ist die Produktion abgeschlossen, wird ein Lieferschein / eine Rechnung generiert und an den Kunden per Mail zugesendet.
Über den Konfigurator (Webinterface) sind folgende Konfigurationen des Produktes möglich:
Farbe des Chassis: rot, blau oder schwarz
Farbe der Motorhaube: rot, blau oder schwarz
Farbe der Felgen: Gelb, Blau, Weiß (grau)

Jede Zelle bearbeitet einen Produktionsschritt, dabei finden in jeder Zelle folgende Lernfabrikelemente ihren Einsatz:

• Werkzeugträger-Transfer-System der Fa. Zeltwanger
• SPS S7-1516 der Fa. Siemens
• HMI KTP700 der Fa. Siemens

Des Weiteren beinhalten die einzelnen Zellen weiter folgende Elemente:

Zelle 1: Sechs-Achs-Roboter (Mitsubishi Electric RV-2F-1D1-S15)
Zelle 2: XYZ-Handling mit elektrischen Achsen (Eigenbau)
Zelle 3: SCARA-Roboter (Mitsubishi Electric RH-3FH-D)
Zelle 4: XYZ-Handlingssystem mit pneumatischen Achsen (Eigenbau), Cognex In-Sight 2000-130C Bildverarbeitungssensoren

Ein Industrie-PC (IPC) simuliert das Leitsystem (MES) der Lernfabrik. Auf diesem PC ist das Datenbankmanagementsystem (DBMS) MySql 5.6, zur Verwaltung von Produktions- und Auftragsdaten, installiert. Desweiteren, wird über einen installierten Apache Webserver das Webinterface im angeschlossenen lokalen Netzwerk publiziert. Dadurch kann der Konfigurator von jedem Computer oder mobilen Endgerät, unter Eingabe der IP-Adresse des Panel-PCs in einem Webbrowser, aufgerufen werden.

1. Voraussichtliche Nutzung Lernfabrik im Unterricht 200 h /Jahr
2. Zielgruppen   • Folgende Ausbildungsberufe der Metall- und Elektroabteilung: Mechatroniker, Fachinformatiker, Elektroniker für Betriebstechnik, Elektroniker für Geräte- und Systemtechnik • Technisches Gymnasium: Eingangsklasse (TG11), sowie Jahrgangsstufen (TG12, TG13) • Technikerschule (Fachschule für Maschinentechnik, Fachschule für Automatisierungstechnik Fachschule für Elektrotechnik)
3. Auszug aus dem aktuellen Bildungsplan (Beispiel Fachschule für Automatisierungstechnik, Fach: Automatisierungstechnik)
   ...Die Fachschülerinnen und Fachschüler sind in der Lage unterschiedliche automatisierungstechnische Komponenten zu verbinden und ihre Kommunikation herzustellen. Dadurch sind sie in der Lage die Entwicklungen in diesem Bereich zu bewerten und zu übertragen. … …Besonderen Wert ist auf die Vermittlung der steuerungstechnischen Grundlagen sowie auf die Vermittlung an praxisnahen Beispielen zu legen.  Im Bereich der Antriebstechnik ist ein fächerverbindender Ansatz mit dem Fach Mechatronik Handlungseinheit 3 und 4 sinnvoll. […]“
4. Lerninhalte sind

1. Automatisierungssysteme in mechatronische Systeme einbinden und in Betrieb nehmen
2. Antriebssysteme, Intelligente Sensoren
3. SPS-Programmierung Topologien Feldbussysteme Übertragungsmedien Gateway Variablen
4. Robotertechnik (Industrieroboter, IR) Bauarten von IR Programmierung von IR Kenngrößen von IR Systemkomponenten von IR Gefahren im Umgang von IR Greifertechnik
5. Schnittstellenproblematik Produkt übernimmt Prozesssteuerung (z. B. RFID) Profibus / Profinet
6. Fernwartung / Diagnose Möglichkeiten von Fernwartung (Diagnose über Smartphone) Anforderungen an Hard-/ Software
7. Sensortechnik Arten von Sensoren Ausgangssignale von Sensoren Einsatz von Sensoren
8. Bildverarbeitung Arten von Bildverarbeitung Einsatz von Bildverarbeitung in der QS Speicherung von Q-Daten
9. Simulation

Um Einzel-/ Partnerarbeit zu ermöglichen, stehen die einzelnen Zellen auf Rädern und sind somit frei im Raum positionierbar sein (ohne Hubwagen).  Außerdem sind die Module mit definierten Schnittstellen (elektrisch / steuerungstechnisch / mechanisch) ausgestattet sein.

Außerdem stehen 6 CP-Labs (Cyber-Physical-Labor) zur Arbeit in Kleingruppen zur Verfügung.
Transferband bestehend aus

• Band, DC-Antrieb, Stopper- und Identifikationseinheit
• Applikationsmodul (Wenden)

und wird durch jeweils ein Bedienpanel und eine SPS erweitert

Modulare SPS-Programmierung einer CPF (Level 1 Musterlösung BW):
Die Umsetzung erfolgt beispielhaft in der Programmierung von bibliotheksfähigen Modulbausteinen, welche an den CP-Labs geprüft und in Betrieb genommen werden.

Identifikationssysteme – RFID, QR, NFC (Level 2 Musterlösung BW):
Die Werkzeugträgeridentifikation am CP-Lab beleuchtet auf einfache Weise die Verarbeitung der Binärcodierung bis hin zur Transponderkommunikation (RFID).

MES - Funktionen, Datenstrukturen, Umsetzung (Level 3 Musterlösung BW):
Für eine flexible Werkstückfertigung entsprechend SOA (service-orientierte-Architektur)  werden die Fertigungsdaten des entsprechenden identifizierten Werkstücks in der SPS der Bearbeitungsstation abgelegt.
Hierbei wird zunächst ein einfaches MES (MES-Basic) verwendet, um die grundsätzliche SPS-Kommunikation mit einem (Datenbank-basiertem) MES zu erläutern. Dies erfolgt in folgenden Lernschritten:

• MES-Basic mit einem Datensatz
• MES-Basic mit einem Workflow
• Einsatz eines professionellen MES

Alle diese Lernschritte werden auf die Umsetzung an der Lernfabrik bezogen.