Zentralgewerbeschule Buchen

Abbildung der Lernfabrik

Aufbau der Lernfabrik

Technologieschema

Im Zuge der Förderung der Lernfabrik 4.0 an der Zentralgewerbeschule Buchen wurde ein Grundlagenlabor und ein verkettetes Maschinensystem mit berufsspezifischen Schwerpunkten (Anwendungslabor) aufgebaut.

Das Grundlagenlabor an der ZGB ist für die Belegung mit maximal 16 SuS vorgesehen und wird deshalb achtfach mit dem „Einzelarbeitsplatz I 4.0“ von Festo Didactic SE ausgestattet. Dieser beinhaltet eine aktuelle SPS Steuerung des Typs Siemens SIMATIC S7-1500 und die Applikationsmodule "Stapelmagazin", "Pressen", "Bohren" und „Wenden“, an denen die Grundlagen der Steuerungstechnik bis hin zu grundlegenden Industrie 4.0 Themen bearbeitet werden. Die Applikationsmodule sind durchgängig vom Grundlagenlabor bis zum verketteten Maschinensystem nutzbar.

Das verkettete Maschinensystem besteht aus einem Hochregallager zur Ein- und Auslagerung der Werkstücke. Die fertigungstechnischen Lerninhalte werden durch das Applikationsmodul Bohren sowie die CNC-Technik mit CAD/CAM-Kopplung durch das flexible Fertigungssystem abgedeckt. Für die Lerninhalte des Energiemanagements wurde das Applikationsmodul „Tunnelofen“ angeschafft und mit einem Energiemonitoring für den Ofen und die Gesamtanlage ausgestattet. Die Software „EiSLab“ ermöglicht die Einbettung der Lernfabrik 4.0 in eine Smart Grid Simulation und zeigt den Zusammenhang zwischen Verbrauchern, Speichern und Energieerzeugern. Qualitätstechnik wird mit dem Applikationsmodul „Kamerainspektion“ sowie der Einbindung einer vorhandenen Messmaschine über den auto-nomen Transportroboter „Robotino“ abgedeckt. Der „Robotino“ dient zum Erlernen der objektorientierten Programmierung. Es werden zwei Grundmodule („Gerade“) benötigt, die vier Applikationsmodule aufnehmen können.

Hardwarekomponenten

Grundlagenlabor der Firma Festo Didactic SE:
Acht CPLab-Module mit den Applikationen "Stapelmagazin", "Pressen", "Bohren" und "Wenden". Erweiterung der CPLab-Module mit elektropneumatischen Komponenten wie Pneumatische Zylinder, Wegeventile elektromagnetisch betätigt, optische, kapazitive, induktive und magnetische Sensoren, Druckventile und anderen Komponenten, welche die SuS am Steckbrett zu einer Funktionseinheit selbstständig zusammenbauen und mit einer SPS ansteuern können.

Anwendungslabor der Firma Festo Didactic SE:
Ein Hochregallager zur Ein- und Auslagerung von Werkstücken, für die Werkstückfertigung eine CNC-Bearbeitungsstation mit automatischer Roboterbeladung und eine Station Bohren, eine Robotermontagestation, eine Kamerainspektion, um die Lage von Werkstücken und derer Qualitätsfehler zu untersuchen, eine Station Wenden, um Werkstücke drehen zu können, einen Tunnelofen, um im Bereich Energiemanagement ein Energiemonitoring für den Ofen und die Gesamtanlage durchführen zu können.

Verwendete Software

Als MES-Software wird das didaktische System MES4 von Festo Didactic eingesetzt.
Die SPS-Steuerungen und die HMI-Touchpanels werden mit TIA-Portal von Siemens programmiert.
Eislab von Festo Didactic wird für das Energiemonitoring verwendet.
Einsatz von Ciros von Festo Didactic, um die Roboter zu programmieren und die Lernfabrik 4.0 im Teil- bzw. auch Gesamtprozess zu simulieren.
i4SCADA von WEBFactory zur responsiven Web-Visualisierung der Anlage am PC, Tablet oder Smartphone.
FluidSim von Festo Didactic zum Simulieren von einfachen pneumatischen Schaltungen, welche mit einer SPS angesteuert werden.

Pädagogisches Konzept

Die Lernfabrik 4.0 wird primär in der dualen Ausbildung, in beruflichen Vollzeitschulen sowie der beruflichen Weiterbildung genutzt. Sie steht außerdem über den Förderverein der ZGB für Industrie 4.0 Kurse externen Interessenten zur Verfügung. So werden die Leitgedanken von Industrie 4.0 über die Auszubildenden, die Absolventen der weiterführenden Schulen sowie die Teilnehmer aus Schulungskursen für die Firmen in die Betriebe getragen. Nicht nur die Schüler, sondern auch Lehrer profitieren von der Lernfabrik, wenn regionale Lehrerfortbildungen für alle Schularten stattfinden. Als eine in Kooperation mit der Gewerbeschule Mosbach entworfenen Unterrichtseinheit zum Manufacturing Execution System (MES) können die SuS und Teilnehmer von Schulungskursen den Grundgedanken von MES selbständig an der Lernfabrik erlernen und eigene Workplans zur automatisierten I4.0-Fertigung planen, erstellen und ausführen. Zudem können die Lernenden durch das Durchführen von Arbeitsaufträgen an der Lernfabrik die Kommunikation zwischen einer SPS und dem übergeordneten MES handlungsorientiert erlernen. Am Ende haben die Teilnehmer dieser Unterrichtseinheit einen fundierten Überblick über die Funktionen und Zusammenhänge der Datenkommunikation verketteter Maschinen (SPS-Steuerung) und der MES-Software als übergeordnete und globale Auftragssteuereinheit.

Die Lernfabrik 4.0 wird interessierten Unternehmen zur Evaluierung von Industrie 4.0 Prozessen z.B. im Rahmen von Technikerarbeiten angeboten. Ebenso kann sie bei der Themenvergabe in Studien- und Bachelorarbeiten der DHBW Mosbach einbezogen werden.

In Verbindung mit der ÜAB Buchen kann die Lernfabrik in der Weiterqualifizierung zur „IHK-Fachkraft SPS-Technik“ genutzt werden.

Die ZGB kooperiert mit der IHK, die als Veranstalter des „Technikforums Industrie 4.0“ als Schnittstelle zu den Unternehmen des NOK agiert. Die DHBW stellt Personen mit fachlicher Expertise für das Projekt zur Verfügung.

Die Schulen kooperieren mit den Firmen MPDV Mikrolab und WebFactory, um den Schülerinnen und Schülern die jeweilige Produktidee der beiden Firmen und den damit verbundenen Industrie 4.0 Leitgedanken näher zu bringen.

Konkrete Umsetzung der Musterlösung-BW

Die Musterlösung-BW dient im Zuge der Anpassung der Rahmenlehrpläne im Fachbereich der Elektroniker als Vorlage für die systematische Herangehensweise im Bereich der SPS Programmierung. In Anlehnung an die "Technischen Richtlinien für Unterricht und Prüfung" wurde in der Musterlösung BW neben einer "Coding Guideline" vor allem die Bausteinstruktur genau definiert. Ziel ist es, den SuS Sinn und Zweck einer bibliotheksfähigen Bausteinprogrammierung näher zu bringen und sie so auf die Aufgaben in der Industrie zukunftsorientiert vorzubereiten. Neben der eigentlichen Bausteinprogrammierung von z.B. wiederverwendbaren Schrittketten- oder Zylinderansteuerungsbausteinen, sogenannte Aktorbausteine, geht es auch um Industrie 4.0 relevante Themen wie Identifikation von Bauteilen und Kommunikation mit einem übergeordneten MES. Dies wird in verschiedenen Levels mit den SuS step by step gemäß der Vorgaben in den Technischen Richtlinien programmiert. Die CPLabs im Grundlagenlabor und die CPFactory im Anwendungslabor bieten hierbei eine ideale Hardwarestruktur, um diese Programmierung praxinah auszuführen und zu testen. Die Ergebnisse und gewonnenen Erfahrungen können mit den SuS gemeinsam diskutiert werden.

Schularten/Ausbildungsberufe, bei denen die Lernfabrik zum Einsatz kommt

Fachschule für Technik, Maschinentechnik (FTM)
Technisches Gymnasium (TGM, TGTM, TGI)
Berufsschule:

  • Elektroniker/in für Betriebstechnik
  • Industriemechaniker/in / Feinwerkmechaniker/in
  • Technische Produktdesigner/in
  • Werkzeugmechaniker/in
  • Fachinformatiker/in

Kooperation mit anderen Standorten

Gewerbeschule Mosbach
DHBW Mosbach

Beschreibung der Kooperation

Die beiden gewerblichen Schulen im Neckar-Odenwald-Kreis (NOK), die Gewerbeschule Mosbach (GSM) und die Zentralgewerbeschule Buchen (ZGB), sowie die Duale Hochschule Baden-Württemberg Standort Mosbach (DHBW) haben sich zum Aufbau einer kooperationsübergreifenden Lernfabrik 4.0 zusammengeschlossen.

Die Kompetenzen der drei Kooperationspartner werden unter Experience – Exploration – Education zusammengefasst. „Experience“ steht für die Erfahrung der beteiligten Schulen und Hochschule als kompetente Ansprechpartner für die örtliche Industrie. „Exploration“ beschreibt die Möglichkeit, Industrie 4.0 Prozesse in der Lernfabrik zu simulieren. Alle drei Partner besitzen langjährige Erfahrung in sämtlichen Bereichen der Aus- und Weiterbildung – „Education“.

Im Kooperationsprojekt bringen die gewerblichen Schulen ihre fachliche Spezialisierung entsprechend den Bildungsplänen der jeweiligen Ausbildungsberufe: die GSM auf Montage, Handling und mechatronische Systeme, die ZGB auf Fertigung (CNC), Qualitätstechnik und Energiemanagement mit ein. Gemeinsame Inhalte sind die Steuerungstechnik (SPS) und die Informationstechnik. Die unterschiedlichen Schwerpunkte an verschiedenen Orten ergeben die Struktur einer verteilten Produktion, wie sie im Industrie 4.0 Umfeld vorkommt. Die DHBW übernimmt die Logistik, die Anpassung und Bereitstellung von Schnittstellen zur Vernetzung der drei Standorte. Während die gewerblichen Schulen im Bereich der Ausbildung agieren, bringt sich die DHBW durch Forschung und Logistik ein.

Die Lernfabrik als außerschulisches Demonstrationszentrum

Kursangebot des Fördervereins der ZGB:
Lernfabrik 4.0 - Speicherprogrammierbare Steuerungen mit Siemens TIA-Portal.

Im Zuge der Digitalisierung und Industrie 4.0 wandeln sich die Kompetenzanforderungen an Fachkräfte. Mit der Lernfabrik 4.0 betreibt die ZGB in Laborgröße eine Fabrik der Zukunft, mit allem, was dazugehört. Didaktisch-methodische Hilfsmittel und Visualisierungen machen die komplexen Abläufe verständlich.

Angedacht sind weitere Kurse in den Themenbereichen:
Additive Fertigungsverfahren, Netzwerk und Sicherheit, TIA-Portal: HMI-Programmierung, responsive Prozessvisualisierung in Zusammenarbeit mit der Fa. WEBfactory GmbH in Buchen und Kommunikation zwischen SPS-MES-SCADA-Cloudspeicher.

Zukünftig sollen weitere Kooperationspartner aus Industrie und Wirtschaft gewonnen werden. Mittelfristig wird die Zusammenarbeit mit einer kaufmännischen Schule angestrebt.

Die Frankenlandschule Walldürn ist ein geeigneter Partner, da bei der Ausbildung der Berufe IT-Fachinformatiker (Anwendungsentwicklung und Systemintegration) und Informatikkaufmann/-frau bereits eine Kooperation mit der ZGB besteht. Durch Einbindung der Informatikkaufleute erschließt sich die Lernfabrik eine weitere Berufsgruppe und beleuchtet die betriebswirtschaftliche Seite von Industrie 4.0. Im Zuge dieser Zusammenarbeit sind die Prüfung der Relevanz und der Einsatzmöglichkeiten der Lernfabrik 4.0 für weitere kaufmännische Berufe sinnvoll.

Weitere Hinweise

Die Lernfabrik 4.0 an der ZGB wurde ursprünglich mit einem Standard-Produkt "Handyschale" von Festo didactic ausgeliefert. Für die Lehrkräfte war es eine Herausforderung ein eigenes Produkt, ein Utensilienhalter für Bleistift und Taschenlampe in unterschiedlichen Farben in der CPFactory fertigen zu lassen. Dazu musste die MES-Software mit weiteren Workplans und Operationen erweitert werden. Die SPS-Software und die Roboter-Programme mussten entsprechend angepasst werden. Damit eine Bestellung auch über das Internet erfolgen kann, wurde von einer Lehrkraft an der ZGB ein Webshop erstellt. Über den Webshop kann man verschiedene Produkte wie den Utensilienhalter mit individuell gewünschten Fertigungsparametern wie Farbe, Nutgrößen oder Namensinitialen über das Internet bestellen und über die Industrie 4.0-Anlage automatisch produzieren lassen.

Die Lernfabrik wird von den beteiligten Lehrkräften ständig weiterentwickelt.

Beispielsweise möchte man im Bereich Künstliche Intelligenz (KI) sich Fachwissen aneignen, an einer weiteren Ausschreibung für eine Erweiterung zu KI des Ministeriums für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württemberg teilnehmen und das entsprechende Fachwissen an Schülerinnen und Schüler sowie Teilnehmern von Fortbildungen der Wirtschaft weitergeben.

Die Inbetriebnahme der Lernfabrik erfolgte am 29.06.2016
Der Aufbau der Lernfabrik wurde durch das Wirtschaftsministerium (Förderaufruf 2015) gefördert.

Kontakt:
Zentralgewerbeschule Buchen
Karl-Tschamber-Str. 1
74722 Buchen
www.zgb-buchen.de

Ansprechperson:
Trabold, Martin

Homepage der Lernfabrik/Kooperation
www.zgb-buchen.de/lernfabrik.html