Lehr- und Lerninhalte erklärt

Wir freuen uns, Ihnen diverse Lehr- und Lerninhalte, die an der Fakultät TP ihre Anwendung finden, im Folgenden näher zu erläutern. Falls noch weitergehende Fragen aufkommen, wenden Sie sich gerne an die aufgezeigte Ansprechperson.

IDEA-Box: Industrial Digitalization in Education of Automation

Nutzung in den folgenden Vorlesungen
  • Steuerungs- und Automatisierungstechnik
  • Regelungstechnik
  • Industr. Digitalisierung
  • Digitalisierungslabor
Beschreibung

Täglich taucht der Begriff „Digitalisierung“ in den Medien auf. Politiker machen darauf aufmerksam, dass bei der Digitalisierung in den vergangenen Jahren Versäumnisse und Fehler gemacht worden sind und zukünftig in diesen Bereich mehr investiert und „gemacht“ werden muss. Aber was bedeutet eigentlich Digitalisierung?

Auch wenn eine allgemeine bzw. branchenübergreifende Definition bis heute fehlt, darf die Digitalisierung allgemein als Vorgang der Umwandlung oder Abbildung von Informationen der realen Welt in technischen Systemen oder Geräten (z.B. Computer, Steuerungen, Mikroprozessoren, Smart Devices…) interpretiert werden. Das bedeutet auch, dass beispielsweise das Abfotografieren eines Schriftstückes oder einer Zeichnung mit dem Handy einem Digitalisierungsvorgang im engeren Sinne entspricht. Speziell mit dem zuvor genannten Beispiel darf die Frage aufkommen, wieso muss hier mehr investiert und gemacht werden, digitalisieren kann doch jeder!?

Digitalisierung bedeutet in weiterer Sicht, dass nicht nur Informationen, sondern auch ganze Prozesse digitalisiert werden. Speziell im produktionstechnischen Umfeld spielt die industrielle Digitalisierung eine immer entscheidendere Rolle. Die Nutzung der industriellen Digitalisierung wird auch als Industrie 4.0 bezeichnet und hierbei wird das Ziel der vollständig vernetzten Fabrik verfolgt. Das bedeutet, dass sämtliche Produktionsanlagen und Produktionsprozesse nicht nur miteinander kommunizieren und Daten austauschen, sondern, dass diese auch über das Internet auf Dienste zugreifen und beispielsweise mit den Auftraggebern „in Austausch“ stehen. Die Produktion soll individueller, flexibler und schneller ablaufen. Die Maschinen und Anlagen werden mit Cyber-Physischen-Systemen (CPS) intelligent automatisiert und dadurch in Echtzeit anpassungsfähig sein. Neue digitale Technologien machen die Produktion „transparenter“ und somit lässt sich beispielsweise durch Augmented Reality eine sprichwörtliche „erweiterte Realität“ für uns Menschen wahrnehmen. Mit Datenbrillen oder Smart Devices können neben der Realität digitale Produktionsdaten in unserem Blickfeld sichtbar gemacht werden, wir sehen also mehr als ohne diese „Hilfsmittel“. Aber auch im Entwicklungsprozess von Produktionsmaschinen kann die Digitalisierung Zeit und Kosten einsparen. Ein digitaler Zwilling stellt das digitale Abbild einer Maschine oder Anlage dar. Durch die virtuelle Inbetriebnahme des digitalen Zwillings können Entwicklungsschritte vorgezogen und Bearbeitungsschritte parallelisiert werden, was Zeit und Kosten einspart.

Wir benötigen die industrielle Digitalisierung, damit der Produktionsstandort Deutschland global betrachtet wettbewerbsfähig bleibt.

Die industrielle Digitalisierung lässt die Automatisierungstechnik mit der Informationstechnik verschmelzen, sodass die Schnittmenge dieser Bereiche immer größer wird. Mit Hilfe der IDEA-Box soll genau diese Schnittmenge für die Lehre abgedeckt werden können. Die IDEA-Box besitzt ein Volumen von ca. 9 l und beinhaltet neben einem Industrie-PC, einen Einplatinen-Computer und verschiedene industrielle Komponenten mit denen Informationen aus der realen Welt „gewonnen“ bzw. digitalisiert werden können.

Nachfolgend ein industrienaher Anwendungsfall für die IDEA-Box: Sensoren sind die Sinnesorgane der Automatisierungstechnik und mit Hilfe der IDEA-Box können unterschiedlichste Sensoren und somit physikalische Größen erfasst werden. Die daraus resultierenden Daten werden kommuniziert und in einer Zeitreihen-Datenbank abgespeichert, bevor sie in Echtzeit analysiert und/oder visuell als Informationen in den unterschiedlichsten Darstellungsformen wiedergeben werden können. Mit diesem Anwendungsfall kann gezeigt und auch praxisnah gelehrt werden, wie die Bereiche Sensor- und Messtechnik, Steuerungs- und Kommunikationstechnik sowie die Informationstechnik „überlappend“ ineinander übergehen. Außerdem bieten die verschiedenen Visualisierungsmöglichkeiten kreativen Spielraum für Personen mit Designaffinität und technischem Know-How, also Fähigkeiten die es ermöglichen eine hochkomplexe Maschine auf dem Mensch-Maschine-Interface (z.B. Touchdisplay, Tablet oder Datenbrille) „einfach“ aussehen zu lassen.

Ein technischer Prozess wird meistens durch Motoren (Aktoren) beeinflusst und demnach verändert. Daher lassen sich neben einem Synchronmotor auch Gleichstrom- und Schrittmotoren mit der IDEA-Box in Betrieb nehmen. Verschiedene Schnittstellen und Steckplätze ermöglichen die Anbindung und Vernetzung von eigenen Entwicklungen, z.B. mit Mikrocontrollern. Damit können CPS-Konzepte nicht nur erklärt, sondern von den Studierenden auch realisiert werden. Der Industrie-PC übernimmt neben der Steuerungseinheit noch weitere Aufgaben, z.B. ein digitaler Zwilling, der virtuell in Betrieb genommen werden kann.

Im Sinne einer vollständig vernetzten Fabrik können die 16 IDEA-Boxen untereinander vernetzt und über das Internet bis in eine Cloud kommunizieren. Die modulare Bauweise ermöglicht den Einsatz weiterer (Lehr-) Einheiten, so lassen sich beispielsweise beide Module im „Deckel“ der Box durch Neuentwicklungen im Laufe der Zeit einfach austauschen.

Durch das Arbeiten mit der IDEA-Box lernen die Studierenden nicht nur die unterschiedlichen Technologien und Konzepte der industriellen Digitalisierung, sie entwickeln vor allem ein Bewusstsein, wie wichtig die Erfassung und der Umgang mit Daten ist. Letztendlich stützt sich nämlich die Digitalisierung auf folgende fünf Säulen: Datenerfassung, Datenkommunikation, Datenverarbeitung, Datenbereitstellung und Datennutzung.

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