Labor Automatisierungstechnik + Robotik - wolfram … · Automation, Robotik, Mechatronik Design ,...

2016-Oct-21 | Prof. Dr. W. Stanek: Lab Automatisierungstechnik + Robotik, HSK > Aktuelle Technik + Innovationen Seite 1 |top|

Labor Automatisierungstechnik + Robotik

HS Koblenz, FB IW E+I, Master Systemtechnik

IP ATR Advisor Prof. Dr.-Ing. Wolfram Stanek Laboringenieur Dipl.-Ing. (FH) Florian Halfmann

Aktuelle Technik + Innovationen

ATR-Lab electrical + mechanical + chemical ENGINEERING + IT

Spektrum + Entwicklungen ATR-Lab 2016

Produktions- & Verfahrenstechnik

Automation, Robotik, Mechatronik Design

Eco Green Tech, Industrie 4.0 Komponenten

Inhaltsverzeichnis

Kap THEMATIK Seite

1. Kurz-Überblick Master ATR-Lab C012 + BA AT-Lab C013 ………………………… 2

2. Kurzportrait: HS Koblenz und Lab „Automatisierungstechnik + Robotik“ C012 …… 3

3. Industrie 4.0 – Vorgaben für 4. Industrie-Revolution – Fokus im ATR-Lab ……..... 4

4. Support, ATR-Labor auf Stand der Technik zu bringen und zu halten ……………. 5

5. Überblick ATR-Lab: Automation, Robotik, Mechatronik > E +Mech +Chemietechnik 7

6. Details ATR-Lab: Virtual Reality Robot 3D-Online-Offline Simulation & Control .… 10

7. Details ATR-Lab: Spektrum Mechatronik-Design – Power in Magnetics ………….. 12

8. Details ATR-Lab: Projekt „2-to Portalkran – Upgrade zum Portalroboter“ ……….…. 13

9. Details ATR-Lab: Projektmanagement Engineering, Soft Skills ……………………. 16

10. Details ATR-Lab: SIMOTION Control – Synchronisierte Mehr-Achsen-Regelung .. 17

11. Details ATR-Lab: IBM Scara Roboter 7576 – flexible Fertigungszelle …………….. 17

12. Details ATR-Lab: HMI-TIA-Sortier- und Förderanlage – Bandförderer ……………. 18

13. ATR-CIM-Verbund: HMI-TIA-RFID-Kombianlage: 4 Transport-Units + 2 Roboter .. 19

14. ATR-Lab: Chemische Verfahrenstechnik > Destillation – Rektifikationsanlage …... 22

15. Résumé & Ausblick: Eco Industrie 4.0 – Realisierungen im ATR-Labor …………... 25

http://www.wolfram-stanek.de/stanek.html

http://www.wolfram-stanek.de

http://www.wolfram-stanek.de/atlabor.htm


1. Kurz-Überblick Master ATR-Lab C012 + BA AT-Lab C013

Das Labor „Automatisierungstechnik und Robotik“ ATR in Halle C012 der Hochschule Koblenz HSK, FB

IW, E+I beinhaltet aktuelle HW & SW Automatisierungssysteme und diverse Roboter im Spektrum „electrical

+ mechanical + chemical Engineering“. Das Lab ATR wird neben hochschulinterner F&E, Aus- & Weiter-

bildung als PR Demonstrationslabor für Hochschulinformationstage, Pressekonferenzen, Medienspektrum

und für diverse Publikationen genutzt. Das ATR-Lab wurde als exemplarisches Labor sowohl für den Image-

Film der IT-Stadt Koblenz „Wirtschaft & Verkehr“ 2012 als auch für das VDE Jahrbuch „Arbeitsmarkt –

Elektrotechnik + IT“ 2013/2014 ausgewählt. In einer Serie von kreativen HSK Master- & auch BA-Projekten

in Kooperation mit v.a. Siemens, B&R, ThyssenKrupp und Festo wurden weitere Industrie-4.0-Komponenten

bis heute (Oktober 2016) im Lab installiert, optimiert und neu entwickelt. Realisierte F&E Industrie-4.0-

Schwerpunkte im ATR-Lab: 3D-virtual Reality Online/Offline Roboter, Siemens TIA-HMI-RFID-OPC

vernetzte Vollautomatisierung für Produktions- & Verfahrenstechnik, 3D-Printed Roboter, GreenTech

Anwendungen, komplexe Mechatronik-Auslegung bis hin zu B&R Automation HMI basiertes „Upgrade 2-to

Portalkran zu TTT-R-Portalroboter“. ATR-Lab C012 Kurzüberblick in Bild 1.1 & 1.2; AT-Lab C013 Bild 1.3

Abb. 1.1: Rundgang Master (MA) Labor „ Automatisierungstechnik + Robotik“ C 012 – Part 1

Abb. 1.2: Rundgang Master (MA) Labor „ Automatisierungstechnik + Robotik“ C 012 – Part 2

BA-Studierende durchlaufen im Rahmen der Vorlesung Automatisierungstechnik ein separates Praktikum-

Labor (Nachbar-Raum C013) mit kleinen SPS-TIA-HMI Einheiten (Bild 1.3) bei Prof. Ross.

Abb. 1.3: Ansicht Bachelor (BA) Praktikumslabor „ Automatisierungstechnik“ C 01


2. Kurzportrait: HS Koblenz und Lab „Automatisierungstechnik+Robotik“ C012

Die Hochschule Koblenz mit den drei Standorten Koblenz, Remagen und Höhr-Grenzhausen hat ihre Wurzeln

in einer renommierten Ingenieurschule. Kurze Ausbildungszeiten und die große Praxisnähe machen ein

Studium an der Hochschule Koblenz besonders attraktiv. Zurzeit studieren hier rund 8.000 junge Frauen und

Männer aus Deutschland und dem Ausland; Anfang 2013 insgesamt 660 ausländische Studierende aus 88

Ländern weltweit. Das Spektrum diverser Studiengänge umfasst technische Fachrichtungen wie

Elektrotechnik, Maschinenbau, Bauwesen, Architektur, Medizintechnik etc sowie wirtschafts- und

sozialwissenschaftliche Studiengänge, ergänzt durch Studienmöglichkeiten für Kunst. Die Hochschule

Koblenz arbeitet mit Unternehmen und Institutionen regional wie international eng zusammen.

Kooperationsabkommen mit etwa 120 Hochschulen in ganz Europa und Übersee ermöglichen einen

internationalen Austausch von Lehrenden und Studierenden. Web Portal der Hochschule Koblenz

www.hs-koblenz.de

Die Stadt Koblenz belegt im Ranking des IT-Wachstums bundesweit den zweiten Platz. Sie hat sich in den

vergangenen 10 Jahren zu einem namhaften Hochschulstandort für Forschung und Lehre auch im Bereich

Informatik, Informationsmanagement, Informationstechnik und Computervisualistik entwickelt. Für den, von

der Stadt Koblenz, Wirtschaft und Verkehr, erstellten Imagefilm über die IT-Stadt Koblenz und die Region

Mittelrhein wurden 2010/2012 Global Player Firmen, Hochschulen, Forschungs- und

Entwicklungseinrichtungen und Institutionen der öffentlichen Hand in diesem Einzugsgebiet recherchiert und

vorgestellt. Ein IT-Expertengremium der Stadt Koblenz entschied sich gemeinsam mit der Filmgesellschaft

nandoo.tv, von regionalen Hochschulen die Universität Koblenz-Landau und die Hochschule Koblenz für

diesen Imagefilm zu berücksichtigen. Als Werbe-Repräsentant für die Hochschule Koblenz wurde in diesem

IT-Imagefilm das Labor „Automatisierungstechnik und Robotik“ mit einigen Szenen zu visualisierter

Automatisierungstechnik, innovativer Mechatronik und mehreren Roboter-Entwicklungen ausgewählt.

Imagefilm mit Auszügen aus HSK Labor „Automatisierungstechnik und Robotik“ (Stand: 2010):

www.koblenz.de/wirtschaft_verkehr/wirtschaftsstruktur_it-standort.html

Überblick und Details der Hochschule Koblenz, RheinMoselCampus mit 3D-Rundgang durch das

Labor „Automatisierungstechnik und Robotik“ (Präsentation HS Koblenz, Stand Oktober 2012):

Virtueller Rundgang RheinMoselCamus Koblenz

Das Labor „Automatisierungstechnik und Robotik“ wurde von Prof. Stanek in den neunziger Jahren gegründet

und im Rahmen des erstmalig in Deutschland installierten BerufsIntegrierenden Studiums Elektrotechnik

BIS-E an der damaligen FH Rheinland-Pfalz finanziell und personell exzessiv von Landes- und

Bundesministerien sowie Bund-Länder-Kommission BLK 89/23 gefördert. Als damaliger BIS-Projektleiter

nutzte Prof. Stanek aus den eingeworbenen BIS Mitteln (3.4 Mio DM und 10 BIS-Stellen), ca. 25% personell

wie finanziell für. SW- & HW-Entwicklungen im ATR-Labor und zusätzlich modellversuchsorientiert für die

Integration von Computern in der Lehre & Praktika in allen Fachgebieten des Grund- und Hauptstudiums der

Fakultät Elektrotechnik. Die damaligen enormen BIS-Mittel waren in der 5-jährigen Laufzeit des ersten

Modellstudiums BIS-E der Hauptschub für das Labor ATR bis Anfang 2000. Aufgrund der rasanten

Entwicklung in der Technik bzgl. HW, SW und neuen Betriebssystemen entstand sowohl für die folgenden

Regelstudiengänge BIS-E (und assoziiertes Vollzeitstudium) aufgrund der Mittelknappheit im

Hochschulwesen ein (nur scheinbar) großes Problem, das ATR Labor auf einem aktuellen Stand zu halten

oder zu erweitern. Vor allem aufgrund diverser Kooperationen primär mit Siemens, B&R Automation,

ThyssenKrupp Magnettechnik, FESTO etc und hervorragenden Thesis-Arbeiten & Projektarbeiten von

Bachelor- und Masterstudenten konnten bis heute 2016 dennoch aktuellste Hardware- und Software-Upgrades

im „Labor Automatisierungstechnik und Robotik“ sowie innovative F&E-Projekte weiterhin realisiert

werden. Beste Möglichkeiten, ein Labor auf den Stand der Technik zu bringen und zu halten, werden im

Kapitel 4 beschrieben. Die heute industriellen Forderungen für total vernetzte Automatisierungstechnik,

Robotik, Mechatronik, virtual Reality, Cyber Physical Systems etc auf der Basis von intelligenter

Informationstechnologie bis hin zu selbstlernenden Fabriken werden durch Forderungen, Zielsetzungen und

Visionen der vierten Industrie Revolution Industrie 4.0 geprägt und in Kapitel 3 kurz skizziert.

http://www.koblenz.de/wirtschaft_verkehr/wirtschaftsstruktur_it-standort.html

http://3drundgang.hs-koblenz.de/RheinMoselCampus/

http://www.hs-koblenz.de/




3. Industrie 4.0 – Vorgaben für 4. Industrie-Revolution – Fokus im ATR-Lab: Das ATR-Lab berücksichtigt in vielen Aspekten zentrale Komponenten, Systeme, virtual Reality, 3D-Printing,

innovative Mechatronik, Robotik & total vernetzte Automatisierungsforderungen der Industrie 4.0. Die

Erfüllung dieser interdisziplinären komplexen Vorgaben ist eine wichtige Voraussetzung, dass Wirtschaft und

Hochschulen international konkurrenzfähig sind, sich an High Tech Innovationen beteiligen, sich auf dem

Stand der Technik halten zu können – und um nicht irreparabel abgehängt zu werden. Die Realisierung von

Industrie 4.0 basiert auf komplexen, dynamischen Prozessen, mit bisherigen Industrie-Revolutionen 1+2+3

verzahnt. In Bildern 1.1, 1.2, 1.3 sind wichtigste Forderungen & Visionen von Industrie 4.0 skizziert. Aufgrund

der globalen Erwärmung sowie immer knapper werdenden konventionellen Energie-Resourcen ist die perfekte

Industrie 4.0 Automatisierung ohne Berücksichtigung von Green Tech eine nicht zu erfüllende Vision.

Deshalb werden im ATR-Lab auch GreenTech-System-Auslegungen & Anwendungen berücksichtigt.

Abb. 3.1: Industrie 4.0 – Überblick zentrale Visionen & Forderungen für High Tech Innovationen

Abb. 3.2: Industrie 4.0 – Zentrale Forderungen Abb. 3.3: Automation 4.0 – Physik-Spektrum + IT


4. Support, ATR-Labor auf Stand der Technik zu bringen und zu halten

Viele Hochschulen haben in der Regel mit finanziellen Restriktionen zu kämpfen, um ein komplexes Labor

„Automatisierungstechnik und Robotik“ mit interdisziplinären Automatisierungseinheiten für „electrical +

mechanical + chemical Engineering“ und Robotern auf einen aktuellen Stand der Technik zu bringen.

Zweitens ist es schwierig – aufgrund finanziell eingeschränkter Randbedingungen an Hochschulen – einen

erreichten Stand der Technik zu halten. Drittens ist es aufgrund personell zahlenmäßig eingeschränkten

Mittelbaus zeitaufwändig, komplexe Laboreinheiten regelmäßig zu warten, zu optimieren, auf neue Betriebs-

systeme umzurüsten. Viertens ist es ein hoher Anspruch, innovative Ideen für komplexe Laboreinheiten und

neue Softwaresysteme zeitnah zu entwickeln und praxisgerecht für Uni &Wirtschaft zu realisieren.

Es gibt jedoch ein Spektrum von Möglichkeiten, diese skizzierten Probleme zu umgehen. Der erste Schritt ist,

dass man eine sinnvolle und finanziell machbare Auswahl von Automatisierungseinheiten und Robotik für

Produktionstechnik und Verfahrenstechnik trifft und flexibel dem Wandel der Technik anpasst. Auf der

Grundlage hochschulinterner Grund- und Neuausstattungsmittel für Basis-Hardware und Software erreichte

das Labor „Automatisierungstechnik und Robotik“ in diversen Entwicklungsabschnitten durch zusätzliche

finanzielle wie personelle Unterstützungen einen quantitativ und qualitativ anerkannt High Tech Stand 2016:

Übergeordnete F&E-Projektmittel von Bund und Land, BLK (finanziell und personell): Das Labor

„Automatisierungstechnik und Robotik“ ATR erfuhr in den 90-er Jahren personell und finanziell den größten

Anschub durch das, in Deutschland erstmalig installierte „BerufsIntegrierende Studium BIS Elektrotechnik“

an der HS Koblenz. Durch den, von Bund und Land Rheinland-Pfalz sowie Bund-Länder-Kommission (BLK-

Nr. 89/23) geförderten Antrag des damaligen BIS-Projektleiters Prof. Stanek, konnten für alle BIS-

Fachgebiete 3,4 Mio DM / 1.7 Millionen Euro, 4 Assistenten, 4 Professoren und 2 Sekretärinnen eingeworben

werden. Neben Aktualisierung zentraler Hard- & Software auf damaligen Stand der Technik, wurden aus BIS-

Mitteln 4 BIS-Assistenten & 1 BIS-Professor partiell für Hardware- & Software-Aufgaben, Messe-Exponate,

Praktikumsbetreuung etc sowie für Neuentwicklungen im Labor für Computervisualistik mit eingesetzt. Von

damaligen BIS-Mitteln zehrt das ATR-Labor bis heute: Die SW-Eigenentwicklungen RobotoCAM („virtuelle

& reale Robotik“, 3D Online-/Offline Simulation und Steuerung) und MagnetoCAD („Mechatronik Design“

- feldnumerische Auslegung elektromagnetischer Aktoren, Sensoren und EMV, Pre-, Main-, Postprozessoren)

haben sich für Vorlesungen, Praktika und Messe-Exponate bestens bewährt, sind Ausgangsbasis für aktuelle

Labor-Weiterentwicklungen in Robotik & Mechatronik Units. MagnetoCAD Einsatz für und in diversen

Firmen für neue Aktoren/Sensoren, neue Roboter-Greifer für SGU Roboter Lab und HSK-Lab IBM-Roboter-

Hand sowie 2.000 kg-Kombi-Greifer für neuen HSK-TTT-R-Portalkranroboter.

Spezifische Projektmittel von Land (finanziell): Genehmigter Großgeräte-Antrag „Fertigungszelle mit

IBM-Roboter“ (75 T DM). Bis heute eines der Kernsysteme für laborinterne, computerintegrierte Fertigung

im TIA-CIM-Verbund mit Band- & Rollenförderern, Hubtisch & geregelt verfahrbarem Mitsubishi-Roboter.

Spezifische Projektmittel (personell) über internationale Uni–Kooperationen: z.B. Kooperationen von

Prof. Stanek mit intl. Unis, die Beiträge zu Optimierungen im Labor leisten konnten: In Deutschland die

Universität Koblenz-Landau, Institut für Mediendidaktik, (1990-1995) mit medien-didaktischem BIS-E-

Robotik-Beitrag für ATR-Lab, Erasmus Prof-Beiträge für und von TU Opole/Polen für ATR und EMV-

Probleme (2005–2009) und Opole-Internship Studenten für Simotion Control in HSK Lab. Lab-spezifische

Ergänzungen durch Prof. Stanek als Main Advisor bzgl. Master Thesis Arbeiten für SGU-Mechatronik

„Virtual & real Robotics“ und als SGU-Direktor für SGU-MIT „Internet Security“ + „XL-Cloud“. Sehr gute

Beiträge für Robotik + Automation durch SGU-Internship Studierende im ATR-Labor (2010+2013)

Internship_SGU_im_Labor_Automatisierungstechnik_und_Robotik_HS_Koblenz_2013.pdf (1 MB)

Publikationen, Bücher, R&D über ATR-Lab-Themenspektrum + Präsentationen Messen, Kongresse

(A) Deutschsprachige Publikationen, F&E + PR: Ist-Zustand Labor „Automatisierungstechnik + Robotik“:

A1) SW & HW-Entwicklungen BIS-E: Seit Gründung Lab „Automatisierungstechnik + Robotik“ in neunziger

Jahren diverse Veröffentlichungen zu aktuellen Labor-Entwicklungen, Präsentationen auf Hannovermesse,

Elektrotechnik Messe Dortmund, Compumag, Multi-Media CIP-Kongress 2 BIS Exponate & Tagungsband:

MagnetoCAD – Das Werkzeug für Aktoren, Sensoren und EMV-Probleme CIP-Detail-Info

RobotoCAM – Das Werkzeug für dynamische Roboter-Simulation & Display-Teaching CIP-Info

http://www.wolfram-stanek.de/Internship_SGU_Praktikum_Labor_Automatisierungstechnik_und_Robotik_HS_Koblenz_SS2013.pdf

http://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-662-00998-7_59

https://books.google.de/books?id=W0DvBgAAQBAJ&pg=PA385&lpg=PA385&dq=MagnetoCAD+%E2%80%93+Das+Werkzeug+f%C3%BCr+Aktoren,+Sensoren+und+EMV&source=bl&ots=8Wwg5UPC47&sig=oahRX0XetdLS6O-Fkaqm6G1pIS0&hl=en&sa=X&ved=0ahUKEwi3weiYlIvPAhVsDMAKHQBiD7IQ6AEIPjAD#v=onepage&q=MagnetoCAD%20%E2%80%93%20Das%20Werkzeug%20f%C3%BCr%20Aktoren%2C%20Sensoren%20und%20EMV&f=false


http://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-662-00998-7_60#page-1



https://books.google.de/books?id=W0DvBgAAQBAJ&pg=PA385&lpg=PA385&dq=MagnetoCAD+%E2%80%93+Das+Werkzeug+f%C3%BCr+Aktoren,+Sensoren+und+EMV&source=bl&ots=8Wwg5UPC47&sig=oahRX0XetdLS6O-Fkaqm6G1pIS0&hl=en&sa=X&ved=0ahUKEwi3weiYlIvPAhVsDMAKHQBiD7IQ6AEIPjAD#v=onepage&q=MagnetoCAD%20%E2%80%93%20Das%20Werkzeug%20f%C3%BCr%20Aktoren%2C%20Sensoren%20und%20EMV&f=false


http://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-662-00998-7_60#page-1


A2) SW & HW-Entwicklungen ATR-Lab für Wirtschaft+Unis: MagnetoCAD-Auslegungen für Mechatronik-

Entwicklungen in diversen deutschen Firmen (z.B. für Thyssen MF, NSM, Binder, GfaI, Moeller, Braun AG, Trelleborg

Automotive) und im ATR-Labor (IBM Roboter Magnethand, neuer TTTR-Portalroboter-Greifer). RobotoCAM-3D-

Simulationen mit Mitsubishi Roboter und ATR-Lab-Automationen von IT-Stadt-Koblenz „Wirtschaft und Verkehr“ als

HSK Werbeprojekt im Image-Film IT-Mittel-Rhein 2010/12 ausgewählt:

www.koblenz.de/wirtschaft_verkehr/wirtschaftsstruktur_it-standort.html Das Anwendungsspektrum von RobotoCAM wird seit 2012 in mehreren Masterprojekten mit aktuellen Betriebs-

systemen, Programmiersprachen (Java3D, C++, C#) und 3D-Design-Tools Industrie 4.0-basiert erweitert. Diverse

Presse-Termine im ATR-Labor zu Firmen-Spenden und Neu-Entwicklungen – z.B. TIA-HMI realisierter CIM-Verbund

vernetzter Automatisierungseinheiten & Rektifikationsanlage, Simotion Control und Großprojekt „Upgrade eines 2-to

Portalkrans zu Portalkranroboter“. Die feldnumerische Mechatronik-Auslegung des 2.000 kg Greifers für neuen TTT-

R-Portalkranroboter wurde von Prof. Stanek mit MagnetoCAD realisiert (Vergleichsrechnung mit FEM-System Ansys/

Maxwell). Eine weitere ATR-Lab GreenTech Anwendung eines 3D-printed „virtual reality“ solar-tracker-max-light-

seeker-Roboters wurde als Master-Exponat auf IT-Stadt-Koblenz-Messe IT2KO 2016 präsentiert Youtube-Link:

youtube / Lab_ATR_3D_printed_Light_Seeker_Robot_online_simulation_virtual_reality

A3) ATR-Mechatronik-Buch „Elektromagnetische Wandler und Sensoren“: Gemeinschaftswerk Prof. Stanek mit

Entwicklungsleitern von ThyssenKrupp, Siemens VAC, Philips und Bosch, Expert Verlag

A4) VDE Jahrbuch „Arbeitsmarkt – Elektrotechnik und Informationstechnik“ 2013/2014: Beschreibung Ist-Zustand

ATR-Labor von Stanek & Halfmann unter Einbindung von Internship-Studierenden der Swiss German University SGU

im HSK Lab sowie Coaching-Support für die SGU. Das ATR-Labor wurde vom VDE Verlag als exemplarisches Labor

für Automation und Robotik in Deutschland ausgewählt. Der im VDE Jahrbuch integrierte QR-Code mit Link zum

ATR-Labor 2013 wurde auf Stand 2016-Oktober aktualisiert.

(B) Intl. Publikationen in English, Deutsch & Russisch bzgl. interdisziplinäres Wissensmanagement Lab ATR

B1) Einbindung intl Universitäten: z.B. Swiss German University SGU, Jakarta: Coaching SGU Heads durch Prof.

Stanek für 3 F&E-Publikationen mit 4 SGU-Co-Autoren für Research & Education Mechatronics REM

(„Electrodynamics – Mechatronics“, Co-Autor SGU Rektor 2010-12) + INTECH („Products & Services: From R&D to

Final Solutions“ 2011, Co-Autoren SGU Vize-Rektor + Head R&D + Head Mechatronics

a) „Magic Unit Checks - extended field theory“+ b) „Magic Mathematics“. Überblick & Weblink zu a) + b)

http://www.wolfram-stanek.de/blitz_info_preview_sciyo_mathematik_physik_stanek_start.htm

B2) Einbindung intl Brain-Co-Autoren in Stanek-Büchern zu „Wissensmanagement-Gedächtnistraining“ für

kreatives Lernen, Memorieren, Behalten im Wissensspektrum – mit Fokus Engineering und ATR-Themen:

„Memory Power“ (midena), „Gedächtnistraining“ (mosaik), „Super Gedächtnis“ (Ripol, russisch) etc.

Internationaler Wissenstransfer bzgl. Themenspektrum im Lab ATR durch Prof Stanek zu Firmen und

Universitäten in EU & Asien (z.B. TU Opole/Polen 2005-09), als SGU Direktor für „Knowledge Transfer, Innovations

& Entrepreneurship“ (2013) und als HSK ATR Advisor & SES Experte in Asien (seit 2014). Nutzbringend für ATR-

Labor sind auch SES Coaching & Berater-Einsätze auf der Basis des ATR-Spektrums in blockweisen Einsätzen für

Firmen, Universitäten, Colleges in Indien (Shri Vishnu Educational Society SVECW, BVIT, BVRIT, VDC + Raman

CVRCE), in Indonesien (Oil&Gas Foundation, Unis ITNM, UGM, SGU, Atma Jaya, IULI etc) und in China

(RheinChina). Wissenstransfer von ATR-Lab Technik- & Projektmanagement in Automation, Mechatronik, Robotik,

GreenTech & Advanced Learning Industrie 4.0 ist für ATR-Lab durch Vergleichscheck mit intl Standard nützlich.

Überblick Einsätze in DE, EU + Asien

http://www.wolfram-stanek.de/blitz_info_intl_unis_eu_asien_stanek_start.html

Spezifische Projektmittel durch Master-Projektarbeiten an HSK, (indirekt) finanziell + personell:

Basis aller aktuellen Optimierungen und Erweiterungen im Labor sind exzellente Bachelor- und Master-Studierende,

betreut durch Prof. Stanek & Laboringenieur Halfmann, in Koop mit E+I Heads & hochschul-internen Werkstätten

(speziell Elektrowerkstatt), die in Umbaumaßnahmen elektrisch, pneumatisch und mechanisch involviert waren. In

dieser Kooperation konnte der HS Koblenz viel Geld eingespart werden.

Spezifische Projektmittel durch Firmen – Kooperationen, finanziell + personell: Das Labor wurde primär durch

Fa. Siemens bis heute mit ca. 100.000 Euro Spenden für neueste HW & SW und Schulungen gesponsert. Die

laborinterne Entwicklung eines neuen 2-to-Portalroboters wurde durch die 25.000 Euro Spende der Fa. B&R mit

Automation Studio, Schulungen sowie Koop mit ThyssenKrupp Magnettechnik & Rasselstein, Festo & Elektro-Bau

optimal unterstützt. Medien-Referenzen nach ATR-Lab-Presseterminen - Auszug

1. SIEMENS Spenden+Koop, Infodienst Wissenschaft (21.10.2012): www.idw-online.de/de/news502104

2. B&R Spende+Kooperation, Infodienst Wissenschaft (11.01.2013): www.idw-online.de/de/news514591


https://www.youtube.com/watch?v=iSguiZKatBE&feature=share


http://www.wolfram-stanek.de/blitz_info_preview_sciyo_mathematik_physik_stanek_start.htm

http://www.wolfram-stanek.de/blitz_info_intl_unis_eu_asien_stanek_start.html

http://www.idw-online.de/de/news502104








5. ATR-Überblick: Automation, Robotik, Mechatronik > El +Mec +Chemietechnik

Das Labor „lebt“ und „wächst“ durch die Arbeit exzellenter Projektgruppen. Es wird besonderer Wert darauf

gelegt, dass Erweiterungen an Automatisierungseinheiten & High Tech Units und die Neuinstallation von

Anlagen mit Advisor-Support auch von den Studierenden geplant und durchgeführt werden können. Somit ist

es möglich, zusätzlich zu den technisch-fachbezogenen Kenntnissen in den verzahnten Feldern „Electrical

Engineering“, „Mechanical Engineering“ und „Mechatronic Design“, den Studierenden Soft Skills im Bereich

Projektmanagement, Anlagenplanung, Dokumentation und Materialbeschaffung mit auf den Weg zu geben.

Zentraler Fokus im ATR-Labor ist es, möglichst viele Industrie 4.0 Anforderungen zu berücksichtigen.

Seit vielen Jahren ist dankenswerterweise SIEMENS der Hauptsponsor und Partner für das Labor

„Automatisierungstechnik und Robotik“. In den Jahren 2011/2012 konnten zwei weitere starke Partner aus

der Industrie gewonnen werden: B&R Automation und ThyssenKrupp Magnettechnik. Diese drei

Unternehmen ermöglichten es, durch umfangreiche Sachspenden und Beratungen das Labor in den Bereichen

Automatisierung, Steuerungstechnik, Regelungstechnik und Antriebstechnik auf einen High Tech Stand zu

bringen und innovative Entwicklungen für diverse Roboter-Klassen zu realisieren. Die

Automatisierungsgeräte, HMI-Panels und vielfältige Projektierungsprogramme von SIEMENS und B&R

Automation im ATR-Labor sind auf dem aktuellsten technischen Stand (Oktober 2016).

Im Labor „Automatisierungstechnik und Robotik“ sind vier sehr unterschiedlichen Roboter integriert:

Laborintern gebauter kleiner 2-Achsen-Sensor-Roboter, größerer Mitsubishi Knickarm-Roboter, IBM Scara

Roboter für flexible Fertigung und ein laborintern entwickeltes Großprojekt > 2-Tonnen TTT-R-Portal-

kranroboter mit Mechatronik-Entwicklung eines automatisch drehbaren Robotergreifers für max 2.000 kg

Last. Außerdem sind im ATR-Labor eine Vielzahl von vernetzten Automatisierungseinheiten für

interdisziplinäre Produktionstechnik, Verfahrenstechnik sowie Komponenten für Mechatronik Design

vorhanden. Folgende Automatisierungseinheiten im Labor sind zum Beispiel:

Zwei Band- und Rollenförderer, Sinamics-Linearachse zum horizontalen Transport des Mitsubishi-Roboters, vertikale

Hubtisch-und Transportwagen-Förderer, multifunktionale Fertigungsstation mit Scara-Roboter, Simotion Control für

synchronisierte Mehr-Motoren-Regelungen bis hin zur verfahrenstechnisch komplexer Rektifikationsanlage mit

visualisierter TIA-HMI-OPC Steuerung/Regelung.

Mit Ausnahme der aktuellen B&R Automatisierung des TTT-R-Portalkranroboters werden alle Automatisierungs-

einheiten mit aktuellster Siemens-Hardware und Software TIA (Totally Integrated Automation) gesteuert, geregelt und

durchgängig über Computer und HMI-Touchpanel visualisiert und mit RFID logistisch unterstützt. Alle Siemens-

orientierten Automatisierungseinheiten sind mit ProfiNet vernetzt - auch unter Einbindung des separat positionierbaren

Mitsubishi-Roboters und des stationären IBM-Scara-Roboters in seiner Fertigungszelle. Im Labor „Automatisierungs-

technik und Robotik“ befinden sich auch einige Einzelplatz-Automatisierungen wie Isel-Fräsanlage, Tor-

Steuerungsmodell, Simulationstafeln für Ampelsteuerung und Laugenreinigung sowie ein Mechatronik-Design-

Arbeitsplatz für feldnumerische Systemauslegung von Aktoren in der Kfz-Produktion mit SW-Eigenentwicklung

MagnetoCAD, alternativ Ansys Maxwell & Comsol Multiphysics. Sowohl IBM Roboter als auch Mitsubishi Roboter

(alternativ mit SW-Weiterentwicklungen von RobotoCAM) können – wenn sie nicht während Masterprojektarbeiten in

der automatisierten, computerintegrierten Fertigung der Kombinationsanlage involviert sind – ebenfalls als Einzelplatz-

Automatisierungen eingesetzt werden. Konzeption und Realisierung der TIA-HMI-RFID Kombinationsanlage (CIM

Verbund von 2 Robotern und 4 Transport-Units) entsprechen Industrie 4.0 Forderungen. Sowohl der 3D-printed Solar-

Tracker-Roboter als auch die SW-Entwicklungen für 3D-online-offline Visualisierung & Steuerung des Mitsubishi

Roboters sind „virtual reality“ Industrie 4.0-Komponenten

Zwei Software-Eigenentwicklungen über Mannjahre haben sich laborintern und für die Wirtschaft als Basis für

Weiterentwicklungen in Robotik-online/offline Simulationen und Magnettechnik-Design bewährt:

a) RobotoCAM: mediendidaktisch aufbereitete virtuelle und reale Robotik mit 3D Visualisierung des Mitsubishi

Roboters RV M1 und Teaching Box für Offline-Betrieb und synchronisierten Online-Modus

b) MagnetoCAD: Entwicklung eines feldnumerischen Projektierungs- und Simulationssystems für Mechatronik Design

mit Fokus auf elektromagnetische Aktoren, Sensoren und EMV-Problematik. Aufgrund der Integration von Automation

und Mechatronik Design ist dieses Tool von besonderem Nutzen.


Abb. 5.1: Kompaktinfo Automatisierungen & Roboter im Lab „ Automatisierungstechnik + Robotik“ C 012

Der Portalkranroboter ist eine laborinterne, aktuell realisierte Eigenentwicklung auf der Basis eines früher nur

manuell verfahrbaren 2-Tonnen ABUS Portalkrans: „Kranapplikation – Upgrade zum ferngesteuerten Roboter

mit intelligenter Aktor-Sensor-Greifer Entwicklung mit optimierter Fahrdynamik“. Für die Prozesssteuerung

des neuen Portalroboters wurde die Steuerungs- und Visualisierungs-Software von B&R Automation

gespendet, von B&R beratend begleitet und in einer koordinierten Serie von Master-Projektarbeiten (> 22

Masterstudenten, Stand Oktober 2016) eingesetzt und getestet. Alle Umbaumaßnahmen als Upgrade zum

Roboter sowie Schnittstellen zum Mechatronik Design der neuen Robotergreifer wurden hochschulintern

konzipiert und umgesetzt. Design und Entwicklung neuer Kombi-Greifer (Mechanik, Fahr- und Greifer-

Dynamik, Pneumatik, Magnetik und elektrische Kompensation) wurde von Prof Stanek übernommen, Support

durch ThyssenKrupp Magnettechnik (Magnetgreifer) und Festo (Vakuumsauger).

Die Design-Vorgaben der Laborleitung wurden von 2 betreuten Internship-Studierenden der SGU Asia als

Konstruktionszeichnungen für die Elektrowerkstatt der Hochschule Koblenz aufbereitet. Alle laborinternen

Roboter-Bau und Umbaumaßnahmen wurden vom Laboringenieur mit koordiniert.

In der folgenden Grafik sind die aktuell wichtigsten Automatisierungseinheiten und Roboter-Anwendungen

kompakt zusammengefasst. Sie decken das Spektrum der Siemens-orientieren Steuerungen und Regelungen

mit TIA, Sinamics und Simotion Control ab. Über diverse Transport-Einheiten (Band- und Rollenförderer,

Roboter-Transport-Linearachse), verfahrenstechnische Rektifikationsanlage, Mitsubishi-Roboter (virtuell

und real), IBM Roboter als zentraler Fertigungsroboter bis hin zur aktuellen Neuentwicklung „Umbau eines

ABUS-2-Tonnen-Portalkrans in einen ferngesteuerten, automatisierten Portalroboter mit interdisziplinärem

Mechatronik-Design für Kombi-Greifer“ ist eine computerintegrierte Automatisierung im Labor realisiert.

Für die hochschulinterne, computerintegrierte Fertigung über diverse Transport-Einheiten werden ein

Mitsubishi Roboter RV M1 (laborinterne Montage auf regelbare Linearachse), ein IBM Scara-Roboter 7576,

und optional seit 2013 auch unser neuer Portalroboter mit eingebunden

Der IBM SCARA Roboter wird mit der Hochsprache AML (A Manufacturing Language) programmiert

und in einer 2 ½ D Visualisierung zur Kontrolle simuliert. Im Gegensatz zu den anderen Robotern im Labor

hat der IBM-Roboter die Möglichkeit, prozessabhängig diverse „Hände“ für mechanisches,

elektromagnetisches oder pneumatisches Handling, Greifen, Bohren oder Löten automatisch auszutauschen.


Abb. 5.2: Kompakt-Überblick zu Automatisierungen und Roboter im Labor „ Automatisierungstechnik und Robotik“

INUSTRIE 4.0 – Komponenten in den zentralen Feldern „Produktionstechnik + Verfahrenstechnik“ mit Fokus auf die

interdisziplinären Technik-Bereiche „ELECTRICAL + MECHANICAL + CHEMICAL ENGINEERING“. High Tech

SW & HW Units (Siemens + B&R) und laborintern entwickelte Komponenten & Systeme für Automation, Robotik,

Mechatronik + IT. Skizzierte Beispiele: Virtual Reality für Roboter, Mechatronik-Systeme, produktions- & prozess-

basierte Automatisierungsanlagen, vollautomatische Fertigungszelle, synchronisierte Mehr-Motoren-Regelungen,

ATR-Labor-Neu-Entwicklungen von Klein-Roboter bis 2-to-Portalkran-Roboter, GreenTech Applikationen, totale

Vernetzung im heterogenen ATR-Labor-CIM-Verbund mit Industrie 4.0 HW & SW „Fundamental-Bausteinen“ v.a.

SIEMENS TIA + HMI + RFID + OPC + PROFINET + SIMOTION CONTROL + B&R AUTOMATION STUDIO

Der Mitsubishi-Knickarm-Roboter kann durch eine 3D -Visualisierung im Pascal-basierten Software-

System RobotoCAM auch über Hilfe- und Hintergrundinformationen zu allen zentralen Roboteroperationen

sowie Teaching Box Buttons sehr schnell offline erlernt werden.

Zum horizontalen Transport des Roboters wurde eine mit Sinamics regelbare Linear-Achse gebaut, mit der

über C++ ein Kommunikationsprotokoll ausgetauscht wird. Diese laborinterne Software-Entwicklung

RobotoCAM war vor Jahren das koordinierte Werk zahlreicher Diplomarbeiten an der Hochschule Koblenz,

im Offline/Online-Modus präsentiert auf der Hannovermesse, Messe Elektrotechnik Dortmund, CIP-

Konferenz Berlin etc zur Demonstration von „virtueller und realer Robotik“. Bei einer Gastprofessur von Prof.

Stanek an der Swiss German University SGU, BSD-Jakarta, im Jahr 2002/03 wurde über RobotoCAM für

„Virtual and Real Robotics“ in Vorlesung und Labor Mechatronics an der SGU in den Nachrichten des

indonesischen Fernsehsenders LatiVi berichtet. Im IT-Stadt-Koblenz Imagefilm 2010/12 ist RobotoCAM mit

Mitsubishi Roboter im CIM-Verbund mit IBM Roboter und Sortier- & Förderanlage integriert.


6. Details ATR-Lab: Virtual Reality Robot 3D-Online-Offline Simulation & Control 2003 kam RobotoCAM in einer von Prof. Stanek betreuten Master-Thesis Mechatronics an der SGU Asia

erneut zum Einsatz. Für die neue Magnetgreifer-Entwicklung des Mitsubishi Roboters an der SGU wurde

MagnetoCAD gewählt und an der Hochschule Koblenz für die SGU gebaut. Die Entwicklung von

RobotoCAM wurde von Prof. Stanek als BIS Projektleiter im Rahmen des 1990 erstmals in Deutschland

installierten BerufsIntegrierenden Studiums BIS Elektrotechnik forciert. Für die medien-didaktische

Aufbereitung von RobotoCAM und Mathematik stellte Prof. Stanek eine Mitarbeiterin aus dem Institut für

Mediendidaktik der Universität Koblenz-Landau als eine von vier neuen Assistenten im BIS Studium ein.

Abb. 6.1: Virtuelle und reale Robotik – Mitsubishi-Roboter im ATR-Labor „ Automatisierungstechnik und Robotik“

Realer Roboter auf Linear-Transportachse mit Sinamics-Regelung im Vergleich mit virtueller Robotik: a)

3D-RobotoCAM (mit optionalen 2D Darstellungen) und exemplarischen Haupt-Modi Point-to-Point, xyz-

Bewegungen sowie Tool-Modus. B) 3D-Online & Offline Steuerung und Visualisierung mit RoboJAVA.

Mediendidaktisch kooperierte Prof. Stanek bzgl. RobotoCAM mit dem damaligen Institutsleiter und Vize-

Rektor der Universität Koblenz-Landau. In dieses Roboter-Projekt waren auch einige der vier neuen BIS

Professoren partiell involviert, mediendidaktische und programmiertechnische Beiträge wurden vor allem

durch den damaligen stellvertretenden BIS-Projektleiter Prof. Dr.-Ing. Hans-Karl Schäfer geleistet.

Aufgrund heutiger Betriebssysteme, 64-Bit-Programme und damals verwendeter Programmiersprache

Pascal läuft das Original-System RobotoCAM momentan nur Offline im DOS-Fenster von Windows. Zur

erneut synchronisierten Online-Steuerung von realem Roboter mit virtuellem Bildschirm-Roboter wurde

deshalb 2013 in mehreren Masterprojekt-Arbeiten eine erste 3D-Basisversion von RobotoCAM mit

JAVA3D und C# adaptiert, erweitert und im Labor „Automatisierungstechnik und Robotik“ realisiert.


Abb. 6.2: Mitsubishi-Roboter 3D Simulation, Sortierprozess, Arbeitsräume + Kollisionskontrolle mit RobotoCAM,

integrierte Teaching Box, 3D-Darstellung Hidden-Line-Modus 6 kartesische 2D-Schnitte im Drahtmodell-Modus

inklusive aktuelle Positionsanzeige Roboter-Hand und der 5 Roboter-Motoren J1-J5.


7. ATR-Spektrum Mechatronik-Design interdisziplinär – Power in Magnetics Optimiertes MECHATRONIK Design für elektrische, permanentmagnetische, elektrodynamische und

mechanische Komponenten, Ausgleichsvorgänge, Wirbelstromeffekte oder EMV-Beeinflussungen kann nur

sinnvoll mit feldnumerischen Programmsystemen realisiert werden. Die Basis für solch ein Mechatronik

Design sind laborintern wie in Firmen numerische Feldprogramme – v.a. Comsol Multiphysics, Ansys-

Ansoft Maxwell etc oder Eigenentwicklung MagnetoCAD von Prof. Stanek (unter Einbindung x Diplom-

Arbeiten & Fa. Braun AG bzgl. Pre-, Main- und Post-Prozessoren optimiert). Im Vergleich zu anderen

Feldprogrammen (z.B. Maxwell2D) weist MagnetoCAD für 2D Anordnungen Vorteile auf: a) schnellere

Eingabe- & Auswerte-Möglichkeiten b) Feldprobleme mit oft x tausend Unbekannten („big data“) durch spez.

WS-Konvergenz-Algorithmen numerisch 2-10-mal schneller lösbar. Deshalb diverse Aktor- & Sensor-

Auslegungen im Eco GreenTech Design (max. Kräfte bei minimaler externer Energie, keine Temperatur-

Belastung von System & Umgebung, keine EMV-Probleme etc) mit Maxwell2D oder primär MagnetoCAD.

Abb. 7: Einsatz FEM Entwicklungstool

MagnetoCAD

Magnettechnik

Mechatronik Design laborintern, auf intl.

Messen und in

verschiedenen Firmen

unter Einbindung von

HSK Diplomarbeiten:

Hannovermesse,

CompuMag,

CIP Konferenz etc.

Trelleborg

Automotive,

BRAUN AG,

Binder Magnete,

Moeller Group,

NSM Magnettechnik,

GfaI Gesellschaft für

Angew. Informatik

ThyssenKrupp etc

Mechatronik-Design direkt von/in HSK Lab

a) Mitsubishi Roboter-

Greifer für SGU-Lab

b) IBM Scara Roboter-

Greifer für HSK-Lab

c) 2.000 kg-Schwer-

Last-Greifer

HSK-TTTR-

Portalkranroboter

* d) Schnell-Schalt-

System für Kfz

Produktion

im HSK Lab

Versuche +Simulation

Basis Nachbau

NSM Modell 1-von-

320 Schaltsystemen


8. ATR-Lab-Projekt „2-to Portalkran – Upgrade zum Portalroboter“:

Dieses hochschulinterne Projekt erzeugt Interesse in Medien und Wirtschaft. Zusätzlich Publikationen von

WS mit Robotik-spezifischen Co-Autoren v.a. Lab-Eng F.Halfmann zu diesem Projekt z.B. VDE Jahrbuch

Arbeitsmarkt Elektrotechnik + IT 2013/14. Im Jahr 2011 wurde aufgrund des Kontaktes zu B&R das

Fundament für den innovativen "Umbau eines 2-to ABUS Portalkrans zu einem automatisch steuerbaren,

visualisierten Roboter mit B&R Automation, Teaching- und Fernsteuerungsfunktionen und Schnittstellen-

realisierung zum Magnetik-Pneumatik-Kombi-Greifer" gelegt. Voraussetzung für das Upgrade des Portal-

kranprojektes war die Kooperation zwischen B&R, HSK, TKM, Elektro-Bau, Master-Studenten, Lab-

Engineer, Projektleitung basierend auf der 25.000 Euro B&R Software-Spende und kostenlosen Beratung.

Das bis 2011 durch Siemens geprägte Automatisierungstechnik-Labor der HS Koblenz konnte durch die

Einführung von B&R Produkten einen breitbandigen Kompetenzzuwachs bzgl. Speicherprogrammierbare

Steuerungen verzeichnen. Im späteren Projektverlauf konnte ThyssenKrupp Magnettechnik als zusätzlicher

Kooperationspartner speziell für Magnetsystem-Technik gewonnen werden. Festo konnte einen guten Beitrag

für eine neuartige Pneumatik-Schlaufen-Führung leisten. Das Projekt Portalkranroboter wurde von Beginn

an von Prof. Stanek als Ingenieurbüro-orientiertes Groß-Projekt konzipiert. Durch Grundkenntnisse der

Master-Studierenden in den Bereichen Elektronik, Mechatronik, Steuerungs- & Visualisierungstechnik

konnte dieses – neben dem TIA-HMI-RFID-CIM-Verbund der Kombianlage (vgl. Abb. 11 ff) - mit Abstand

aufwändigste Projekt in mehrere Teilprojekte unterteilt, koordiniert und wieder zum Ganzen zusammen-

gefügt werden. Notwendige Kenntnisse in Magnettechnik-Mechatronik wurden den Lab-Projektingenieuren

interaktiv vermittelt und FEM-Auslegungen von Prof. Stanek durchgeführt. Die über 20 Master-Entwickler

konnten neben fachlichem Zugewinn praxisgerechtes Projektmanagement laborintern & extern trainieren.

Abb. 8.1: Konstruktion ABUS 2-to Portalkran > Upgrade zum HSK Portalroboter im HSK Labor ATR: Ausgangsbasis mit Details zu 2-to Kran mit nur Hängetaster + Haken im Vergleich mit realisiertem Umbau zu

fernsteuerbarem Roboter + visualisiertem Prozess-Handling, Automatik- und Teaching-Modus auf der Basis der B&R

Automation + integrierte Neu-Entwicklung multi-funktionaler Mechatronik- Robot-Greifer V2-180 kg (Abb. 8.1 ff)

Stand 2013. Update TTT zu TTT-R Robot-Greifer V3 (2015) bis V4.2 max Last 2.000 kg => Stand 2016.


Abb. 8.2: Labor „Automatisierungstechnik und Robotik“ – Portalroboter Stand 2013-16 Details: Down & Up –

Roboter-Greifer V2.1, Teleskop-Stangen-Variante, Prinzip Sauggreifer (Pneumatik-Venturi) + Magnetgreifer (FEM

MagnetoCAD): feldnumerische Berechnung elektromagnetische Felder - Trag- & Kompensations-Phasen


Abb. 8.3: Visualisierte B&R PLC&MC Automation TTT-R Portalkranroboter + Mechatronik-Greifer-FEM-Entwicklung

Abb. 8.4: Mechatronik-Auslegungsbasis für Robotergreifer

Abb. 8.5: PLC&MC control TTT-R Portalkranroboter Abb. 8.6: Roboter-Mag-Vac-Greifer mit Sensor-Spektrum


9. Projektmanagement Lab ATR: Upgrade 2-to Portalkran

mit Kranhaken zu Automatik-Portalkranroboter mit neuem Kombi-Greifer,

vernetzter TIA-HMI-RFID CIM-Verbund diverser Transport-Units, Roboter und

Fertigungszelle, 3D-Print + Virtual Reality Lab-Projekte für Produktionstechnik

& chemische Verfahrenstechnik Rektifikation, GreenTech >Industrie 4.0 Units.

BEISPIEL: R&D 2011-2016 Portalroboter-Projekt hochschul-intern & extern.

PM 1. Initiierung, Konzeption Projektmanagement: wie kann organisatorisch ein

Portalkran hochschulintern in Teil-Projekten zum Portalroboter umgebaut werden

PM 2. Projektstart: Sichtung Krananlage Schaltpläne, Basis-Realisierung Master-

Projektgruppe, Realisierung Aktorik, Sensorik, Verdrahtung, B&R Visualisierung

PM 3. Risiko-Management RM: Gefahren-Analyse Kollisionsraum, Sicherheit

PM 4. Qualitäts-Management QM: Erweiterungen Sensorik, Stromlaufpläne mit

Umsetzung. Verbesserung Steuerungsprogramm und Erweiterung Visualisierung

Abb. 9.1: Basis für Projektmanagement

PM 5. Auslegung, Bau und Inbetriebnahme magnetischer Portalroboter-Greifers Vers.1: 60 kg Last, Anpassung SPS für

Ansteuerung Greifer Vers.1 und Implementierung eines elektronischen Energieversorgungssystems für Roboter-Greifer

PM 6. QM: Anpassung Visualisierung an aktuelle Betriebsrandbedingungen. Implementierung virtuelles Teaching. Inbetriebnahme

diverser Kontrollsensoren, Remote Control, VPN, Kamera-View, zweiter Greifer Magnetik-Pneumatik Vers.2 für 180 kg Last

PM 7. R&D: 10-fache Kraftverstärkung für Magnetik-Pneumatik-Kombi-Greifer Vers.3 für 2.000 kg Last. Eco Green Tech Aspekt:

max. Kraft < 500 kg keine ext. Energie, keine Temp-Belastung System+Umwelt 1°C/h, Kraftverdopplung ~ (-) Komp.Strom, EMV

PM 8. Neue elektro-motorisch-mechanische Dreh-Automatik auf Robotergreifer Vers.4 für 360° Greifer-Rotation an Seil-

Aufhängung > Upgrade TTT-Portalkranroboter zu TTT-R-Roboter (x-, y-, z-Translation + Greifer-Rotation)

PM 9. Mikrocontroller auf Greifer Vers.4 zur Unterstützung der visualisierten B&R-SPS-Robotersteuerung für dezentrale sensor-

gestützte Gefahrenraumkontrolle & automatische Steuerung durch neunte Master-Projektgruppe

PM 10. Erste mechanische Optimierung der Fahrdynamik des x-,y- und z-schienengeführten TTT- Portalkranroboters zur

Schwingungsminimierung des bewegten Greifers & Last + Schrittmotor-geregelte Greifer-Rotation > TTT-R(otation)

PM 11. PR Presse-Konferenzen, Medien (Web, Radio, TV), Publikationen (z.B. VDE Jahrbuch Arbeitsmarkt E+I) + F&E Schritte

2016/2017: z.B. Optimierungen Fahrdynamik aller TTTR-Bewegungen & Mustererkennung Greif-Objekte & 3D Visualisierung

PM 12. Erkenntnisse: a) TTTR-Portalroboterprojekt + TIA-HMI-RFID-CIM-Verbund + alle Masterprojekte nur realisierbar mit

Engineering interdisziplinär + IT (Sprachen, Systeme, Schnittstellen), kreativen Studierenden, Fa-Koop + PM Basis (Bild 10 + 11)

b) Aktuellste SW für Automatisierung & Visualisierung führt (oft) nur mit kreativem Mechatronik-Design zur kompletten Lösung!

Abb. 9.2: ATR-Lab – Projektmanagement, Präsentationen, Pressekonferenzen aktuelle Master- & BA-Projekte + Bücher


10. SIMOTION CONTROL: Siemens Simotion D435 compact

Version (Abb. 10.1) mit integrierten hochdynamischen Sinamics Antrieben

im ATR-Lab ermöglicht synchronisiert geregelte Zwei-Motoren-

Applikationen - z.B. Befüllen von Getränkeflaschen auf Förderbändern mit

separat bewegten Befülleinrichtungen. Komplexere Mehr-Motoren-

Anwendungen können mit im Labor zusätzlich vorhandener offener

Simotion alternativ mit bis zu 6 parallel synchronisiert geregelten HTech

Sinamics Antrieben realisiert werden - z.B. a) laborintern realisierte Thesis

mit 3-Achsen-Lage-stabilisierter Plattform im bewegten 3D-Raum, b) IHK

& HWK prämiierte Diplomarbeit BIS-Student für Siebe Engineering/

Philips 5-Achsen-Parallel Synchronisierung Trennen von Kunststoff-

ummantelten Leuchtstoffröhren (Abb. 10.2). Beherrschen der Simotion

erfordert Kenntnisse elektrische Maschinen, Regelungstechnik, Profinet,

Steuern / Regeln / Leiten mit Siemens Sprachen (SW-Spektrum & spez.

Motion Control Chart). Mehrere elektrische Antriebe können mit kürzesten

Latenzzeiten in Echtzeit synchronisiert werden. Bei Simotion compact

besitzt Antrieb Nr.1 ein elektronisches Typenschild und kann fast

konfigurationslos in Projekte eingebunden werden. Antrieb Nr.2 ist über

externe Geber an SIMOTION angebunden. Projektierung, Inbetriebnahme

& Steuerung können alternativ computergestützt & manuell über ein

Handbedienteil projektiert, in Betrieb genommen und externe

Steuerungskommandos eingegeben werden. Da die SIMOTION im

Vergleich zu anderen Antrieben (z.B. SINAMICS S120 CU310) auch eine

SPS enthält, können Steuerungs-Programme direkt auf Simotion laufen und

mit anderen Steuerungssystemen im Labor vernetzt & ferngesteuert werden.

Die Simotion Control & separate 6 Sinamics Drives sind Siemens Spenden!

Abb. 10.1: Simotion D435 Control Set

Abb. 10.2: 5-Achsen-Synchronisation

11. IBM Scara Roboter 7576: a) Dieser „älteste“ ATR-Roboter hat sich in Industrie & Labor über 2

Dekaden durch Schnelligkeit, gute Präzision und Multifunktionalität bewährt und ist im Imagefilm der IT-

Stadt Koblenz in unserem Labor in Aktion zu sehen. Der IBM SCARA-Roboter (Selective Compliant

Articulated Robot Arm) – RRTR-Roboter - ist Herzstück der Fertigungszelle für die Kombinationsanlage und

als Einzelplatzstation & war langjähriger Pflichtversuch für BA-Studierenden der Automatisierungstechnik.

Mit der Roboter-Hochsprache AML (A Manufacturing Language) können zentrale Teilversuche für Material-

Handling, Palettierung, Konturbahnen und Materialbearbeitung durchgeführt werden. Der Vorteil dieser

flexiblen IBM-Fertigungszelle liegt in automatisch wechselbaren Roboter-Händen. Der Roboter kann voll-

automatisch komplette Elektronik-Platinen fertigen, mit allen Bauteilen bestücken und mit einer laborinternen

MC-kontrollierten Wendevorrichtung mit der Löthand Anschlüsse auf Platinen-Rückseite löten. Der Nachteil

liegt v.a. im veralteten Betriebssystem: Deshalb ist 2017/18 ein Ersatz durch einen Kuka-Roboter geplant.

b) Abhängig vom WS-Zeitrahmen wird parallel ein laborinternes High Tech Upgrade der IBM Fertigungszelle

avisiert: Ersatz IBM-Antriebe durch Sinamics Drives, aktuelles BS, neue SW C++/C# + 3D-virtual Reality. .

Abb. 11: IBM Scara Roboter 7576 mit diversen Händen

für Handling und Fertigung:

7 automatisch wechselbare

Roboter-Hände wie z.B.

Vakuum-Sauger,

Elektro-PM-Magnetgreifer

(labinterne Entwicklung WS),

Elektrogreifer, mechanische

Greifer, Fräs- & Bohrmaschine

(z.B. Chip-Löcher Platinen,

Leiterbahnen, Konturen &

Schrift-Fräsen) sowie dezentral

geregelte Löt-Maschinen-Hand .


12. HMI-TIA-Sortier- und Förderanlage – Bandförderer: An dieser Anlage (Bild 13) können

Studierende Kenntnisse im Bereich Automatisierung und Visualisierung sowie PROFINET-Netzwerktechnik

erwerben. Bachelor-Studenten absolvierten jahrelang im Rahmen ihrer Ausbildung einen Praktikumsversuch

an dieser Doppel-Band-Sortier- und Förderanlage. Aktuelle BA-Pflichtversuche an vereinfachter Aufgabe mit

Einfach-Band-Modell (siehe Bild 1.c). Die Doppel-Band-Anlage ist Teil der Gesamtanlage (Bild 14) besteht

aus einem Materialvorratssilo, in dem Zylinder und Würfel verschiedener Beschaffenheit gelagert sind. Ein

elektropneumatischer-Zylinder schiebt die zu sortierende Objekte auf ein Förderband. Die Kombination aus

induktivem, kapazitivem und optischem Sensor erkennt die Objekte und das SPS Programm steuert den

Transport- und Sortierprozess in die zugehörigen Slots mit Hilfe von Pneumatik-Zylindern. Im Zuge eines

Internship-Programms haben im SS 2013 zwei Gast-Studierende der Swiss German University SGU aus

Indonesien eine erste Basis-Visualisierung installiert, die bis 2016 durch HSK-Studierende auf den aktuellen

TIA-Portal-Standard erweitert wurde Des Weiteren wurde die Anlage sinnvoll mit Motorencoder-Auswertern

umgerüstet, so dass die Geschwindigkeit der Förderbänder beliebig variiert werden kann und die SPS trotzdem

zu jedem Zeitpunkt weiß, an welcher Position sich das Objekt auf dem Förderband befindet. Außerdem wurde

für die TIA-Erneuerung 2016 Industrie 4.0 orientiert die Sortier- und Förderanlage mit Objekt-entnehmendem

und bestückendem Mitsubishi-Roboter in den vernetzten CIM-Verbund der HMI-TIA-RFID-Kombianlage

integriert. Parallel wurde der Mitsubishi-Roboter mit 3D-virtual Reality für online/offline Modus optimiert.

Abb. 12.1: Reale

Sortier- und

Förderanlage mit 2 separat

ansteuerbaren

Bändern,

3 (optional 4)

unterschiedlichen

Materialien sowie

Spektrum diverser

Antriebs- & Sensor-

Bausteine.

Steuerung mit

TIA+HMI

+Roboter-Support

Abb. 12.2: Sortier

& Förderanlage

virtuell:

On-/Offline-

Steuerung,

Visualisierung,

Prozessleiten

TIA + HMI-Panel

TIA=

Totally Integrated

Automation

+

HMI=

Human Machine

Interface


13. HMI-TIA-RFID-Kombianlage: Rollenförderer, Linearachse, MS+IBM-Roboter + SoFö

An der Kombinationsanlage können Studierende vertiefte Kenntnisse im Bereich komplexer Automatisierung,

Visualisierung, Robotik und Kommunikation zwischen verschiedenen Automatisierungssystemen erwerben. Die

Anlage besteht aus einem KRUPS-Rollenförderband, angebunden über AS-I-Bus, einem IBM-SCARA-Roboter, einem

Mitsubishi-Industrieroboter mit eigener Steuerung und 3D-virtual-reality-online/offline Steuerung und einer

Linearachse, die durch eine SINAMICS CU310 angesteuert wird. Der Mitsubishi-Roboter ist auf der Linearachse

montiert und kann somit an verschiedenen Positionen der Anlage arbeiten. Alle Komponenten sind miteinander vernetzt.

Die Hauptsteuerung ist eine SIEMENS S7-CPU aus der 300er Serie mit zusätzlicher Peripherie. Zur Visualisierung wird

eine SIEMENS TP700 genutzt. Die Anlage wurde / wird hauptsächlich von Projektstudenten weiterentwickelt und dient

auch als Vorführobjekt im Labor (z.B. am „Hochschulinformationstag“). Im Rahmen aktueller Projektarbeiten bis SS

2016 wurde die Gesamt-Anlage mit aktuellsten Siemens TIA & HMI Steuerungs- & Visualisierungssystemen sowie

RFID-Kontroll-Bausteinen ausgestattet, weiterentwickelt und optimiert, sowie die TIA-HMI-RFID-Realisierungen von

Kombi-Anlage ohne und mit Sortierförderband-Anlage inklusive Mitsubishi-Support über „ISO on TCP“-

Verbindung integriert. Die Gesamtanlage gewährleistet einen Materialkreislauf mit verschiedenen, vernetzten

Bearbeitungsstationen. Der Mitsubishi-Transporteinheiten-IBM-Kreislauf beginnt, indem die Linearachse den

verfahrbaren Mitsubishi-Roboter in die linke Position bewegt, dieser z.B. Alu-/Eisen oder Nicht-Metall-Material aus

einer Palette entnimmt & sensorgestützt prüft. Im Falle eines Metall-Würfels, wird dieser über RFID-kontrollierten

Rollenförderer auf WT-Schiffchen zum IBM-Roboter transportiert, über Hubtisch in seine Fertigungszelle eingeführt,

dort mit diversen Tools aus IBM-Werkzeug-Bahnhöfen bearbeitet und auf gleichem Weg wieder zurück transportiert.

Abb. 13.1: Gesamtansicht der TIA-HMI-RFID-KOMBINATIONSANLAGE mit 2 Robotern + 4 Transport-Einheiten

Abb. 13.2: Material > Mitsubishi-Robot > Rollenförderer Abb. 13.3: Material auf WT Rollenförderer > Hubtisch > IBM


Abb. 13.4: Visualisiertes TIA für Kombianlage und Doppelband-Sortierförderanlage mit 2 parallelen HMI Panels

Abb. 13.5: HMI-

Touchpanel TIA

für RFID-WT >

Kontrolle +“Memory”

für überwachtem

Belegungsgrad und Art

unterschiedlicher

Materialien auf WT

& Lokalisierung

Abb. 13.6: Mitsubishi Service A) [1a 1b1c] auf

Linearachse zw. Palette 1 und RoFö mit Bestückung +

B) [2a 2b] SoFö-Silo-Befüllung aus Palette 2

Abb 13.7: TIA-HMI-RFID-Rollenförder-Anlage RoFö Schema:

Aktoren+Sensoren, EM-Felder RFID, 5-Motor-Antriebe, CIM-Verbund

RoFö + Mitsubishi Roboter + Linear-Achse + Hubtisch + IBM Roboter


Vernetzte ATR-Lab OSI-Schichten-Architektur > OSI = Open System Interconnection: Der TIA-HMI-RFID-

Materialkreislauf wird durch Kommunikation aller Teil-Systeme der Kombianlage miteinander gewährleistet – optional

mit OPC UA perfektioniert. Der vernetzte zweite Betriebsmodus des Mitsubishi-Roboters ist die Kooperation mit der

Doppelband-Sortier-Förder-Anlage. Die Gesamtanlage bekommt den Befüllungsgrad der SoFö-Anlage über Profinet gemeldet und verfährt den Mitsubishi-Roboter an eine Position, aus der er die unterschiedlichen Zylinder aus den Teil-

Silos der SoFö-Anlage entnehmen kann und automatisch in den Silo-Turm der SoFö-Anlage wieder einfüllt. Optional

kann der Mitsu-Roboter auch quaderförmige Objekte aus der Würfel-Palette entnehmen und zusätzlich zu Zylindern in

den Silo-Turm der SoFö-Anlage einfüllen. Somit ist ein flexibler TIA Kreislauf auch an der SoFö-Anlage realisiert.

Die Gesamtanlage wird über zwei HMI Touchscreen-Visualisierungen bedient und beobachtet und mit RFID-

Bausteinen logistisch kontrolliert. RFID (Radio-Frequency IDentification = „Identifizierung mit Hilfe elektro-

magnetischer Wellen“) ist eine Technologie für Sender-Empfänger-Systeme zum automatischen & berührungslosen

Identifizieren & Lokalisieren von Objekten (oder Lebewesen) mit Radiowellen. Ein RFID-System besteht aus einem Transponder (RFID-Tag) am bewegten Objekt mit kennzeichnendem Code, sowie einem Lesegerät zum Auslesen der Kennung und Daten. Die Kopplung geschieht durch vom Lesegerät erzeugte hochfrequente Wechselfelder-Radiowellen. Damit werden sowohl Daten übertragen, als auch der Transponder mit Energie versorgt. .

Abb. 13.8: 7-Schichten-OSI-Modell + Berücksichtigung Siemens Netzwerk-Architektur für ATR-Lab-CIM-Verbund

Abb. 13.9: ATR-Lab:

OSI-Schichten basierte

Siemens-Vernetzung der

TIA-Netzwerke N1 und

N2 von CIM-Verbund

Kombianlage +

Doppelband Sortier- und

Förderanlage


CHEMICAL ENGINEERING ATR-Labor REKTIFIKATIONSANLAGE

14. DESTILLATION & REKTIFIKATION: Wichtigste, weltweit eingesetzte thermische Trennverfahren

der Verfahrenstechnik für Lebensmittel- und Agrarindustrie, GreenTech Anwendungen wie Meerwasserentsalzung etc

bis hin zur Öl- & Gasindustrie. Destillation ist die Trennung eines Stoffgemischs durch Verdampfen und anschließendes

Kondensieren. Rektifikation ist die mehrfache Destillation für höchste Reinheitsgrade separierbarer Stoffe und

chemische Elemente, wobei die Flüssigkeit und der Dampf in direktem Kontakt im Gegenstrom geführt werden.

Die DESTILLATION ist die wichtigste Trenn- und Reinigungsmethode für flüssige Substanzen. Voraussetzung

dafür ist, dass die Substanzen mit in der Regel sehr unterschiedlichen Siedepunkten ohne Zersetzung verdampfen und

ihre Dampfdrücke weit auseinanderliegen. Im einfachsten Fall der Destillation wird eine Flüssigkeit durch Wärmezufuhr

zum Sieden erhitzt und der entstandene Dampf in einem Kühler als Destillat kondensiert.

Die REKTIFIKATION stellt eine Erweiterung der Destillation oder auch eine Hintereinanderschaltung vieler

Destillationsschritte dar. Die Rektifikation dient meist der Trennung von Flüssigkeiten, bei denen die Siedepunkte der

einzelnen Komponenten in der Regel weniger als 80 °C auseinander liegen, ihre Dampfdrücke vergleichbar werden und

eine einfache Destillation nicht mehr ausreicht. Bei der Gegenstromdestillation der Rektifikation läuft fortwährend ein

Teil des Kondensats wieder dem Dampf entgegen. Dieses Prinzip lässt sich mit Destillationskolonnen realisieren. Die

wesentlichen Vorteile der Rektifikation sind, dass die Anlage kontinuierlich betrieben werden kann und dass der

Trenneffekt im Vergleich zur Destillation um ein Vielfaches höher ist, da der Dampf im Gegenstrom mit der Flüssigkeit

mehrfach hintereinander in Kontakt steht. Die Kolonne arbeitet energetisch günstiger, technisch weniger aufwändig und

platzsparender als eine Hintereinanderschaltung von Einfachdestillationen. Die Kontaktfläche zwischen der Dampf- und

Flüssigphase wird durch Einbauten (z. B. Glockenböden, Füllkörper, Packungen) bereitgestellt – Info folgende Bilder.

Damit die Studierenden der HSK auch vertiefte Kenntnisse im Bereich Chemical Engineering im Rahmen der

automatisierten & visualisierten Verfahrenstechnik kennen lernen und trainieren können, wurde im ATR-Labor neben

dem Spektrum der Automatisierungseinheiten und Roboter eine hochwertige Rektifikationslange TYP DN 30 von QVF PILOT-TEC installiert. Mit dieser Anlage werden primär flüssige Stoffgemische (z.B. Wasser, Alkohol, Weine etc)

getrennt oder gegenseitig nach Vorgabe angereichert. Dazu werden gewünschte Gemisch-Komponenten im Umlauf-

verdampfer in den gasförmigen Zustand überführt und mittels Rücklaufdestillation ein Teil des Gemisches entnommen.

Die Rektifikationsanlage wurde Industrie 4.0 orientiert mit einer voll-

automatischen Steuerung & Regelung in einer Serie von BA &

Master-Studierenden mittels S7-300 CPU, Zusatzbaugruppen SM 331+332 mit weiteren analogen Ein-/Ausgängen und HMI TP700

Touch Panel aufgerüstet. Alle Systemdaten sind lokal und vernetzt

verarbeitet und mit 2-Punkt- & PID-Regelung energetisch optimiert.

2016 wurde die Anlage mit einer aktuellen OPC-Schnittstelle erweitert

OPC Kurzbezeichnung für OLEPC= Object Linking and Embedding for Process Control. Hiermit Nutzung der digitalen Infrastruktur und Datenaustausch zwischen Komponenten der Automatisierungs-technik (SPS) und Windows-Applikationen wie z.B. Excel und Visual Basic etc möglich. OPC bietet eine standardisierte, offene und herstellerunabhängige Software-Schnittstelle, die mit verschiedenen Spezifikationen bearbeitet werden kann. Neben den Industrie 4.0 basierten SW Upgrades der Rektifikationsanlage bzgl. HMI+TIA+OPC Automation, Visualisierung und Vernetzung sind folgende Aspekte wichtig für die Installation dieser Rektifikationsanlage im ATR-Labor: a) Erlernen und Anwenden chemischer Verfahrenstechnik-Prozesse in der automatisierten Lebensmittel-Produktion, b) Green Tech ATR-Anwendungen: Meerwasserentsalzung, Energiebedarfsminimierung durch optimal geregelte Kolonnen-Heizung und fraktionierte Destillationsphasen, c) Verstehen analoger Rektifikations-Prozesse in Erdöl-Industrie mit x Fraktionierungen bei Gemisch-abhängigen (höheren) Temperaturen und Drucken. In Bildern 14.1 bis 14.5 und 14.9 bis 14.12 sind Aufbau & Funktion der ATR-Rektifikationsanlage skizziert - in Bildern 14.6 bis 14.8 analoge Fraktionsprozesse bei Erdöl-Rektifikationen zur Gewinnung von Brennkraftstoffen (Petroleum, Benzin, Diesel), Schmiermittel, Asphalt, Paraffine, Kosmetik-Produkte Abb. 14.1: Reale ATR-Lab-Rektifikation


Abb. 14.2: Prinzip der Wasser-Entsalzung in der ATR-Anlage und Erdöl-Industrie Abb. 14.3. ATR-Kopf-Fraktion .

Abb. 14.6. Fraktionen für Rohöl-Produkte Abb. 14.7. Schema Rohöl-Fraktionsturm Abb. 14.4. Kolonnen-Details

Abb. 14.8. Standardisierte Prozesskette von Rohöl, Entsalzung bis zu x Fraktionsprodukten Abb. 14.5. Basis Rektifikation


Abb. 14.9. Aufbau-Schema ATR-Lab-Rektifikationsanlage Abb. 14.10 ATR Rektifikationsanlage Bausteine+Funktionen

Abb. 14.11. Ethanol-Destillation aus H2O-C2H6O-Gemisch Abb. 14.12 Ethanol-Destillat C2H6O > Siede-Temp. >79°C

Weitere ATR-Lab Trainings- & Fertigungs-Units für „chemical + electrical + mechanical Engineering“:

HW-Units + SPS-Simulationen Laugenreinigungsanlage, Ampel- & Tor-Steuerung + CNC-Isel-Tischfräs-

maschine + FEM-Mechatronik Design Schnellschaltsystem für Kfz-Produktion ergänzen das Ausbildungs- und

F&E-Spektrum im Labor. Eine ATR-assoziierte 3D-Printer-Station Modell Vellemann K8200 wurde Industrie 4.0-

basiert zur Fertigung des virtual Reality 3D-Print-max-Light-Solar-Tracker-Roboters genutzt (Bild 6.1, Seite 10)


15. RÉSUMÉ & Ausblick: Eco Industrie 4.0 – Realisierungen im ATR-Lab

Industrie 4.0: Die heutige Automatisierungstechnik auf der Basis der Industrie-4.0-Forderungen, Ziele und

Visionen (Bild 15.1) ist durch ein interdisziplinäres Physik/Chemie/Mathematik-Spektrum (Bild 15.2), Verschmelzung

zentraler Engineering-Disziplinen (Bild 15.3), komplexes Projektmanagement und permanente Neuerungen geprägt:

Vor allem totale Integration flexibler und visualisierter Automatisierungssysteme (TIA-HMI-RFID-OPC), kreative

multifunktionale & interdisziplinäre Mechatronik- & Robotik-Entwicklungen, neue Technologien, Miniaturisierung

technischer Bauteile & Systeme (Nanotechnik), intelligente selbstlernende SW im IT-Spektrum, „Eco Green Tech“-

Optimierung & Applikationen (Bild 15.4), „virtual Reality“ Online/Offline-Prozesse, Cyber Physical Systems, 3D-

printed Automatisierungssysteme, riesige Datenströme & Mengen (big data), Integration aller IT- & Kommunikations-

plattformen, „Internet of (all) Things“-Vernetzungen (IoT-OSI), selbst-organisierenden Fabriken in allen Bereichen der

Produktions- und Verfahrenstechnik, Lebensmittelindustrie, Wirtschaft & Verkehr bis hin zur Medizintechnik etc.

Industrie-4.0-Komponenten ATR-Labor „Automatisierungstechnik+Robotik“: Naturgemäß können nicht alle

High Tech Realisierungen aus räumlichen, finanziellen und personellen Gründen installiert werden – Dennoch wurden

zentrale Säulen eines multidisziplinären Engineering im ATR-Labor eingebaut, permanent aktualisiert und realisiert.

Um ein möglichst breitbandiges Spektrum im ATR-Labor für Ausbildung und F&E zu berücksichtigen, wurden neben

dem Schwerpunkt Elektrotechnik + IT auch wichtige, verzahnte Bereiche des Maschinenbaus und der Chemietechnik

berücksichtigt und integriert, gesteuert, geregelt und visualisiert. Fast alle gesteuerten und geregelten Automatisierungs-

einheiten im ATR-Labor basieren primär auf aktuellster SW & HW von Siemens bzgl. SPS, TIA, HMI, RFID, OPC,

SIMOTION CONTROL kompakt und mit separat synchronisierten Mehr-Motoren-SINAMICS Drives. Die TTTR-

Portalkranroboter-Steuerung/Visualisierung ist die aktuellste B&R Automation SW & HW. Nicht auf dem Markt erhält-

liche Automatisierungssysteme wurden/werden mit multidisziplinärem Mechatronik Design laborintern entwickelt -

primär im Rahmen von Serien betreuter Master & BA-Projekte und häufig auch in Koop mit / Support durch externe

Firmen v.a. Siemens, B&R, ThyssenKrupp, Elektro-Bau, Festo etc. Beispiele laborinterner Entwicklungen 2013-2016:

3D-printed-Solar-Tracker-Roboter, 3D-virtual-reality-Online / Offline-SW-Entwicklung der Mitsubishi-Roboter-

Steuerung & Visualisierung, Sinamics-Antrieb für HW-Linearachse mit geregelt verfahrbarem Mitsubishi-Roboter,

HW- & SW-Ergänzungen & Segmentierungen der TIA-HMI-Kombi-Gesamtanlage, HW & SW Ergänzungen an der

Rektifikationsanlage inklusive Kühlkreislauf-Minimierung und v.a. das gesamte Upgrade des 2-to Portalkrans zum

automatisierten & 2½ D visualisierten TTTR-Portalkranroboter mit x-,y-,z-Positionierungen und mechanisch schwin-

gungsfreier Bewegung bei wählbaren Transversal-Geschwindigkeiten, neuem Magneto-Vakuum-Multi-Funktions-

greifer für max. 2.000 kg Lasten, Integration von Getriebe & Schrittmotor auf Greifer mit geregelt schwingungs-

minimierter 360° Greifer-Drehung am Seil sowie SPS + Mikrocontroller gesteuerte Greifer-interne & externer

Überwachungs-Elektronik & Sensorik (Strom, Spannung, Temperatur, Gewicht, Last-Distanz, Alarm, Gefahrenraum

etc). Alle HW & SW Erweiterungen & Entwicklungen berücksichtigen auch GreenTech-Aspekte & Forderungen.

Abb. 15.1 Realisierungen + Ziele für Industrie 4.0 im ATR-LAB Abb. 15.2 Physik Spektrum MECHATRONICS 4.0

Ausblick - Industrie 4.0 + Green Technology => Eco Industrie 4.0: Industrie 4.0 erfordert für

Produktionstechnik ein permanentes Anpassen und Weiterentwickeln von High Tech Forderungen und Zielen im

interdisziplinären Wissens- und Technik-Spektrum. Innovationen sind meist nur in einem integrativen Zusammenspiel

von Elektrotechnik + IT + Maschinenbau und gleichzeitiger Berücksichtigung aktueller Automatisierungstechnik,

Robotik, Mechatronik und erforderlichem Wissensbackground (Physik, Mathematik, Green Tech) möglich.


Verfahrenstechnik: Bei komplexen physikalisch-chemischen Prozessen muss der heutige Ingenieur neben vertieften

Kenntnissen in Elektrotechnik und Maschinenbau auch Chemietechnik-Prozesse verstehen (erlernen) & umsetzen

können. In allen Fällen sind in Industrie 4.0 jedoch aufgrund der globalen Erwärmungsproblematik parallel auch die

zentralen Bereiche der Green Technology zu erfüllen. Die beste Automatisierung ist nicht oder nur kurz- oder

mittelfristig von Vorteil, wenn nicht gleichzeitig der Energiebedarf und damit verbundene Kosten für innovative

Automatisierungen reduziert oder minimiert werden können. Globale Erwärmung (Prävention) ist immer verbunden

mit den 3 Bereichen Energieeffizienz (Verbesserung) + Ressourcen (Konservierung) + Ökosystem (Erhaltung). Z.B.

verbessert der Solar-Tracker-Roboter durch immer senkrechten Lichteinfall auf die Solarpanels die Energieeffizienz -

optimal gesteuerte und geregelte Automatisierungen für beschriebene Kombi-Anlage, Portalkranroboter, Simotion

Control Applikationen ebenfalls. Optimiert geregelte, kostenreduzierte Heizphasen sind auch für die Rektifikations-

anlage ein realisierter Green Tech Aspekt – jedoch wird hier die Anlage und die Umwelt durch Hitze belastet.

MECHATRONIK-Design: Besonders große Energieeffizienz durch optimierte, interdisziplinäre Mechatronik:

Beispiel 1 im ATR-Lab: „Upgrade 2-to Portalkran zu Portalroboter (vgl. Bilder 8.1 bis 8.6). Der neue TTTR-

Portalkranroboter mit Kombi-Greifer-Entwicklung für 2.000 kg Lasten wurde konzeptionell, TIA-HMI-orientiert,

elektrisch, elektronisch, pneumatisch, mechanisch, thermisch und feldnumerisch elektromagnetisch so ausgelegt, dass

1. mindestens 700 kg Eisenlast nur durch permanentmagnetische Krafterzeugung ohne jegliche externe Energiezufuhr gehalten

werden kann. Die elektrischen Kompensations- & gleichzeitig Kraftverstärkung-Spulen wurden so integriert & dimensioniert, dass

2. diese Spulen selbst bei (theoretischer) Dauer-Bestromung (1 A/mm², ca. 1500 Wdg) das Greifer-System und die Umwelt nicht

belasten (ca 1°C/Stunde Dauerstrom). Die elektromagnetischen Kompensationsfelder wurden gleichzeitig so dimensioniert, dass

3. bei elektrischer Kompensation selbst dünnste FE-Bleche abfallen und nicht aufgrund magnetischer Restfelder „kleben“ bleiben.

4. Bei Umkehr des Kompensationsstroms kann der Greifer eine ferromagnetische Last von 1.500 kg magnetisch bei nur 16,5 Watt

externer elektrischer Leistung/ Energiezufuhr halten – 33 Watt bei Spulen-Parallel-Schaltung für synchrone Erregung. Greifer wurde

5. EMV-orientiert so ausgelegt, dass in allen Belastungsphasen keine elektromagnetischen Felder aus ihm in den seitlichen &

oberen Außenraum des Systems dringen können. Für die visualisierte Steuerung, Kontrolle & Gefahrenraum-Überwachung wurde

6. ein Spektrum von Sensoren - parallel SPS- & Mikrokontroller-gestützt - in den Greifer integriert. Die Lösung der Problematik,

dass der Greifer bei Portalkränen aufgrund der mechanisch vorgegebenen Seil-Aufhängung im Hebewerkzeug der Laufkatze in der

Kranbrücke normalerweise nicht ferngesteuert / automatisch über zu greifendem Objekt gedreht werden kann, erfolgte durch ein

7. neu entwickeltes elektromotorisch-mechanisches Mechatronik-„Greifer-Sub-System“: Die mit dem Greifer integrierte Schritt-

motor-Getriebe-Einheit interagiert zur +(-) 180° Rotation über Zahnrad-Kraftübertragung mit einem drehbaren, in die nicht drehbare

Seiltrommel integrierten Kurz-Schaft. Potentiell mögliche Drehschwingungen während der Greifer-Rotation werden hierbei durch

Getriebe-Schrittmotor-Regelung minimiert bzw. unterbunden. Zur Verhinderung transversaler Seil-Schwingungen während des

Zwei-Punkt-regelbaren Greifer-Lasten-Transportes der Laufkatze in horizontaler Richtung im Kranbrücken-Arbeitsbereich wurde

8. eine Mechanik-Vorrichtung mit 2 Fixier-Flanschen auf dem Greifer und einem neuen Arretier- & Käfig im Antriebs- &

Hubmotorenbereich der Kranwagen-Laufkatze auf den Transversalschienen-Hauptträgern der Kranbrücke entworfen und in die

Laufkatze direkt integriert. Das erste Upgrade des, im Jahr 2011 nur mit Handtaster zu bedienenden 2-to-Kranhaken-Portalkrans:

9. Konzeption und Realisierung notwendiger neuer und umzurüstender Aktoren, Sensoren und Schnittstellen zwischen allen, für

die avisierte Automation notwenigen HW-Bausteinen. Sensorik-Voraussetzungen für einen automatisierten Portalkran-Roboter mit

Software-gesteuerten und visualisiert exakt positionierbaren Laufkatze-Kranwagen-Bewegungen erforderte zu Beginn dieses

Projektes die kreative Umsetzleistung von einer Vielzahl von Master-Studierenden mit diversen Mechatronik-Umrüstungen im

gesamten Kranbrücken-Bereich: z.B. Konstruktion & Einbau von Dekodier-Mimik HW & Elektronik für transversale Positions-

erfassung in den Laufkatzen-Rollen sowie Absenk- & Hub-Dekodier-Mimik im Hebewerkzeug (Hub-Aktor) integriert, an Laufkatze

angebauter Schaltkasten (für Steuer-Elektronik, elektrische und pneumatische Energieversorgung, Steuer- & Sensorleitungen) als

Kommunikations- & Versorgungsschnittstelle zwischen B&R Automation Touchscreen-Computer sowie neuem Kombi-Greifer,

Umrüstung & Einbau von diversen weiteren Leitungen für Energieversorgung, Sensoren und Komponenten-Kommunikation im

Kranbrücken-Bereich, zig meterlange neue Pneumatik-Schlaufenleitungen inklusive Pressluft-Energieversorgung in den Greifer-

Raum (zum Heben von nicht-ferromagnetischen Objekten bis max. 180 kg), Kommunikationsleitungen + Anschluss-Elektrik &

Elektronik von B&R Automation zur Gesamtanlage. Eine, für dieses Portalroboter-Projekt wichtige Mechatronik-Leistung wurde

10. durch eine Masterprojektgruppe im SS2016 realisiert: Cross-Check HW & SW Ist-Zustand, Korrekturen, Vereinfachungen,

Erweiterungen, sowie Stromlaufplan-Erstellung der kompletten Portalkranroboter-Anlage - basierend auf dem Ist-Zustand 2015/16

nach über 20 Masterprojekt-Arbeiten seit 2011 bis heute. Optisch-funktionales Resultat mit mechanischer Bündelung aller losen

elektrischen & pneumatischen Versorgungs- & Kommunikationsleitungen sowie an Laufkatze neu strukturierter Mechanik-

Elektrik-Elektronik-Schaltkasten und vergrößertem Einbauraum für notwendig neue I/O-Anschlüsse bzgl. noch möglicher TTT-R-

Portalkranroboter-Optimierungen. Weitere Mechatronik-Beispiele im ATR-Labor zur flexibleren, schnelleren oder/und kosten-

günstigeren Automation, Aktorik & Sensorik-Design für Produktions- & Verfahrenstechnik bis 3D-printed GreenTech-Robotik:

Beispiel 2: ATR-Mechatronik - 3D-PRINT max-light-seeking-solar-tracker Roboter-Entwicklung (vgl. Bild 6.1)

Beispiel 3: ATR-Mechatronik - el-mech-magnetischer Greifer für IBM-Roboter-Bahnhof-Station (vgl. Bild 11f)

Beispiel 4: ATR-Mechatronik - elektro-mech Splittung SoFö-Anlage in separat steuerbare Units (vgl. Bild 12f)

Beispiel 5: ATR-Mechatronik - el-motorisch-mechanische Hubtisch-Unit von CIM-RoFö zu IBM (vgl. Bild 13f)

Beispiel 6: ATR-Mechatronik - Sinamics geregelte Linearachse - Transport für Mitsubishi-Roboter (vgl. Bild 13f)

Beispiel 7: ATR-Mechatronik - el-mech-chem Umrüstung Rektifikation geschlossener Kühlkreislauf (vgl. Bild 14f)


INDUSTRIE 4.0 Forderungen, Visionen und Verwirklichungschancen sind in den Firmen- & Ministerien Quellen

[6] bis [14] aus verschiedenen Blickwinkeln skizziert – und im ATR-Labor mit Industrie 4.0-Komponenten für

Produktionstechnik & Verfahrenstechnik mit aktuellster SW & HW von SIEMENS und B&R in einigen Anwendungen

realisiert. In einem Satz kann Industrie 4.0 nach [12] umrissen werden: „Die Verbindung von physischen und digitalen Prozessen bei der industriellen Produktion und die intelligente Vernetzung von Mensch und Maschine in der gesamten Wertschöpfungskette“. Die industrielle Wertschöpfung ist firmenspezifisch und produktabhängig gewichtet. Hochschulintern im Labor ist die Wertschöpfung von den gesetzten Schwerpunkten im Bereich Engineering, vorhan-dener HW & SW und Manpower für Umsetzung, Anwendung und Weiterentwicklung abhängig. Physische Prozesse (HW) lassen sich mit digitalen Prozessen (SW, Netze) hinsichtlich „virtual reality“, „internet of all things“ etc in intelligenter Vernetzung von Mensch und Maschine mit TIA, HMI, RFID, OPC, Profinet etc realisieren – allerdings nur, wenn die kommunikationsfähige HW und die aktuelle SW vorhanden sind. Diese parallele Voraussetzung ist jedoch sowohl industriell wie laborintern im Regelfall (noch) nicht durchgängig erfüllt. Schlüsselfunktion für eine Industrie-4.0-basierte Vollautomatisierung aller vernetzten HW Komponenten ist der interdisziplinäre Bereich Mechatronik. Neben der Erfüllung der Industrie 4.0-Forderungen wird industriell – wie auch im ATR-Labor – verstärkt Wert auf

innovative Entwicklung intelligenter Systeme mit alternativer, umweltschonender Energieerzeugung gelegt werden.

Abb. 15.3 verzahnte ATR-LABOR-Struktur

electrical + mechanical + chemical Engineering mit Schwerpunkten: Automation, Mechatronik,

Robotik, IT & interdisziplinäres Wissen 2016

Abb. 15.4 GREEN TECH SPEKTRUM in allen Lebens- & Produktionsbereichen

ECO INDUSTRIE 4.0 verzahnte Engineering-Bereiche Elektrotechnik, Maschinenbau,

Chemietechnik etc. Kernbereiche: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Robotik, IT &

GREEN TECH alternative Energie, Wissens- & Projektmanagement … und Kreativität

DANKSAGUNG: Industrie 4.0 erfordert ein permanentes Anpassen und Weiterentwickeln von High Tech

Forderungen und Zielsetzungen in einem interdisziplinären Wissens- und Technik-Spektrum. Der Ist-Zustand des ATR-

Labors 2016 mit aktuellsten HW & SW Systemen von Siemens & B&R Automation sowie diversen Industrie 4.0-

Komponenten ist einer Vielzahl sehr guter Master- & BA-Projektarbeiten, exzellenter Laboringenieur-Kooperation und

Koordination, Unterstützung einiger HSK-Kollegen sowie v.a. diversen High Tech Firmen & deren auch finanziell

großem Support zu verdanken. Für alle wertvollen Beiträge durch Projekt-Studierende, HSK-Mitarbeiter und den

Firmen v.a. Siemens, B&R Automation, ThyssenKrupp Magnettechnik & Rasselstein, Festo, Elektro-Bau etc wird an

dieser Stelle von Prof. Stanek und Laboringenieur F. Halfmann ausdrücklich gedankt!

QUELLEN: [1] Systemtechnik + Wissensmanagement: http://www.wolfram-stanek.de [2] Details zu ATR-Labor : a) Aktuelle ATR-Details, Medien + PR , b) Weitere ATR-Units, [3] Virtueller 3D-Rundgang durch Labor Automatisierungstechnik & Robotik + HS Koblenz [4] VDE Jahrbuch Arbeitsmarkt Elektrotechnik + IT: ATR-Lab: W.Stanek, F.Halfmann HSK & Internship [5] Wikipedia et.al. Petroleum refining processes – Rectification – Distillation Towers [6] SIEMENS – INDUSTRIE 4.0 – Die Zukunft hat begonnen [7] B&R Automation – INDUSTRIE 4.0 bietet große Chancen [8] THYSSENKRUPP – INDUSTRIE 4.0 – Die vierte industrielle Revolution [9] FESTO – INDUSTRIE 4.0 – Auf dem Weg zur Produktion der Zukunft [10] BOSCH – INDUSTRIE 4.0 - Intelligente Lösungen für die vernetzte Fertigung [11] VOLKSWAGEN – INDUSTRIE 4.0 – Große Chance für die Arbeit [12] DAIMLER – INDUSTRIE 4.0 – Was ist das eigentlich? … Der digitale Wandel [13] BMBF – Bundesministerium Bildung, Forschung: „Zukunftsprojekt INDUSTRIE 4.0“ [14] BMUB – Bundesministerium Umwelt, Naturschutz: „Green Tech made in Germany 4.0“ [15] Ausarbeitungen Serie von Master- & BA-Projekten im ATR-Lab 2013-2016

http://www.wolfram-stanek.de/

http://www.wolfram-stanek.de/index_1open_2013.html

http://www.wolfram-stanek.de/ATLABOR.HTM


http://www.wolfram-stanek.de/VDE_Arbeitsmarkt_ETechnik_IT_2014_Lab_AT_Robot.pdf

http://images.google.de/imgres?imgurl=https%3A%2F%2Fupload.wikimedia.org%2Fwikipedia%2Fcommons%2F9%2F94%2FCrude_Oil_Distillation_Unit.png&imgrefurl=https%3A%2F%2Fen.wikipedia.org%2Fwiki%2FPetroleum_refining_processes&h=445&w=505&tbnid=JpwbUZSTT7Dn7M%3A&docid=RUleC9WvwtoNNM&ei=xtIGWJCjNYuwsQH_xpbwDQ&tbm=isch&client=firefox-b-ab&iact=rc&uact=3&dur=1198&page=0&start=0&ndsp=40&ved=0ahUKEwiQnszt4eXPAhULWCwKHX-jBd4QMwghKAMwAw&bih=952&biw=1680

http://www.siemens.com/entry/de/de/ingenuity-for-life/#chapter-future-of-manufacturing

https://www.br-automation.com/de/unternehmen/presse/industrie-40-bietet-grosse-chancen/

https://www.thyssenkrupp.com/de/unternehmen/innovation/industrie-4-0/

https://www.festo.com/group/de/cms/11903.htm

https://www.bosch-si.com/de/loesungen/fertigungsindustrie/industrie-4-0/industrie-4-0.html

http://www.volkswagenag.com/content/vwcorp/info_center/de/news/2015/04/nachhaltigkeit_twitter/neumann_essay.html

https://www.daimler.com/innovation/digitalisierung/industrie4.0/

https://www.bmbf.de/de/zukunftsprojekt-industrie-4-0-848.html

http://www.greentech-made-in-germany.de/en/

http://www.wolfram-stanek.de/VDE_Arbeitsmarkt_ETechnik_IT_2014_Lab_AT_Robot.pdf

Labor Automatisierungstechnik + Robotik - wolfram … · Automation, Robotik, Mechatronik Design ,...

Documents

Transcript of Labor Automatisierungstechnik + Robotik - wolfram … · Automation, Robotik, Mechatronik Design ,...