Lernfabrik 4.0 24V

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Die fischertechnik Lernumgebung dient zum Lernen und Begreifen von Industrie-4.0-Anwendungen in der Berufsschule und Ausbildung sowie zum Einsatz für Forschung, Lehre und Entwicklung an Universitäten, in Betrieben und IT-Abteilungen. Die Simulation bildet den Bestellprozess, den Produktionsprozess und den Lieferprozess in digitalisierten und vernetzten Prozessschritten ab.

Fabrikabbild

Die Lernfabrik besteht aus den Fabrikmodulen Ein- und Auslagerungsstation, Vakuum-Sauggreifer, Hochregallager, Multi-Bearbeitungsstation mit Brennofen, einer Sortierstrecke mit Farberkennung, einem Umweltsensor sowie einer schwenkbaren Kamera. Nach Anlieferung von Rohware erfolgt die Einlagerung im Hochregallager und nach Bestellung im Dashboard, durchlaufen die Werkstücke die jeweiligen Fabrikmodule und der aktuelle Status ist sofort im Dashboard sichtbar.

Der integrierte Umweltsensor meldet Werte zu Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und Luftqualität. Die Kamera sieht durch den vertikalen wie horizontalen Schwenkbereich die gesamte Anlage ein und ist so für eine webbasierte Fernüberwachung nutzbar.

Die einzelnen Werkstücke werden durch NFC (Near Field Communication) getrackt: Jedes Werkstück erhält eine eindeutige Identifikationsnummer (ID). Das ermöglicht die Rückverfolgung und Sichtbarkeit des aktuellen Status der Werkstücke im Bearbeitungsprozess.

Steuerung

Die Lernfabrik 4.0 24V wird durch eine SPS gesteuert (Markenunabhängig, nicht im Lieferumfang enthalten) und hat ein fertig geschriebenes Beispielprogramm (als Strukturierter Text, ST) im Lieferumfang enthalten. Das Programm wurde auf Basis einer Siemens S7-1500 erstellt (Details dazu siehe auf dieser Seite unter “Downloads”).

Die neu entwickelten 24V-Adapterplatinen als Schnittstelle zur SPS sind in der Lernfabrik vormontiert und werden über Klemmen mit der SPS verbunden. Unter anderem können mit dieser neuesten Adapterplatinen-Generation

  • die Encoder-Motoren in der Geschwindigkeit über PWM gesteuert werden
  • gibt es Push/Pull Ausgangsstufen für Fototransistoren und Taster

Zusätzlich ist ein fischertechnik TXT Controller installiert. Dieser wird über die Adapterplatine mit Strom versorgt und sorgt für die Verbindung zur fischertechnik Cloud. Zudem kommuniziert der TXT Controller in MQTT an das IOT-Gateway (Raspberry Pi), welches wiederum in OPC-UA an die SPS Steuerung übersetzt. So lassen sich einerseits die 9V-basierten Komponenten wie der Umweltsensor, die USB-Kamera, der Helligkeitssensor und der NFC-Reader über die MQTT Schnittstelle ansprechen und von der SPS auslesen. Noch interessanter dürfte jedoch eine weitere Funktion des IOT Gateways sein, nämlich die Möglichkeit einer optionalen Anbindung an eine eigene Cloud. So bietet die Lernfabrik 4.0 maximale Flexibilität für den jeweiligen Anwender.

Fabrikabbild

Die Lernfabrik besteht aus den Fabrikmodulen Ein- und Auslagerungsstation, Vakuum-Sauggreifer, Hochregallager, Multi-Bearbeitungsstation mit Brennofen, einer Sortierstrecke mit Farberkennung, einem Umweltsensor sowie einer schwenkbaren Kamera. Nach Anlieferung von Rohware erfolgt die Einlagerung im Hochregallager und nach Bestellung im Dashboard, durchlaufen die Werkstücke die jeweiligen Fabrikmodule und der aktuelle Status ist sofort im Dashboard sichtbar.

Der integrierte Umweltsensor meldet Werte zu Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und Luftqualität. Die Kamera sieht durch den vertikalen wie horizontalen Schwenkbereich die gesamte Anlage ein und ist so für eine webbasierte Fernüberwachung nutzbar.

Die einzelnen Werkstücke werden durch NFC (Near Field Communication) getrackt: Jedes Werkstück erhält eine eindeutige Identifikationsnummer (ID). Das ermöglicht die Rückverfolgung und Sichtbarkeit des aktuellen Status der Werkstücke im Bearbeitungsprozess.

Steuerung

Die Lernfabrik 4.0 24V wird durch eine SPS gesteuert (Markenunabhängig, nicht im Lieferumfang enthalten) und hat ein fertig geschriebenes Beispielprogramm (als Strukturierter Text, ST) im Lieferumfang enthalten. Das Programm wurde auf Basis einer Siemens S7-1500 erstellt (Details dazu siehe auf dieser Seite unter “Downloads”).

Die neu entwickelten 24V-Adapterplatinen als Schnittstelle zur SPS sind in der Lernfabrik vormontiert und werden über Klemmen mit der SPS verbunden. Unter anderem können mit dieser neuesten Adapterplatinen-Generation

  • die Encoder-Motoren in der Geschwindigkeit über PWM gesteuert werden
  • gibt es Push/Pull Ausgangsstufen für Fototransistoren und Taster

Zusätzlich ist ein fischertechnik TXT Controller installiert. Dieser wird über die Adapterplatine mit Strom versorgt und sorgt für die Verbindung zur fischertechnik Cloud. Zudem kommuniziert der TXT Controller in MQTT an das IOT-Gateway (Raspberry Pi), welches wiederum in OPC-UA an die SPS Steuerung übersetzt. So lassen sich einerseits die 9V-basierten Komponenten wie der Umweltsensor, die USB-Kamera, der Helligkeitssensor und der NFC-Reader über die MQTT Schnittstelle ansprechen und von der SPS auslesen. Noch interessanter dürfte jedoch eine weitere Funktion des IOT Gateways sein, nämlich die Möglichkeit einer optionalen Anbindung an eine eigene Cloud. So bietet die Lernfabrik 4.0 maximale Flexibilität für den jeweiligen Anwender.

Software

Das SPS-Programm zur Steuerung der fischertechnik Lernfabrik 4.0 wurde als Strukturierter Text (ST) auf Basis einer Siemens S7-1500 erstellt und ist im eLearning-Portal aufrufbar. Es kann ebenfalls auf Github.com/fischertechnik eingesehen, kostenfrei genutzt und heruntergeladen werden. Natürlich kann die Lernfabrik auch mit anderen SPS-Modellen und -Marken gesteuert sowie individuelle Lösungen selbst programmiert und umgesetzt werden. Eventuell sind dann am Beispielprogramm kleine Anpassungen notwendig, die selbstständig umzusetzen sind.

fischertechnik Cloud

Über den mitgelieferten und in die Lernfabrik integrierten WLAN-Router wird die Verbindung zur fischertechnik Cloud aufgebaut. Empfehlenswert ist dabei die Verwendung der Webbrowser Chrome oder Firefox. www.fischertechnik-cloud.com. Die Server der Cloud befinden sich in Deutschland und gewährleisten, dass für die Speicherung der Daten die strengen europäischen Anforderungen gelten. Persönliche Daten werden in einem Account mit Passwortzugang geschützt, der den sehr sicheren „OAuth2“ Industrie-Standard verwendet. Alle gesendeten Daten zur Cloud werden mit Zertifikaten verschlüsselt übertragen (https-Standard).

2 Dashboards, Raspberry Pi und Node-RED

Das fischertechnik Dashboard in der Cloud kann über mobile Endgeräte wie Tablet und Smartphone sowie am Laptop und PC aufgerufen und bedient werden. Zusätzlich ist ein lokales Dashboard, erstellt mit Node-RED, auf dem Raspberry Pi (IOT-Gateway) implementiert, und es können via Node-RED auch eigene Dashboards erstellt werden.

Die in der Lernfabrik 4.0 enthaltenen Dashboards ermöglichen die Darstellung von Plattformen aus drei unterschiedlichen Perspektiven:

  • Kundensicht
  • Lieferantensicht
  • Produktionssicht

In der Kundensicht ist eine Webshop-Oberfläche mit Warenkorb abgebildet, auf der man ein Werkstück bestellen und den aktuellen Status der Bestellung im Warenkorb verfolgen kann. Dieser Verlauf wird auf der Oberfläche für den Kunden angezeigt, sodass dieser über den Status seiner Bestellung informiert ist.

In der Lieferantensicht wird der Vorgang zur Bestellung der Rohware dargestellt und visualisiert.

In der Produktionssicht können der Fabrikstatus, der Produktionsprozess, der Lagerbestand, der NFC/RFID-Reader sowie die Sensorwerte abgefragt werden.

Darüber hinaus lässt sich hier auch die Kamera steuern, die die Fertigungsstraße überwacht. All diese Funktionen werden innerhalb eines Fensters angesteuert und über das Menü umgeschaltet.

Im Fabrikstatus wird der Status des jeweiligen Moduls über eine Ampeldarstellung visualisiert. Tritt eine Störung in der Produktion auf, wird diese nach Behebung der Ursache über einen Button quittiert und die Produktion wird fortgeführt.In der Ansicht Produktionsprozess sind die einzelnen Fertigungsschritte durch verbundene Knotenpunkte visuell vereinfacht dargestellt. Der jeweils aktive Knoten (=Produktionsmodul) leuchtet grün oder rot, wenn der jeweilige Prozessschritt live in Bearbeitung ist oder ein Fehler vorliegt und auf Behebung wartet.

Die Produktionsansicht Lagerbestand visualisiert den aktuellen Lagerbestand der Werkstücke inklusive Mindest- und Maximalbestand. Ein Bestellpunktverfahren ist hinterlegt. Diese Produktionsansicht dient ausschließlich der Visualisierung.Die Produktionsansicht des NFC/RFID-Readers zeigt die Daten des Werkstücks an und kann dazu verwendet werden, Werkstücke manuell auszulesen oder zu löschen. Die Rohdaten der NFC-Tags können mit einer Standard NFC-App von mobilen Geräten mit NFC-Reader ausgelesen werden. Jedes Werkstück hat eine eigene, unverwechselbare ID und bildet folgende Daten ab: Status, Farbe und Zeitstempel von Anlieferung bis Versand.Die Kamera wird ebenfalls über die Produktionsansicht angesteuert und auch die ausgelesenen Werte des Umweltsensors sind hier einsehbar.

AV/VR, Digitaler Zwilling

Alle fischertechnik Trainings- und Simulationsmodelle lassen sich ideal auch für digitale Anwendungen und Demonstratoren einsetzen. Die dafür notwendigen CAD-Daten stellen wir Ihnen gerne zur Verfügung.

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