Automatisierte Generierung, Adaption und Rekonfiguration von Co-Simulationen für modulare Produktionsanlagen
Creators: name: Härle, Christian
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: Co-Simulation
Modellierung und Simulation
Assistenzsystem
Modulare Produktionsanlagen

description: Simulation nimmt eine zunehmend wichtige Rolle im Engineering und Betrieb von Maschinen und Anlagen ein. Simulation kann genutzt werden, um Experimente an noch nicht existierenden oder zur Verfügung stehenden Anlagen durchzuführen, um unterschiedliche Systemkonfigurationen zu testen oder um Informationen über nicht beobachtbare interne Vorgänge zu sammeln. Um volatilen Anforderungen und Randbedingungen (z. B. durch Kunden, neue Normen, Gesetze und Richtlinien, Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz) gerecht zu werden und dabei trotz allem die Rentabilität der Produktionsanlagen sicherzustellen, werden diese Anlagen zunehmend in modularer Bauweise konzipiert. Durch die Wandelbarkeit der Anlage nehmen die ohnehin umfangreichen manuellen Abläufe, die mit deren Modellierung und Simulation einhergehen, noch weiter zu. Diese Modellierungstätigkeiten sind fehleranfällig, kostenintensiv und erstrecken sich über den kompletten Lebenszyklus der Produktionsanlage. Folglich wird eine Lösungsmethode benötigt, welche es Ingenieuren ermöglicht, Simulation unkompliziert, schnell und kosteneffizient über den kompletten Lebenszyklus einer modularen Produktionsanlage einsetzen zu können. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein Lösungskonzept für die (teil-)automatische Generierung, Adaption und (Re-)Konfiguration von Simulationsmodellen für modulare Produktionsmaschinen und -anlagen zu entwickeln. Hierzu werden einerseits die Voraussetzungen analysiert, die erfüllt werden müssen, um eine solche (Teil-)Automatisierung zu erreichen. Des Weiteren wird erläutert, welche Informationen benötigt werden und welcher Automatisierungsgrad für die Modellgenerierung und -adaption erzielt werden kann. Aus dem formulierten Handlungsbedarf werden insgesamt neun Anforderungen, die verschiedene Lebenszyklusphasen adressieren, abgeleitet. Die umfassende Analyse des Stands von Wissenschaft und Technik hat ergeben, dass keiner der bestehenden Lösungsansätze alle entwickelten Anforderungen vollumfänglich erfüllt. Der Hauptgrund hierfür ist, dass keine der bestehenden Lösungen mit dem Ziel entworfen wurde, den kompletten Lebenszyklus der Anlage abzudecken. Aus diesem Defizit ergab sich der Handlungsbedarf, ein neues, lebenszyklusübergreifendes Lösungskonzept zu entwickeln. Bei dem in dieser Arbeit entwickelten Gesamtkonzept handelt es sich, entsprechend der Lebenszyklusphasen Inbetriebnahme, Betrieb und Umbau, um ein dreistufiges Konzept. Die jeweiligen Konzeptstufen bauen dabei auf den vorherigen auf. Zur Überprüfung des vorgestellten Gesamtkonzepts hinsichtlich der definierten Anforderungen wurde ein prototypisch implementiertes Assistenzsystem auf zwei modulare Produktionsanlagen aus unterschiedlichen Domänen des Maschinen- und Anlagenbaus angewandt. Die Validierung hat gezeigt, dass das Assistenzsystem für beide Systeme über deren kompletten Lebenszyklus angewandt werden kann und dadurch der manuelle Modellierungsaufwand sowie die starke Abhängigkeit vom individuellen Wissen der Modellierungsexperten reduziert wird. Das Assistenzsystem, welches eine Implementierung des Lösungskonzepts darstellt, erfüllt alle definierten Anforderungen. Weiterhin konnten, im Rahmen der Kapitel zu den jeweiligen Teilkonzepten, die aufgestellten Forschungsfragen bezüglich der Voraussetzungen, der benötigten Informationen und des erreichten Automatisierungsgrades beantwortet werden. Den Abschluss der Arbeit bildet eine kritische Würdigung, in der die offenen Punkte des entwickelten Konzepts als Basis für Folgearbeiten erläutert werden.