Wissensbasiertes Engineering cyber-physischer Prozessanlagen

Teilautomatisierte Synthese von Anlagentopologien

  • Grischan Engel
  • Thomas Greiner Hochschule Pforzheim

Abstract

Cyber-physische Prozessanlagen entsprechen verfahrenstechnischen Produktionssystemen, die auf cyber-physischen Systemen basieren. Die resultierenden wandelbaren und flexiblen Anlagentopologien können auf wechselnde Anforderungen angepasst werden. Sie weisen jedoch, bedingt durch die verteilte Architektur, eine hohe Engineering-Komplexität auf. Bestehende Ansätze zur Reduktion des Engineering-Aufwands vernachlässigen vorhandene Freiheitsgrade beim technischen Entwurf dieser Systeme. In diesem Beitrag wird ein wissensbasiertes Verfahren zur teilautomatisierten Synthese von Topologien cyber-physischer Prozessanlagen vorgestellt. Es beruht auf ontologischer Wissensmodellierung in Kombination mit einem vierschrittigen Engineering-Workflow. Darin werden auf Grundlage eines formalisierten verfahrenstechnischen Rezepts Prozessmodule und Dienste ausgewählt und zu Anlagentopologien verknüpft. Die Anwendbarkeit des Ansatzes wird mittels zweier, durch Fachexperten validierten, Fallstudien
im Bereich der Lebensmittelproduktion aufgezeigt.

References

  1. Biffl, S., Lüder, A., und Gerhard, D. (Hrsg.). (2017). Multi-Disciplinary Engineering for Cyber-Physical Production Systems: Data Models and Software Solutions for Handling Complex Engineering Projects. Springer.
  2. Kagermann, H., Wahlster, W., und Helbig, J. (2013). Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0: Deutschlands Zukunft als Produktionsstandort sichern. Abgerufen von: https://www.bmbf.de/files/Umsetzungsempfehlungen_Industrie4_0.pdf
  3. Vogel-Heuser, B., Bayrak, G., und Frank, U. (2012). Forschungsfragen in „Produktionsautomatisierung der Zukunft“. Abgerufen von: https://www.acatech.de/wp-content/uploads/2018/03/acatech_Materialband_Nr15_WEB.pdf
  4. VDI/VDE-Gesellschaft Mess und Automatisierungstechnik (GMA). (2013). Cyber-physical systems: Chancen und Nutzen aus Sicht der Automation, Thesen und Handlungsfelder. Abgerufen von: https://www.vdi.de/technik/fachthemen/mess-und-automatisierungstechnik/fachbereiche/thesen-und-handlungsfelder
  5. VDI/VDE-Gesellschaft Mess und Automatisierungstechnik (GMA). (2015). Reference Architecture Model Industrie 4.0 (RAMI4.0). Abgerufen von: https://www.zvei.org/fileadmin/user_upload/Presse_und_Medien/Publikationen/2016/januar/GMA_Status_Report__Reference_Archtitecture_Model_Industrie_4.0__RAMI_4.0_/GMA-Status-Report-RAMI-40-July-2015.pdf
  6. NAMUR. (2003). NE 33: Anforderungen an Systeme zur Rezeptfahrweise. NAMUR: www.namur.net
  7. IEC 61512-1:1997. (1997). Batch control - Part 1: Models and terminology. IEC: www.vde-verlag.de
  8. IEC 62264-1:2013. (2013). Enterprise-Control System Integration - Part 1: Models and Terminology. IEC: www.iso.org
  9. Christen, D. S. (2009). Praxiswissen der chemischen Verfahrenstechnik: Handbuch für Chemiker und Verfahrensingenieure. Springer-Verlag.
  10. NAMUR. (2013). NE 148: Anforderungen an die Automatisierungstechnik durch die Modularisierung verfahrenstechnischer Anlagen. www.namur.net
  11. VDI/VDE/NAMUR 2658 Blatt 1:2017-06 – Entwurf. (2017). Automatisierungstechnisches Engineering modularer Anlagen in der Prozessindustrie - Allgemeines Konzept und Schnittstellen. VDI: www.beuth.de
  12. Holm, T. (2016). Aufwandsbewertung im Engineering modularer Prozessanlagen.
  13. Engel, G., Greiner, T., und Seifert, S. (2018). Ontology-assisted engineering of cyber–physical production systems in the field of process technology. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 14(6), (pp. 2792-2802).
  14. Loskyll, M. (2013). Entwicklung einer Methodik zur dynamischen kontextbasierten Orchestrierung semantischer Feldgerätefunktionalitäten. Technische Universität Kaiserslautern
  15. Verbiest, F., Cornelissens, T., und Springael, J. (2017). Design of a chemical batch plant with parallel production lines: Plant configuration and cost effectiveness. Computers & Chemical Engineering, 99, (pp. 21-30).
  16. Barbosa-Póvoa, A. P. (2007). A critical review on the design and retrofit of batch plants. Computers & Chemical Engineering, 31(7), (pp. 833-855).
  17. Otto, J., Henning, S., und Niggemann, O. (2014). Why cyber-physical production systems need a descriptive engineering approach–a case study in plug & produce. Procedia Technology, 15, (pp. 295-302).
  18. Henning, S., Niggemann, O., Otto, J., und Schriegel, S. (2014). A descriptive engineering approach for cyber-physical systems. In Proceedings of the 2014 IEEE Emerging Technology and Factory Automation (ETFA) (pp. 1-4). IEEE.
  19. Merkumians, M. M., Baierling, M., und Schitter, G. (2016). A service-oriented domain specific language programming approach for batch processes. In 2016 IEEE 21st International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA) (pp. 1-9). IEEE.
  20. Bloch, H., Fay, A., Knohl, T., Hensel, S., Hahn, A., Urbas, L., ... und Haller, A. (2017, July). Model-based engineering of CPPS in the process industries. In 2017 IEEE 15th International Conference on Industrial Informatics (INDIN) (pp. 1153-1159). IEEE.
  21. Ladiges, J., Köcher, A., Clement, P., Bloch, H., Holm, T., Altmann, P., ... und Urbas, L. (2018). Entwurf, Modellierung und Verifikation von Serviceabhängigkeiten in Prozessmodulen. at-Automatisierungstechnik, 66(5), (pp. 418-437).
  22. Ollinger, L., Schlick, J., und Hodek, S. (2011). Leveraging the agility of manufacturing chains by combining process-oriented production planning and service-oriented manufacturing automation. IFAC Proceedings Volumes, 44(1), (pp. 5231-5236).
  23. Morbach, J., Wiesner, A., und Marquardt, W. (2009). OntoCAPE—A (re) usable ontology for computer-aided process engineering. Computers & Chemical Engineering, 33(10), (pp. 1546-1556).
  24. Adelman, L., und Riedel, S. L. (2012). Handbook for evaluating knowledge-based systems: Conceptual framework and compendium of methods. Springer Science & Business Media.
  25. Bylund, G. (1995). Dairy processing handbook. Tetra Pak Processing Systems AB. Sweden.
  26. Croft, W. B., Metzler, D., und Strohman, T. (2010). Search engines: Information retrieval in practice (Vol. 520). Reading: Addison-Wesley.
Veröffentlicht
2019-06-24
Zitieren
ENGEL, Grischan; GREINER, Thomas. Wissensbasiertes Engineering cyber-physischer Prozessanlagen. atp magazin, [S.l.], v. 61, n. 6-7, p. 100-111, juni 2019. ISSN 2364-3137. Verfügbar unter: <http://ojs.di-verlag.de/index.php/atp_edition/article/view/2417>. Date accessed: 23 juli 2019.
Rubrik
Hauptbeitrag / Peer-Review

Am häufigsten gelesenen Artikel dieser/dieses Autor/in