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Eingebettete Algorithmen ermöglichen Gestaltung schnellerer und genauerer Ausrüstung für Industrie und Gesundheitswesen

Ein intelligentes System erkennt Leistungsfehler. Daraufhin werden die Kontrollparameter optimiert, um die Genauigkeit und den Durchsatz zu verbessern.

Digitale Wirtschaft
Industrielle Technologien

Die meisten Anlagen zur Durchführung von Routineaufgaben oder zur Herstellung weitverbreiteter Produkte sind heutzutage komplexe Systeme. Hierbei handelt es sich um komplexe computergesteuerte Mechanismen, die als cyber-physische Systeme bezeichnet werden. Die Bereitstellung der von der Kundschaft gewünschten Verbesserungen macht technologische Fortschritte der gesamten Systemkette erforderlich. Hierzu sind ausgeklügelte Methoden zur Erkennung detaillierter Verhaltensweisen bis hinab auf die physikalische Ebene erforderlich. Diese kontinuierliche Suche wird heute durch Instrumente begleitet, die Industriemaschinen autonom überprüfen und analysieren, um potenzielle Verbesserungen zu finden.

Bausteine steuern die modellbasierte Systemtechnik

Das EU-finanzierte Projekt I-MECH entwickelte einen Framework für die Anwendung fortschrittlicher Steuerungslösungen in industriellen Umgebungen. Der ausgewählte Ansatz ist unter der Bezeichnung modellbasiertes Systems Engineering bekannt. Über das Projekt wurden elf Bausteine ausgewählt, die industrielle Verfahren (neben anderen Funktionen) überwachen oder steuern, um inkrementelle Verbesserungen zu finden. Ein Beispiel betrifft Herstellungsfehler bei elektronischer Hardware. „Ingenieurinnen und Ingenieure können erweiterte Algorithmen einführen, die lernen, welche Art von Störung eine fehlerhafte Leistung verursacht“, erklärt Projektkoordinator Arend-Jan Beltman. „Der Algorithmus erkennt die repetitive Natur des Fehlers und beginnt diesen dann über seine Steuerlogik zu beheben.“

Drei Schichten unterstützen die Interoperabilität

Um die Komplexität cyber-physischer Systeme zu vereinfachen, ermittelte das I-MECH-Team drei Schichten in der industriellen Fertigung, in denen solche Algorithmen verwendet werden könnten. Manche Bausteine von I-MECH sind auf eine einzelne Schicht ausgerichtet, während andere in allen drei Schichten mitwirken. Die unterste Schicht, die Instrumentationsschicht oder erste Schicht, interagiert physisch mit dem System. Bausteine auf dieser Ebene fungieren als Sensoren oder Aktoren. Das Team entwickelte mehrere schnelle Sensorikgeräte, die zum Teil drahtlos betrieben werden. Auf der nächsten Ebene befindet sich ein industrieller Kommunikationsbus, der alle Eingaben für die erste Schicht konsolidiert. In dieser Schicht steuern die Algorithmen genaue Maschinenbewegungen. Die dritte Schicht auf Systemebene funktioniert als Container für Algorithmen, die mit Systemfunktionen und Benutzerinnen und Benutzern bezüglich Betriebsverwaltungssystemen interagieren. Hierbei kalibriert die eingebaute Intelligenz automatisch das System und sagt Instandhaltungsanforderungen vorher. Der Schichtansatz ermöglicht klare Schnittstellen zwischen Ingenieurinnen und Ingenieuren mit verschiedenen Hintergründen. Ingenieurinnen und Ingenieure, die für die dritte Schicht verantwortlich sind, arbeiten mit einem Modell der zweiten Schicht, während Ingenieurinnen und Ingenieure für die zweite Schicht ein Modell der ersten Schicht verwenden. Dies unterstützt die Interoperabilität.

Erfolgreiche Pilotanwendungen

Das Team übertrug seine Bausteine auf fünf Pilotanwendungen, die von den Projektpartnern entwickelte Maschinen verwenden. Zu den Anwendungsfällen zählen eine Förderanlage für allgemeine Substrate, welche als Förderkomponente von Tintenstrahldruckern im Großformat fungiert, und eine 12”-Wafer-Bühne für die Halbleiter-Herstellung. Weitere Anwendungsfälle stellen beispielsweise eine Teebeutelmaschine, eine computergestützte numerisch gesteuerte Fräsmaschine (CNC) und ein Roboter für das Gesundheitswesen, der ein Röntgensystem um auf dem Tisch liegende Patientinnen und Patienten bewegt, dar. In jedem Anwendungsfall wurden die Systeme anhand der Detektion über die Bausteine aufgerüstet. Letztlich werden der industriellen Kundschaft alle Bausteine und eine gesamte Werkzeugkette zur Verfügung stehen, die erforderlich sind, um genau ihre spezifischen Anwendungen zu erfüllen. „Im September 2020“, bemerkt Beltman, „reichte der Partner Sioux Technologies, der I-MECH koordiniert, den abschließenden Vorschlag für ein Nachfolgeprojekt ein. Dies wird den bestehenden Satz von Bausteinen für Fertigungssysteme, bei dem I-MECH aufhörte, um zusätzliche künstliche Intelligenz ergänzen.” Über das neue Projekt wird insbesondere eine vierte Schicht entwickelt, welche die Orchestrierung mehrerer Systeme im gleichen Betrieb vereinfacht. Intelligente Industrieanlagen, die neuere Systeme gestalten und verfeinern, werden zu höheren Effizienzen und einer schnellen Entwicklung bei der Herstellung führen.

Schlüsselbegriffe

I-MECH, Bausteine, industriell, Fertigung, Fertigungssysteme, cyber-physische Systeme, modellbasiertes Systems Engineering

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