Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-4552
Authors: Reuter, Axel
Title: Definition eines mechatronischen Informationsmodells zur Modellierung von Automatisierungskomponenten und Maschinen
Other Titles: Definition of an information model for the mechatronic modelling of automation components and machines
Issue Date: 2013
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-86054
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/4569
http://dx.doi.org/10.18419/opus-4552
ISBN: 978-3-8439-1137-5
Abstract: Der Trend zu einem ständig wachsenden Angebot an neuen Produkten sowie zu immer kürzer werdenden Produktlebenszyklen erfordert flexible Produktionsmaschinen und -anlagen, die in immer kürzeren Zeiten zu stetig sinkenden Kosten bei möglichst steigender Qualität entwickelt und hergestellt werden können. Um die dazu notwendige Parallelisierung im Entwicklungs- und Konstruktionsprozess zu ermöglichen, sind anpassbare Automatisierungskomponenten und Maschinenstrukturen sowie entsprechende Informationsmodelle erforderlich. Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung durchgängiger, mechatronischer Modellierungsvorgaben für die Unterstützung von Komponenten- und Maschinenherstellern. Die notwendigen Anforderungen an die zu definierenden Modellierungsvorgaben werden erarbeitet und anhand der drei Kategorien Querschnittsanforderungen, sowie Anforderungen an Modellierungsvorgaben für Automatisierungskomponenten und für Maschinen strukturiert. Die wichtigsten Anforderungen sind dabei Durchgängigkeit für alle Fachdisziplinen, Unabhängigkeit von einzelnen Branchen im Maschinenbau und von Herstellern für Automatisierungskomponenten, Verwendung bestehender disziplinspezifischer Daten- und Informationsmodelle sowie Flexibilität hinsichtlich modellierbarer Automatisierungskomponenten und Maschinenstrukturen. Anschließend werden der Stand der Technik in Bezug auf Grundprinzipien zur Modellierung von Automatisierungskomponenten und Maschinen, vorhandene Struktur- und Informationsmodelle sowie bestehende Engineeringlösungen an den Anforderungen gespiegelt. Dabei stellen sich als Defizite das Fehlen von Modellierungsvorgaben in vorhandenen Engineeringlösungen sowie die Abhängigkeit der bisherigen Modellierung von Branchen und Herstellern heraus. Um verschiedene Arten von Automatisierungskomponenten sowie deren zugehörige Strukturen und Informationsmodelle formal abbilden zu können, wird ein konzeptionelles Informationsmodell als Basis zur mechatronischen Modellierung entwickelt. Dazu wird eine Methode erarbeitet, die bestehende Daten von Automatisierungskomponenten systematisch in eine funktionale Klassenstruktur überführt. Ziel der anschließend festgelegten mechatronischen Grundstruktur ist die disziplinübergreifende Abbildung von Zusammenhängen zwischen verschiedenen Arten von Automatisierungskomponenten und zu Maschinen. Basierend auf diesen Grundlagen ermöglicht das erarbeitete Automatisierungskomponentenmodell die herstellerunabhängige Abbildung von Automatisierungskomponenten und -systemen in einem durchgängigen Informationsmodell. Die dazu innerhalb des Automatisierungskomponentenmodells eingeführten Informations- und Energieflüsse werden als Schnittstellen für die Modellierung der verschiedenen Arten von Automatisierungskomponenten herangezogen und damit Modellierungsvorgaben für Sensor-, Aktor- und Informationsverarbeitungskomponenten erarbeitet. Aufbauend auf diesen Informationsmodellen folgt die Abbildung der Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Automatisierungskomponenten sowie die Modellierung von Automatisierungssystemen in einer im Rechner verarbeitbaren Klassenstruktur. Weiterhin wird ein branchenunabhängiges Maschinenmodell basierend auf einer branchenunabhängigen Funktionsstruktur erarbeitet, das als objektorientierte, im Rechner verarbeitbare Klassenstruktur mit zugehörigen Schnittstellen zum Automatisierungskomponentenmodell festgelegt wird. Anschließend folgt eine Definition hierarchischer Modellierungsebenen zur Bereitstellung der Modellierungsvorgaben für Komponenten- und Maschinenhersteller. Dazu werden vier Modellierungsebenen entwickelt, die eine Trennung zwischen der disziplin- und branchenunabhängigen sowie der hersteller- und maschinentypspezifischen Modellierung ermöglichen. Die industrielle Einsetzbarkeit der erarbeiteten Modellierungsvorgaben werden durch prototypische Implementierung in einem mechatronischen Engineeringwerkzeug und deren Verwendung bei der Modellierung der Materialzuführung einer Produktionsmaschine nachgewiesen. Damit wird die Eignung der Modellierungsvorgaben für Maschinen mit zugehörigen Maschinenstrukturen und Automatisierungskomponenten bestätigt.
The trend towards an ever-growing range of new products as well as shorter product life cycles requires flexible production machines and equipment, which can be developed in shorter time periods at continuously decreasing costs and increasing quality. In order to facilitate the needed parallelism in the development and construction process, adjustable machine structures and automation components as well as corresponding information models are required. The objective of this thesis is therefore to support component and machine manufacturers by the development of consistent, mechatronic modeling guide-lines. The essential requirements for these modeling guidelines are structured using the following three categories: cross-sectional requirements, requirements for modeling guidelines for automation components as well as for machines. The main requirements are the consistency across all disciplines, as well as the independence of individual sectors of mechanical engineering and the independence of manufacturers of automation components. Further requirements are the use of existing discipline-specific data and information models, as well as flexibility in the modeling of automation components and machine structures. The state of the art in terms of basic principles for modeling of automation components and machines, existing structure and information models as well as existing engineering solutions is evaluated based on the given requirements. This evaluation shows the deficiencies of modeling guidelines in existing engineering solutions and the lack of dependencies between the previous modeling of individual sectors and manufacturers. In order to map different types of automation components and their structures as well as information models, a conceptual information model is developed as basis for mechatronic modeling. For this purpose, a method is developed which systematically converts the existing data from automation components to a functional class structure. The aim of the established mechatronic basic structure is the cross-disciplinary mapping of interrelationships between different types of automation components and machines. These principles allow the development of an automation component model for vendor-independent mapping of automation components and systems in an integrated information model. The introduced information and energy flows within the established automation component model are used as interfaces for the modeling of various types of automation components. Thus these interfaces are used as modeling guidelines for sensor, actuator, and information processing components. Based on these information models the mapping of interdependencies between the individual automation components and the modeling of automation systems in a computer-processable class structure follows. Furthermore, an industry-independent machine model is developed based on a cross-industrial, functional structure. This machine model is defined as an object-oriented, computer-processable class structure with interfaces to the automation component model. Subsequently, four hierarchical modeling levels are defined, to provide specified modeling guidelines for component and machine manufacturers. These modeling levels allow to distinguish between the discipline- and industry-independent modeling as well as vendor-specific and machine type-specific modeling. The industrial applicability of the developed modeling guidelines was tested using a prototypical implementation of the guidelines in a mechatronic engineering tool and their usage in modeling the material supply of a production machine. Thus, the suitability of the modeling guidelines for machines, machine structures and automation components was verified.
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