Der digital getriebene Wandel in der industriellen Produktion verlangt auf allen Produktionsebenen nach stärkerer Vernetzung und intelligenteren Informationen. Mit der fischertechnik Lernfabrik 4.0 können diese Digitalisierungsaktivitäten im Kleinen simuliert, gelernt und angewendet werden, bevor sie im Großen zur Umsetzung kommen. Ein hochflexibles, modulares sowie kostengünstig und robustes Trainings- und Simulationsmodell, das sich überaus sinnvoll einsetzen lässt.

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.

Fabrikumgebung

Diese 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 erfolgter 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 wird durch die fischertechnik TXT 4.0 Controller auf 9V-Basis gesteuert, hiervon sind sechs Stück eingebaut. Diese sind innerhalb der Fabrik nach dem Master-Slave-Prinzip verbunden und kommunizieren über ein internes Bussystem. Die vollständigen Leistungsdaten des TXT 4.0 Controllers sind beim TXT 4.0 Controller einsehbar, hier die wichtigsten Features:

• Prozessor: Arm® dual Cortex®-A7 650 MHz + Cortex®-M4
• Speicherkapazität: 512 MB DDR3 RAM, 4 GB eMMC
• Speichererweiterung: Micro SD-Karten-Slot
• Farbiges Touch-Display: 2,4“, 320x240 Pixel, kapazitiv (erlaubt Wischgesten)
• flache Bauform, Maße: 90x90x17,5mm
• 8 Universaleingänge: Digital/Analog 0-9VDC, Analog 0-5 kΩ
• 4 schnelle Zähleingänge: Digital, Frequenz bis 1kHz
• 4 Motorausgänge 9V/250mA (max. 1 A): Geschwindigkeit stufenlos regelbar, kurzschlussfest, alternativ 8 Einzelausgänge z. B. für LEDs
• 3 Servo-Ausgänge 5V (max. 2A), kurzschlussfest
• Kombiniertes Bluetooth / WLAN-Funkmodul: Bluetooth 5.0 (BR, LE & EDR), WLAN Dual band 2.4 GHz und 5 GHz 802.11 a/b/g/n
• USB 2.0 Client: Mini USB-Buchse zum Anschluss an den PC
• USB Host-Schnittstelle: USB-A Buchse z.B. für fischertechnik USB-Kamera oder USB-Sticks
• Kamera-Schnittstelle: über USB-Host, Linux Kamera Treiber im Betriebssystem integriert
• 2x Stiftleiste 6-polig: zur Erweiterung der Ein- und Ausgänge (bis zu 9 TXT 4.0 Controller koppelbar) sowie I²C-Schnittstelle
• Integrierter Lautsprecher zum Abspielen von Sounds (WAV-Dateien
• Linux basiertes Open-Source Betriebssystem, Firmware-Update über Cloud, USB Stick oder Micro SD-Karte
• Programmierung mit ROBO Pro Coding (grafisch und Python), C/C++ Compiler (nicht enthalten)
• weitere Programmiermöglichkeiten über REST-Schnittstelle. Verfügbare Ausgangsspannungen 9V, 5V und 3,3V. Stromversorgung: 9V DC-Buchse 3,45 mm, oder fischertechnik-Buchsen 2,5 mm (für Akku Pack). Inkl. USB-Verbindungskabel und Erweiterungskabel 6-polig.

Software: ROBO Pro Coding / Python Programmierschnittstelle

Die Software-Applikation ist in ROBO Pro Coding bzw. in Python geschrieben und wird startbereit auf den Controller geladen. Die aktuellen Versionen der entsprechenden Programme können direkt in der ROBO Pro Coding Plattform über fischertechnik GitLab importiert werden

Die mitgelieferten ROBO Pro Coding / Python Programme können modifiziert werden und es lassen sich auch eigene ROBO Pro Coding / Python Programme für die Lernfabrik schreiben.

Weiterhin steht mit Node-RED auf dem TXT 4.0 Controller ein lokales Dashboard zur Verfügung, mit dem die Fabrik alternativ zur fischertechnik Cloud gesteuert werden kann. Diese Implementierung kann ebenfalls modifiziert werden. Die Kommunikation zwischen Node-RED und des Programms erfolgt mit MQTT. MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) ist ein offenes Nachrichtenprotokoll, das die Übertragung von Daten in Form von Nachrichten zwischen Geräten ermöglicht.

fischertechnik Cloud

Über den TXT 4.0 Controller, der als Master eingestellt ist, wird über WLAN die Verbindung zur fischertechnik Cloud aufgebaut. Empfehlenswert ist dabei die Verwendung der Webbrowser Chrome oder Firefox. Die Cloud lässt sich über einen persönlichen Zugang nutzen, der einmalig angelegt wird (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, grünes Schloss im Webbrowser).

Dashboard

Das Dashboard kann über mobile Endgeräte wie Tablet und Smartphone sowie am Laptop und PC aufgerufen und bedient werden. Es ermöglicht die Darstellung 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.