Ansätze der inhärent sicheren Konstruktion modifizierbarer, cyberphysischer Produktionssysteme

Padberg, Melanie Sarah Katharina; Verl, Alexander; Brecher, Christian

doi:42841

Ansätze der inhärent sicheren Konstruktion modifizierbarer, cyberphysischer Produktionssysteme = Approaches to the inherently safe design of modifiable, cyber-physical production systems

Padberg, Melanie Sarah Katharina^RWTH*

2023 & 2024

VerantwortlichkeitsangabeMelanie Padberg

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-98555-184-2

ReiheErgebnisse aus der Produktionstechnik ; 2023,29

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Druckausgabe: 2023. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Brecher, Christian (Thesis advisor)^RWTH* ; Verl, Alexander (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-10-11

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-11231
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/974123/files/974123.pdf

Einrichtungen

Projekte

DFG project 390621612 - EXC 2023: Internet of Production (IoP) (390621612) (390621612)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Automatisierungstechnik (frei) ; Systemgrenzen (frei) ; automation technology (frei) ; digital shadow (frei) ; digitaler Schatten (frei) ; funktionale Sicherheit (frei) ; safety (frei) ; system limits (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Mit der fortschreitenden digitalen Transformation der Produktion unter dem Begriff Industrie 4.0 werden flexible, datenbasierte Steuerungskonzepte entwickelt. Unterstützt wird diese Entwicklung durch das "Internet of Production" und das damit verbundene Konzept des Digitalen Schattens. Geräte und Maschinen werden in die Lage versetzt, eigenständig Entscheidungen zu treffen. Das bedeutet, dass sie auch Fehlentscheidungen treffen können. Im Schadensfall muss geprüft werden, ob das Verhalten der Maschine vorhersehbar und vermeidbar war. Dies führt zu Vorbehalten gegenüber dem industriellen Einsatz flexibler Fertigungs- und Steuerungssysteme. Die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG beschreibt die Integration wichtiger Sicherheitsgrundnormen, die den Entwickler eines technischen Systems durch eine definierte Vorgehensweise bei der Risikoabschätzung und -minimierung unterstützen. Diese Richtlinie wurde jedoch für statische, nicht-adaptive Systeme entwickelt, so dass für Neuentwicklungen im Bereich der datenbasierten Produktionsoptimierung und Prozessanpassung bisher nur wenige Regeln zur Verfügung stehen. Die Definition des Einsatzbereiches und die damit verbundene Überwachung des Systems gewinnen an Bedeutung. So müssen alle Fehler, die zu einer Gefährdung der Produktionsprozesse führen können, im Rahmen der Sicherheitsgewährleistung vor dem Einsatz analysiert und kontrolliert sowie in der Betriebsphase überwacht und kontrolliert werden. Da Sicherheit einfach, überschaubar, nachvollziehbar und überprüfbar sein muss, ist die Umsetzung flexibler Sicherheitslösungen in adaptiven Systemen nicht vorgesehen. Sicherheitssteuerungen müssen heute jedoch komplexere Prozesse abdecken und daher intelligenter und dynamischer werden. Diese Arbeit befasst sich daher mit dem Aufbau von cyberphysischen Produktionssystemen (CPPS) und der Entwicklung von Konzepten für inhärent sichere CPPS. In einem ersten Schritt wurden Anforderungen an sichere CPPS formuliert. Basierend auf den definierten Anforderungen wurde eine inhärent sichere Systemarchitektur entwickelt. Zur Verknüpfung der einzelnen Systemkomponenten wurde die Methode des ontologiebasierten Datenmanagements vorgestellt und weiterentwickelt. Die so entwickelte Architektur wurde unter Verwendung von Redundanz zu einer sicheren cyberphysischen Steuerungsarchitektur erweitert. Zur Beschreibung der Systemgrenzen wurden anschließend verschiedene Methoden zur Extraktion und Überwachung der räumlichen Systemgrenzen exemplarisch umgesetzt und verglichen. Das Ergebnis wurde als Sicherheitsfunktion implementiert und eine Methode zur Realisierung des gewünschten Systemverhaltens bei sicherheitsrelevanten Ereignissen durch vertragsbasiertes Design vorgestellt. Zur Evaluierung diente ein aus mehreren Zellen bestehenden CPPS zur Bearbeitung von Autoscheiben.

With the advancing digital transformation of production under the term Industry 4.0, flexible, data-based control concepts are being developed. This development is supported by the "Internet of Production" and the associated concept of the Digital Shadow. Devices and machines are enabled to make decisions independently. This means that they can also make wrong decisions. In the event of damage, it must be examined whether the machine's behavior was foreseeable and avoidable. This leads to reservations about the industrial use of flexible manufacturing and control systems. The Machinery Directive 2006/42/EC describes the integration of important basic safety standards that support the developer of a technical system through a defined procedure for risk assessment and minimization. However, this directive was developed for static, non-adaptive systems, so that for new developments in the field of data-based production optimization and process adaptation only a few rules are available so far. The definition of the application area and the associated monitoring of the system are gaining in importance. Thus, all faults that could endanger production processes must be analyzed and controlled before use as part of the safety guarantee, and monitored and controlled during the operating phase. Since safety must be simple, manageable, traceable and verifiable, the implementation of flexible safety solutions in adaptive systems is not envisaged. However, safety controls today must cover more complex processes and therefore become more intelligent and dynamic. This thesis therefore deals with the construction of cyber-physical production systems (CPPS) and the development of concepts for inherently safe CPPS. In a first step, requirements for safe CPPS were formulated. Based on the defined requirements, an inherently safe system architecture was developed. To link the individual system components, the method of ontology-based data management was introduced and further developed. The architecture thus developed was extended to a safe cyber-physical control architecture using redundancy. To describe the system boundaries, various methods for extracting and monitoring the spatial system boundaries were then implemented and compared as examples. The result was implemented as a safety function and a method for realizing the desired system behavior in the case of safety-relevant events through contract-based design was presented. For evaluation a CPPS consisting of several cells for the processing of car windows was used.

OpenAccess:
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