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Das zentrale Element in der Entwicklung von Industrie 4.0 ist die Modellierung der Verwaltungsschale (engl. Asset Administration Shell, kurz AAS), mit beliebig vielen Submodellen. Dabei muss das AAS (Meta-)Modell genutzt werden. Existierenden Realisierungen, in XML oder JSON, fehlt jedoch die Möglichkeit komplexe Aspekte vollständig darzustellen und komplizierte Zusammenhänge auszudrücken. Aus diesem Grund muss die Modellierung der AAS in ausdrucksstärkeren Konzepten oder höheren Sprachebenen erfolgen. Ein Ansatz könnte die Abbildungen in Ontologien, DSLs oder Metasprachen sein.

Aufgabe:

• Beschreibung der Möglichkeiten zur (Meta-)Modellierung abseits der bestehenden Formate
• Erfassen, erweitern und überprüfen des AAS Metamodells in semantisch ausdrucksstarker Sprache
• Modellierung der Funktionalität zur Verwaltung der Assets
• Realisieren der Funktionalität zur Verwaltung der Assets aus der Modellierung am Prototyp
• Ableitung eines Prototyps aus der erstellten Ontologie

In Zukunft werden moderne Industrieanlagen mit deutlich mehr Sensoren und Aktoren ausgestattet werden. Die so entstehenden Systeme werden zunehmend verteilter und komplexer, müssen jedoch weiterhin im Bereich Security und Safety den hohen Anforderungen in der Industrie gerecht werden. Die Fehleranalyse und Reaktion auf Ausnahmesituationen können angesichts der Komplexität und der Flexibilität nicht mehr manuell erfolgen. Daher müssen künftig im System selbst geeignete Maßnahmen zur Erkennung, Vorhersage und Reaktion auf Fehlerfälle realisiert werden.

Ziel dieser Arbeit ist das Aufzeigen solcher Maßnahmen und die prototypische Implementierung an einem geeigneten Beispiel.

Aufgabe:

• Erheben von Arten der von der “Normalität” abweichenden Verhalten
• Möglichkeiten zur Beschreibung von Anomalien und Fehlern
• Analyse von Verfahren zur Anomalieerkennung
• Erfassen der Voraussetzungen für das Erkennen von fehlerhaften Verhalten
• Aufzeigen verschiedener Verfahren zur Überwachung von Geräten und Anlagen

Für einen flexiblen und strukturierten Systementwurf wird die Modellierung im Bereich Industrial IoT und Industrie 4.0 immer wichtiger. Dabei kommen unterschiedliche Arten der Modellbildung wie funktionale Modellierung, Daten- und Informationsmodellbildung oder Metamodellierung zum Einsatz. Mit einer zunehmenden Anzahl an aufkommender Modelle werden Methoden für die Generierung, Transformation und Verknüpfung dieser Modelle immer relevanter.

Im Rahmen der Arbeit sind verschiedene in Industrie 4.0 und Industrial IoT aktuell verbreitete Modelle zu analysieren sowie unterschiedliche Verfahren zur Modellverarbeitung zusammenzustellen und zu erläutern. Darüber hinaus ist die Anwendung exemplarisch an einem Beispiel zu zeigen.

Aufgabe:

• Verschiedene Arten zur Modellbildung vorstellen
• Verbreitete Meta-/Informationsmodelle im Bereich Industrie I4.0 und IIoT vorstellen
• Verfahren zur Verknüpfung bzw. Umwandlung von Modellen vorstellen
• Exemplarische Anwendung eines Verfahrens am geeigneten Beispiel

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) bilden eine wesentliche gerätetechnische Basis für die Automatisierung industrieller Prozesse. Dabei sind diese SPS-Steuerungen typischerweise als proprietäre Gerätesysteme ausgelegt, die unter Echtzeit-Bedingungen lokal betrieben werden. Im Zeitalter von Industrie 4.0 geht die Entwicklung allerdings in Richtung hochgradig vernetzter Produktionssysteme auf Basis von Cyberphysischen Produktionssystemen (CPPS).

Um eine klassische SPS-Steuerung zu einer CPPS-Komponente zu qualifizieren, muss die Kapselung der Steuerungsfunktionalität aufgehoben und die Steuerungs-funktionen zu (flexiblen) Software-Objekten umgewandelt werden. Zusätzlich muss sichergestellt werden, dass die SPS weiterhin online in den prozessnahen Ebenen eingreifen kann. Eine solchermaßen virtualisierte SPS-Steuerung lässt sich als Software-Instanz in einer Cloud betreiben.

Kernziel der Arbeit ist die Analyse möglicher Technologien zur Realisie­rung einer solchen Cloudbasierten Steuerung und die exemplarische Implementierung mit ausgewählten geeigneten Technologien. Bei Entwurf und Implementierung sowie bei der Aufsetzung einer passenden Testumgebung ist auf das Verwenden geeigneter Software, Frameworks und Techniken zu achten. Zusätzlich soll betrachtet werden, inwieweit künftig auch zeit- und einsatzkritische Funktionen in eine solche Industrial Cloud ausgelagert werden können. Die Ergebnisse der Arbeit sind in geeigneter Weise zu evaluieren und umfassend zu dokumentieren..

Voraussetzungen: Erfahrung mit C#, Python oder C++, Grundlagenwissen in der Automation, der Besuch einer oder mehrerer Vorlesungen zu diesem Themengebiet an unserem Lehrstuhl wäre vorteilhaft

Dieses Thema eignet sich sowohl für eine Studien-, als auch für eine Bachelorarbeit, als auch Diplomarbeit.

Damit Assets in zukünftigen Industrie 4.0-Systemen verwendet werden können, müssen sie als I4.0-Komponente abgebildet werden. Dies wird über die I4.0 Verwaltungsschale realisiert. Jedoch können Leistung und Verbindungseigenschaften von I4.0 Assets unterschiedlichen Beschränkungen unterliegen. Daher bietet es sich an, verschiedene Teile der Verwaltungsschale in unterschiedlichen Systembestandteilen zu realisieren.

Dabei ist der jeweilige Aspekt des Assets und deren Verwendung zu berücksichtigen.

Dynamische Aspekte müssen in direkter Nähe des Assets realisiert werden, während aufwendigere Operationen an rechentechnisch mächtigere Komponenten, wie z.B. die Cloud ausgelagert werden können. In dieser Arbeit sollen verteilte Ansätze zur Bereitstellung und Ausführung von I4.0 Verwaltungsschalen für I4.0 Assets untersucht werden.

Aufgabe:

• Analyse der unterschiedlichen Aspekte der Assets
• Analyse der Industrie 4.0-Verwaltungsschale
• Entwurf eines Konzepts für verteilte Verwaltungsschalen
• Implementierung eines Prototyps

Die erarbeiteten Ergebnisse sind umfassend zu dokumentieren und innerhalb eines Kolloquiums zu präsentieren.

In der Industrie 4.0 werden zunehmend eigenständig und kooperativ handelnde Assets verwendet, welche ihre Fähigkeiten über Dienste anbieten und fremde Dienste nutzen. Damit solche Assets in Industrie 4.0-Systemen verwendet werden können, müssen sie als I4.0-Komponente über digitale Zwillinge in Form einer Industrie 4.0 Verwaltungsschale abbilden. Zur Realisierung dieser Eigenständigkeit wird eine proaktive Verwaltungsschale benötigt, welche wiederum eine Laufzeitumgebung erfordert, um mit anderen Assets interagieren und kooperieren zu können. Diese Laufzeitumgebung bieten ihre Dienste über I4.0 konforme APIs an. Diese werden in “Details of the Asset Administration Shell Part 2 – Interoperability at Runtime – Exchanging Information via Application Programming Interfaces” spezifiziert. Nach bisherigem Stand der Technik sind technisch neutral Grundprinzipien und eine technologiespezifische für HTTP/REST definiert. Für die Ermittlung der Fähigkeiten des Assets bzw. der Ausführung funktionaler Aspekte wird jedoch ein vielfältiges Spektrum an APIs benötigt. Eine Streaming API für RPCs bzw. Query API für Capabilities wäre hierfür nötig. Diese zwei APIs sollen auf Grundlage der existierenden API Definition erstellt und dokumentiert werden. Darüber hinaus soll ein Entwurf für eine derartige API erfolgen und prototypisch eine Implementierung an einem geeigneten Beispiel demonstriert werden. Die Ergebnisse der Arbeit sind in geeigneter Weise zu evaluieren und umfassend zu dokumentieren. 

Aufgaben: 

• Analyse der spezifizierten APIs für I4.0 Digital Twin (AAS) z.B.: HTTP REST

• Recherche von Interface Beschreibungssprachen z.B. Protocol Buffers, GraphQL SDL

• Aufbereiten einer intermediaten Repräsentation und Umsetzung der Modelltransformation 

• Erzeugen einer geeigneten API für Streaming & Query der AAS z.B. gRPC, GraphQL

In der Industrie werden zunehmend eigenständig kommunikationsfähige Assets verwendet. Damit solche Assets in Industrie 4.0-Systemen verwendet werden können, müssen sie als I4.0-Komponente, mittels digitaler Zwilling in Form einer Verwaltungsschale, abgebildet werden. Diese Abbildung spiegeln sich auch in der Kommunikationsfähigkeit wieder. Aktuelle industrielle Trends führen zu einem Anstieg des Netzwerkverkehrs in immer größer werdenden konvergenten Netzwerken. Solche Netzwerke erfordern Flexibilität und Skalierbarkeit, um sowohl kleine Geräte als auch große Datenserversysteme zu unterstützen und gleichzeitig eine begrenzte Latenz für zeitkritische Kommunikation zu gewährleisten. Dies führt zu einem steigenden Anspruch an die Konfigurierbarkeit sowie das Monitoring solcher Systeme. Dabei könnten die erhobenen Informationen über eine geeignete KI Infrastruktur ausgewertet und aufbereitet werden. Im Rahmen des Komplexpraktikums soll ein Monitoringsystem für I4.0 Komponente für das Netzwerk über das Konzept Verwaltungsschale realisiert werden. Dafür ist das aktuelle Monitoringsystem mit den benötigten Modellen und Funktionalitäten an einem gegebenen Testsystem zu erweitern. Die erarbeiteten Ergebnisse sind umfassend zu testen und zu dokumentieren sowie die Ergebnisse der Projektarbeit innerhalb eines Kolloquiums zu präsentieren.

Aufgabe:

• Analyse vorhanden Monitoring Pipelines mittel Apache Kafka
• Erweiterung vorhandene Pipelines um I4.0 Informationsmodell
• Erstellung und Anpassung der I4.0 Verwaltungsschalen
• Erstellung und Anpassung benötigter Kafka Producer/Consumer
• Etablierung einer KI Plattform zur Auswertung des Monitoringssystems

In der Industrie 4.0 werden zunehmend eigenständig und kooperativ handelnde digitale Zwillinge verwendet. Damit diese interagieren können, müssen sie als Typ 2- bzw. reaktive Verwaltungsschale abgebildet werden. Eine solche Verwaltungsschale benötigt eine Laufzeitumgebung, um mit anderen Assets aktiv interagieren zu können. Diese Laufzeitumgebung bietet ihre Dienste über Industrie 4.0 konforme APIs, die von der Plattform Industrie 4.0 spezifiziert werden. Aktuell sind eine allgemeine technisch neutrale API und eine technologiespezifische API für HTTP/REST definiert. Offen ist, wie diese APIs auf Korrektheit und Konformität verifiziert und validiert werden können um entsprechende fehlerfreie und konsistente Software zu entwickeln. Während der Prozess der Verifizierung die Software gegenüber der Spezifikation überprüft beurteilt der Prozess der Validierung, wie gut das System die zuvor festgelegten Anforderungen erfüllt. Im Bereich der API-Testung prüft die Verifikation, ob die I4.0-Komponente die Spezifikation in Bezug auf Attribute und Elemente aus der Spezifikation erfüllt, während die Validierung prüft, ob die API die Anforderungen und Einschränkungen eines AAS Typ2 erfüllt. Diese Themen stehen im Mittelpunkt dieser Arbeit. Für die Testung der API sind verschiedene Methoden und Verfahren aus der Validierung und Verifikation von API aufzuzeigen. Darüber hinaus soll ein Entwurf für die Testung der I4.0 API erfolgen und prototypisch eine Implementierung an einem geeigneten Beispiel demonstriert werden.
Aufgaben:

• Analyse der spezifizierten APIs für I4.0 Digital Twin (AAS)
• Recherche von Testverfahren für HTTP/REST bzw. RESTfull APIs
• Analyse der Anforderungen an allg. REST APIs und I4.0 Digital Twin
• Aufbereiten von Kriterien für Testszenarien anhand der Anforderungen
• Erzeugen prototypischer Testfälle aus den Testszenarien