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Symbolfoto: Das AIT ist Österreichs größte außeruniversitäre Forschungseinrichtung

Nachhaltige & Optimale Produktionssysteme

Nachhaltige & Optimale Produktionssysteme

Nachhaltige & Optimale Produktionssysteme

Die Anforderungen an Anlagen der produzierenden Industrie umfassen gleichzeitig höchste Produktqualität, Durchsatz und Effizienz. Darüber hinaus wird vom Gesetzgeber und der Gesellschaft zunehmend mehr Nachhaltigkeit gefordert. Diese Industrie steht deshalb vor der Herausforderung, den anfallenden Materialausschuss zu reduzieren und in der Produktion bei gleichbleibender Produktqualität wiederzuverwenden, sowie Produkte am Ende ihres Lebenszyklus zu recyclen.

Produktionssysteme bestehen typischerweise aus einer Vielzahl perfekt aufeinander abgestimmter Prozessschritte, welche untereinander vorwiegend über den Materialfluss gekoppelt sind. Da die Produkteigenschaften im Allgemeinen nicht direkt geregelt werden können, werden bislang hauptsächlich kaskadierte Regelkreise für messbare Ersatzgrößen realisiert. Wir erweitern diesen Ansatz, um den Regelkreis in Bezug auf die Produkteigenschaften zu schließen und dadurch eine (semi-)autonome Produktion zu ermöglichen.

Auf Basis unserer langjährigen Erfahrung und Zusammenarbeit mit den führenden Firmen der metallerzeugenden und metallverarbeitenden Industrie bieten wir unseren Kunden Expertise bei der Entwicklung von fortgeschrittenen Regelungskonzepten sowohl für Prozessgrößen als auch die Produktqualität. Darüber hinaus unterstützen wir Anlagenbauer und -betreiber mit umfangreicher Expertise im Bereich der industriellen Echtzeitkommunikationssysteme im Kontext des Industrial Internet of Things (IIot).

 

Wir sprechen folgende Anwendungsfelder an:

  • Wärmebehandlung von Metallprodukten
  • Umformprozesse für Metalle
  • Spritzgießen

Prozessoptimierung

Unsere Lösung im Bereich der Prozessautomatisierung basiert auf einem kaskadierten Konzept zur Regelung der relevanten Prozessgrößen einer Industrieanlage. Unsere optimierte Prozessführung ermöglicht es, je nach Bedarf schneller, effizienter oder mit höherer Qualität zu produzieren. Abhängig von der tatsächlichen Problemstellung passen wir unsere maßgeschneiderten Optimierungsansätze an alle Ebenen des kaskadierten Konzepts an. Auf der obersten Ebene können wir die Effizienz des Prozesses steigern, indem wir durch intelligente Ablaufplanung und Reihenfolgeoptimierung Anlagenstillstände minimieren und die optimierte Fertigung unterschiedlicher Produkte bei unterschiedlichen Prozessbedingungen ermöglichen. Auf der untersten Ebene ist die Modellprädiktive Regelung (MPC) eine äußerst zielführende Möglichkeit zur optimalen Regelung von Prozessgrößen. Mit MPC ist es möglich, Änderungen der Optimierungskriterien unter gleichzeitiger Einhaltung physikalischer und prozessspezifischer Beschränkungen systematisch zu berücksichtigen. Die Basis für MPC ist ein maßgeschneidertes physikalisches und datenbasiertes Modell, dass die relevanten Größen des jeweiligen Prozesses abbildet. Ein zusätzlicher Nutzen dieses Modells ist, dass es für die Entwicklung eines virtuellen Sensors für nicht messbare Prozessgrößen verwendet werden kann.

Regelung der Produktqualität

In nahezu allen Prozessen wird die Produktqualität implizit durch die Regelung von Ersatzgrößen wie z.B. der Temperatur eingestellt. Die Sollwerte für diese Größen werden typischerweise durch Laborversuche bestimmt und sind für den Prozess in Form von Rezepten vorgegeben. Unsere Vision kombiniert hybride Materialmodelle zur Beschreibung spezifischer Materialeigenschaften mit mathematischen Prozessmodellen und fortgeschrittenen Regelungskonzepten mit dem Ziel, die Produktqualität direkt zu regeln. Um das zu erreichen, ist eine genaue Produktverfolgung über die einzelnen Prozessschritte hinweg essentiell. Die Kombination aus Modellen, Produktverfolgung und Prozessdaten bildet einen sogenannten Digital Material Twin. Damit können wir eine allumfassende Regelungsarchitektur anbieten, die sowohl höchste Produktqualität als auch Qualitätssicherung im laufenden Prozess bietet. Wir nutzen dazu optimierungsbasierten Regelungskonzepte sowie die neuesten Ergebnisse aus den Bereichen Statistical und Reinforcement Learning.

Industrial
Internet of Things

Unsere optimierte kaskadierte Regelkreisstruktur erfordert einen schnellen und zuverlässigen Informationsaustausch zwischen unterschiedlichsten Komponenten, z.B. Aktoren, Sensoren, SPS und Industrie-PCs. Im Rahmen einer umfassenden Systemanalyse und -optimierung bewerten wir bestehende Sensor- und Aktorkonzepte und beraten bei der optimalen Platzierung, um deren Performance weiter zu steigern. Speziell bei der sog. Brownfield-Automatisierung werden die Generationsunterschiede der Automatisierungskomponenten evident. Erprobte Komponenten nutzen oftmals robuste, aber vergleichsweise langsame serielle Kommunikationsprotokolle, während neue Komponenten vermehrt auf Derivate des Industrial Ethernets zurückgreifen. Unser speziell entwickeltes Datenaustauschsystem (CDES & MDES) bietet eine hersteller- und protokollunabhängige Lösung zur Vernetzung und Nachrüstung der robustheitsgetriebenen OT-Welt mit der innovationsgetriebenen IT-Welt. Einfaches Rapid-Prototyping wird dadurch genauso möglich wie ein Datenaustausch zwischen Softwaremodulen in einer SPS- und einer PC-Umgebung. Darüber hinaus setzen wir verstärkt auf Containerisierung unserer Algorithmen, um sie in jeder Umgebung unabhängig von einem Cloud- oder Edge-Anbieter ohne Kompromisse hinsichtlich Kompatibilität, Robustheit oder Geschwindigkeit anwenden zu können. Getrieben von den stetig wachsenden Datenmengen und dem zunehmenden Einsatz von Künstlicher Intelligenz in Produktionsprozessen forschen wir außerdem aktiv an effizienten Konzepten zur Datenspeicherung, -erhaltung und -bereitstellung. 

Assoziierte Forschungsthemen

Beteiligte Forschungsgruppen