berufliche schulen - ph-gmuend.de

Landesinstitut für

Schulentwicklung

Schulentwicklung

und empirische

Bildungsforschung

Schulentwicklung

Qualitätsentwicklung

und Evaluation

Bildungspläne

Berufsschule Fachschule für Technik

Berufliche Schulen

Industrie 4.0

Umsetzung im Unterricht

Stuttgart 2016 ▪ H-15.08

Redaktionelle Bearbeitung: Redaktion: OStR'in Löhr-Zeidler

Autoren: StD Hörner, Technische Schule Aalen

StD Wiedmann, Technische Schule Aalen StD Schmitt, Werner-von-Siemens-Schule Mannheim StR Heer, Gewerbliche Schule Göppingen StD Weber, Carl-Schaefer-Schule Ludwigsburg GSR Mußler, Gewerbliche Schule Lahr

Stand: Februar 2016

Impressum: Herausgeber: Landesinstitut für Schulentwicklung (LS)

Heilbronner Straße 172, 70191 Stuttgart Telefon: 0711 6642-0 Telefax: 0711 6642-1099 E-Mail: [email protected] www.ls-bw.de

Druck und Vertrieb:

Landesinstitut für Schulentwicklung (LS)Heilbronner Straße 172, 70191 Stuttgart Telefon: 0711 6642-1204 www.ls-webshop.de

Urheberrecht: Inhalte dieses Heftes dürfen für unterrichtliche Zwecke in den Schulen und Hoch-schulen des Landes Baden-Württemberg vervielfältigt werden. Jede darüber hin-ausgehende fotomechanische oder anderweitig technisch mögliche Reproduktion ist nur mit Genehmigung des Herausgebers möglich. Soweit die vorliegende Publi-kation Nachdrucke enthält, wurden dafür nach bestem Wissen und Gewissen Li-zenzen eingeholt. Die Urheberrechte der Copyrightinhaber werden ausdrücklich anerkannt. Sollten dennoch in einzelnen Fällen Urheberrechte nicht berücksichtigt worden sein, wenden Sie sich bitte an den Herausgeber. Bei weiteren Vervielfälti-gungen müssen die Rechte der Urheber beachtet bzw. deren Genehmigung einge-holt werden. © Landesinstitut für Schulentwicklung, Stuttgart 2016

Inhaltsverzeichnis

1 Beschreibung der Thematik Industrie 4.0 anhand des Y-Modells von

Prof. Dr. August-Wilhelm Scheer ............................................................................................. 1

1.1 „Smart Factory“ ................................................................................................................... 2

1.2 Produktsicht ......................................................................................................................... 3

1.3 Logistik ................................................................................................................................ 3

2 Aufbau und Struktur der Handreichung ................................................................................. 5

2.1 Aufbau der Handreichung ................................................................................................... 5

2.2 Struktur der Szenarien ........................................................................................................ 6

3 Zuordnung der Szenarien zu den Schularten und Ausbildungsberufen ............................. 7

4 Szenarienüberblick ................................................................................................................... 7

5 Zuordnung der Szenarien zu den Fortbilungsmodulen Elektro- und Metalltechnik ........... 8

5.1 Fortbildungsmodule Elektrotechnik ..................................................................................... 8

5.2 Fortbildungsmodule Metalltechnik ....................................................................................... 9

6 Szenarios ................................................................................................................................. 11

7 Glossar ..................................................................................................................................... 44

Landesinstitut für Schulentwicklung

Vorwort

Um Fach- und Nachwuchskräfte nachhaltig auf die Anforderungen von Industrie 4.0 vorzubereiten,

fördern die Ministerien der Landesregierung die Umsetzung an beruflichen Schulen.

Mit den damit geschaffenen Lernfabriken, aber auch den bereits vorhandenen Laborausstattungen,

Praxis- und Simulationsmodellen kann Industrie 4.0 praxisnah vermittelt werden.

Zielgruppe der Umsetzung von Industrie 4.0 sind Auszubildende in den Berufsfeldern Metall- und

Elektrotechnik sowie Schülerinnen und Schüler an Fachschulen für Technik.

Auf Grundlage der bestehenden KMK-Rahmenlehrpläne für die Berufsschule einschlägiger Ausbil-

dungsberufe und der Lehrpläne für die Fachschule für Technik wurde die vorliegende Handreichung

am Landesinstitut für Schulentwicklung zur Konkretisierung von Kompetenzen und Inhalten in Bezug

auf Industrie 4.0 erstellt. Die Handreichung soll bei der Umsetzung an den Schulen eine Hilfestellung

sein, indem beispielhaft Szenarien dargestellt werden. Die Szenarien beschreiben handlungsorien-

tierte Aufgabenstellungen, an denen Ausbildungsinhalte der Berufs- und Fachschule im Kontext von

Industrie 4.0 aufgegriffen und behandelt werden.

Industrie 4.0 - Umsetzung im Unterricht

1

1 Beschreibung der Thematik Industrie 4.0 anhand des Y-Modells von

Prof. Dr. August-Wilhelm Scheer1

In dem Y-Modell werden die wesentlichen produktiven Prozesstypen eines Industriebetriebes vor-

gestellt, an denen die betriebswirtschaftlichen Wirkungen von Industrie 4.0 diskutiert werden.

Zur Illustration werden in das Y-Modell grafische Symbole zur Bezeichnung der Funktionen ange-

geben und außerhalb des Randes wesentliche mit Industrie 4.0 verbundene Technologien gekenn-

zeichnet. Die in den Balken eingetragenen Begriffe bezeichnen die betriebswirtschaftlichen Treiber.

Die oberen Teile des Y-Modells bezeichnen Planungsaktivitäten,

der untere Teil die kurzfristige Steuerungs- und Realisierungsebene.

Der linke Zweig des Y-Modells bezeichnet die durch Aufträge getriebenen Geschäftsprozesse eines

Industriebetriebes. Aus den Kundenaufträgen werden die für die benötigten Materialien und Res-

sourcen erforderlichen Beschaffungsaufträge und für die zu produzierenden Teile die Fertigungs-

aufträge abgeleitet. Die Planung und Steuerung dieser Aufträge wird auch als Logistik bezeichnet.

Externe Logistik bezeichnet dabei die Beziehungen zu Kunden und Lieferanten, interne Logistik die

interne Auftragsabwicklung.

Der rechte Zweig des Y-Modells bezeichnet die durch die herzustellenden Produkte benötigten

Prozesse. Die Forschungs- und Entwicklungsprozesse im rechten oberen Bereich erzeugen durch

1 Auszüge aus Whitepaper Nr. 5, Industrie 4.0: Von der Vision zur Implementierung, Prof. Dr. A.-W. Scheer, Mai 2015

Industrie 4.0: Von der Vision zur Implementierung, Prof. Dr. A.-W. Scheer, Mai 2015


2

Einsatz von CAD/CAE-Systemen die geometrischen Produktbeschreibungen und durch die Arbeits-

planung die Fertigungsvorschriften (Arbeitspläne). Von der Fabrikplanung werden die benötigten

maschinellen Ressourcen definiert.

In der Fabrik sind die logistischen und produktbezogenen Prozesse eng verbunden. Hier werden die

zu produzierenden Teile nach Art, Menge, Zeit und Qualität mittels der Fertigungsvorschriften den

Ressourcen zugeordnet, die Fertigung zeitnah gesteuert und die Ergebnisse erfasst. Die erzeugten

Produkte werden anschließend dem Versand übergeben und an die Kunden ausgeliefert.

1.1 „Smart Factory“

Die wesentliche neue Industrie 4.0-Technologie in der Fabrik sind sogenannte Cyber-Physical Sys-

tems (CPS). Diese sind softwareintensive Produktionssysteme, die mit dem Internet verbunden sind

und untereinander sowie mit den intelligenten Materialien kommunizieren. Materialien werden als

intelligent bezeichnet, weil sie ihre Eigenschaften wie Qualität und benötigte Fertigungsschritte (Ar-

beitspläne) auf einem Datenträger (Chip) mit sich führen. Über Radio Frequence Identification

(RFID)-Technologien können dann die Materialien selbstständig den Weg durch die Fertigung fin-

den. Die CPS und Materialien koordinieren Kapazitätsbedarf und -angebot quasi über eine Art Markt-

platz. Fällt ein CPS plötzlich aus, so übernimmt ein anderes System automatisch dessen Aufgabe

und das System organisiert selbstständig den Materialfluss neu.

Die nunmehr durchgehende Selbststeuerung der Produktion ist damit fast die logische Konsequenz

dieser Entwicklung.

In erweiterter Funktion führt die Selbstorganisation zur Selbstoptimierung. Wenn z. B. erkannt wird,

dass ein Werkzeug einer Maschine etwas abgenutzt ist, können automatisch Fertigungsteile zuge-

wiesen werden, für die der Werkzeugzustand noch ausreichend ist.

Die hohe Flexibilität der CPS ermöglicht eine starke Individualisierung der Fertigung, da das Umrüs-

ten des Systems ohne Zeitverlust und ohne Kosten erfolgt.

Eine weitere wesentliche Technologie ist die kostengünstige Speicherung von Massendaten in der

Fertigung, wie sie durch den Preisverfall von Speichermedien und neuen Datenbanktechnologien

(„in memory“) ermöglicht wird. Durch Sensoren können Maschinen-, Material- und Umfeldzustände

Realtime erfasst werden. Analytische Auswertungsverfahren (analytics) wollen nicht nur das Verhal-

ten der Vergangenheit erklären, sondern den Gegenwartszustand zum sofortigen Eingreifen nutzen

und darüber hinaus Hinweise über ein zu erwartendes zukünftiges Systemverhalten geben. Bekann-

testes Beispiel ist das predictive maintenance, bei dem aus dem gegenwärtigen Verhalten des Sys-

tems auf Anomalitäten geschlossen wird, die z. B. zum Auswechseln einer Komponente in naher

Zukunft raten. Durch eine Realtime-Analyse kann erkannt werden, ob das System durch unregel-

mäßigen Energieverbrauch eine Wartungsmaßnahme benötigt. Insgesamt führt die Kombination der

Technologien zu der Vision der Realtime sich selbst steuernden Fabrik.

Eine Zwischenstufe bilden z. Zt. sogenannte Manufacturing Execution Systems (MES), die als eine

Zwischenschicht zwischen der Fabrik und den darüber liegenden oberen Teilen des Y-Modells eine


3

Filterung und Verdichtung von Daten vornimmt. Es ist aber zu erwarten, dass hierarchische Ansätze

mehr und mehr verschwinden werden und alle Komponenten in einem Industriebetrieb direkt mitei-

nander kommunizieren werden.

1.2 Produktsicht

Der rechte obere Teil des Y-Modells kennzeichnet die Produktentwicklung, sowie die Entwicklung

produktnaher Dienstleistungen.

Die gezeigte stärkere Flexibilisierung der Fertigung bis hin zur Losgröße 1 – Fertigung fordert eine

stärkere Individualisierung der Produktentwicklung. Da Kunden auf ihre Produkte in der Regel nicht

lange warten möchten, fordert die Individualisierung, dass die Produktion näher an den Standort des

Kunden rücken muss. Neue Technologien wie 3D-Druck, bei dem ein Erzeugnis aus einem geomet-

rischem 3D-Modell durch Aufschichtung von Material gefertigt wird, erlaubt beispielsweise die sofor-

tige Produktion eines nicht mehr lieferbaren Ersatzteils. Auf jeden Fall erhöht der 3D-Druck bereits

die Entwicklungsgeschwindigkeit neuer Produkte durch die schnellere Entwicklung von Prototypen

(rapid prototyping). Neue Produktideen können nicht nur von der eigenen Entwicklungsabteilung

generiert werden, sondern auch durch die systematische Einbeziehung von weiteren Mitarbeitern

des eigenen Unternehmens, Kunden, Lieferanten bis zur gesamten interessierten Welt. Dies kann

durch die Nutzung von Foren im Internet geschehen und wird als „Open Innovation“ bezeichnet.

In einer Industrie 4.0 Umgebung mit intelligenten Materialien und Bearbeitungseinheiten können

über die gesamte Lebenszeit eines einzelnen Produktes alle vorgenommenen Aktivitäten, wie Re-

paraturen, Wartungen, Ersatzteilaustausch, sowie die Einsätze und Einsatzbedingungen des Pro-

duktes automatisch erfasst und gespeichert werden. Dies führt zum Konzept des transparenten Pro-

duct Lifecycle Managements (PLM). Auch dieses führt zu einer immensen Datenfülle, die nur durch

die skizzierten Techniken des Big Data behandelt werden kann. Die Analyse dieser Daten kann

neben der rechtlich vorgeschriebenen Verfolgbarkeit von Teilen im Rahmen von Gewährleistungen

vor allem Anregungen für Produktverbesserungen und Optimierung von Einsatzbedingungen geben.

1.3 Logistik

Auch der linke obere Teil des Y-Modells, also die Vertriebs- und Beschaffungslogistik, wird durch

Industrie 4.0 stark verändert.

Zunächst kann ein Kunde über vielfältige Kanäle wie Standardcomputer, Laptops oder Smartphones

seinen Auftrag erteilen, stornieren oder ändern. Das Auftragserfassungs- und Auftragsverfolgungs-

system des Lieferanten muss sich gegenüber den unterschiedlichen Zugangskanälen transparent

verhalten, es muss omnichannel-fähig sein. Alle Kanäle müssen durcheinander benutzbar sein, d.

h. der Kunde kann z. B. den Auftrag über den Standardcomputer erteilen, ihn dann aber über sein

Smartphone ändern oder stornieren.


4

Technisch bedeutet dies, dass die Benutzeroberflächen je nach Medium automatisch angepasst

werden müssen. Der leichte Zugang des Kunden zum Lieferanten führt zusammen mit der Individu-

alisierung zu einem verstärkten Änderungsanfall und damit zu den schon beschriebenen stärkeren

Anforderungen an flexibleres Produktdesign und Fertigungsflexibilität.

Die Individualisierung der Produkte durch höhere Variantenzahl und kundenindividueller Fertigung

erhöht tendenziell die Zahl der Zulieferer und verringert die Fertigungstiefe des Unternehmens. Dies

bedeutet, dass das Logistiknetzwerk des Unternehmens schneller reagieren muss. Neue Lieferan-

ten müssen schnell identifiziert werden und sofort in das Netzwerk eingebunden werden. Störungen

innerhalb der Supply Chain müssen frühzeitig erkannt werden und durch schnelle Maßnahmen ab-

gefangen werden. Die Abrufe von Vorprodukten und Materialien werden kleinteiliger. Das gesamte

Supply Chain-Netzwerk muss für alle Beteiligten in jedem Augenblick transparent sein. Dies ist mög-

lich, wenn alle Beteiligten über eine virtuelle zentrale Datenbank verbunden sind.

Link zum Vortrag:

https://www.youtube.com/watch?v=SQp-fLAjx2c +3 Scheer Goup, Prof. Scheer, CIM,CEBIT 15


5

2 Aufbau und Struktur der Handreichung

2.1 Aufbau der Handreichung

Der Aufbau der Handreichung erfolgt in einzelnen Szenarien, in denen anhand von Beispielen aus

den Bereichen der Automatisierungstechnik, Fertigungstechnik und Informationstechnik, Technolo-

gien von Industrie 4.0 an handlungsorientierten Aufgabenstellungen aufgezeigt werden. Dabei wer-

den in den Szenarien die angestrebten Handlungsziele, fachlichen Inhalte sowie die dafür notwen-

digen Kompetenzen ausführlich beschrieben.

Aufgrund der sehr großen fachlichen Bandbreite sind nicht alle Szenarien in der gleichen inhaltlichen

Tiefe für alle Berufe und Schularten relevant. Um eine möglichst einfache Orientierung und Zuord-

nung der Szenarien zu den entsprechenden Schularten und Berufen zu bekommen, werden die

angestrebten Handlungsziele und Kompetenzen in den Szenarien differenziert in drei unterschied-

lich gestufte Anforderungsbereiche2 formuliert (s. Abbildung 1). Durch den Einsatz geeigneter Ope-

ratoren (Verben) entstehen somit Szenarien mit unterschiedlichen Anforderungen und Niveaus.

Im Nachfolgenden werden die drei Anforderungsbereiche beschrieben: Anforderungsbereich 1:

- Reproduktion und Anwendung einfacher Sachverhalte und Methoden

- Darstellen von Sachverhalten in vorgegebener Form

- Darstellen einfacher Bezüge Anforderungsbereich 2:

- Reorganisation und Übertragen komplexerer Sachverhalte und Fachmethoden

- Situationsgerechte Anwendung von technischen Kommunikationsformen

- Wiedergabe von Bewertungsansätzen

2 In Anlehnung an die EPA (Einheitliche Prüfungsanforderungen) der KMK

Abbildung 1


6

- Herstellen von Bezügen, um technische Problemstellungen entsprechend den allgemeinen

Richtlinien der Technik zu lösen

Anforderungsbereich 3:

- Problembezogenes Anwenden und Übertragen komplexer Sachverhalte und Fachmethoden

- Situationsgerechte Auswahl von Kommunikationsformen

- Herstellen von Bezügen und das Bewerten von Sachverhalten

Im Anforderungsbereich 1 und 2 geht es hauptsächlich darum, einfache und komplexe Sachverhalte

zu reproduzieren, anzuwenden und darzustellen. Der Schwerpunkt des Anforderungsbereichs 3 liegt

im problemorientierten Arbeiten und Anwenden, sowie dem Transfer komplexer Sachverhalte auf

neue Problemstellungen.

2.2 Struktur der Szenarien

Jedes Szenario besitzt einen Titel und beschreibt eine authentische Aufgabenstellung, mit der Ver-

fahren und Technologien von Industrie 4.0 im Unterricht aufgegriffen und behandelt werden können.

Ein Szenario beginnt mit einer Beschreibung der angestrebten Kernkompetenzen. In einem Schau-

bild werden die einzelnen Aspekte sowie die fachlichen Inhalte in Zusammenhang gebracht und

Schnittstellen zu anderen Szenarien aufgezeigt. In einer Funktionsbeschreibung erfolgt eine detail-

lierte Darstellung und Beschreibung des handlungsorientierten Szenarios.

Die Beschreibung der Handlungsziele und der fachlichen Inhalte erfolgt zweispaltig (s. Abbildung 2).

In der linken Spalte werden die angestrebten Handlungsziele durchnummeriert aufgeführt. Diese

beschreiben Ergebnisse und die jeweiligen Aktivitäten, mit der diese Ziele erreicht werden können.

In der rechten Spalte stehen, ohne Anspruch auf Vollständigkeit, die korrespondierenden fachlichen

Inhalte. Diese konkretisieren die Elemente, durch deren Behandlung im Unterricht die jeweiligen

Ziele erreicht werden sollen.

Abbildung 2


7

3 Zuordnung der Szenarien zu den Schularten und Ausbildungsberufen

Wie bereits erwähnt, sind nicht alle Szenarien in ihrer fachlichen Breite und Tiefe für jeden Ausbil-

dungsberuf und jede Schulart relevant. Daher werden diese entsprechend ihrer fachlichen Inhalte

und ihres Anforderungsbereiches in einer Matrix den Berufen und Schularten zugeordnet. Somit ist

eine schnelle und übersichtliche Zuordnung der Szenarien zu den Berufen und Schularten gewähr-

leistet.

Die Handlungsziele innerhalb der Szenarien können berufs- und schulartspezifisch angepasst wer-

den.

4 Szenarienüberblick


8

5 Zuordnung der Szenarien zu den Fortbilungsmodulen Elektro- und Metalltechnik

Aufgrund des großen und differenzierten Lehrerfortbildungsangebotes im Bereich der Elektro- und

Metalltechnik, sind bereits viele Technologien und fachliche Inhalte von Industrie 4.0 Bestandteil von

existierenden Fortbildungsmodulen. Einen Überblick, in welchem Fortbildungsmodul welche Inhalte

geschult werden, liefert die nachfolgende Matrix.

5.1 Fortbildungsmodule Elektrotechnik


9

5.2 Fortbildungsmodule Metalltechnik


10

Weiterführende Fortbildungsmodule zu Industrie 4.0 sind in Planung.


11

6 Szenarios

Szenario 1: Produktentwicklung / Produktionsplanung

Kernkompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler besitzen die Kompetenz, den Weg von der Produktidee über die Ent-

wicklung und Konstruktion der Produkte bis zur Produktionsplanung und Steuerung aufzuzeigen

bzw. zu realisieren und die für die Produktion benötigten Daten aufzubereiten und anzulegen.

Sie bestimmen Produktdaten, die für das Produkt-Lifecycle-Management von Bedeutung sind und

in Zukunft erhoben werden sollen.

Schaubild

Funktionsbeschreibung, Hinweise, Erläuterungen

Die Kundenwünsche und Bedürfnisse an ein Smartphone werden analysiert und bewertet. Aus der

Produktidee werden mögliche Produktvarianten des Smartphone-Gehäuses festgelegt. Die Produkt-

varianten des Gehäuses sollen variable Abmessungen, unterschiedliche Farben oder verschiedene

Aussparungen umfassen. Die Konstruktion des Smartphone-Gehäuses erfolgt fertigungs- und mon-

tagegerecht mit einem 3D-CAD-System. Die Konstruktion ist entsprechend den Produktvarianten

parametrisiert und die Konstruktionsdaten sind dokumentiert.


12

Die 3D-Datensätze der Konstruktion werden sowohl beim Digital Prototyping als auch beim Rapid

Prototyping genutzt. Das Digital Prototyping bietet sich bei der fotorealistischen Visualisierung und

bei der Simulation von Montage- und Fertigungsprozessen an. Mit dem entsprechenden Rapid Pro-

totyping Verfahren können sowohl Designmodelle, Funktionsprototypen oder Endprodukte erstellt

werden.

Ein weiterer Bereich, bei dem die 3D-Datensätze der Konstruktion zur Verwendung kommen, ist die

flexible Programmerstellung für CNC-Maschinen mit einem CAM-System.

Nach der Analyse der Daten und der geeigneten Fertigungsstruktur und Ablaufplanung werden die

Produktionsdaten für das ERP/MES-System aufbereitet und angepasst.


13

Handlungsziele und fachliche Inhalte

ANFORDERUNGSBEREICH 1

1


1.1 Zusammenhang zwischen Erfüllungs-grad, den Anforderungen und der Kun-denzufriedenheit beschreiben

Grundforderungen, Qualitäts- und Leis-tungsanforderung, Begeisterungsanforde-rung

1.2 Kundenwünsche analysieren und syste-

matisch in Produkt- und Prozessmerk-male umsetzen

(Quality Function Deployment)

1.3 Einfache parametrische 2D-und 3D-Da-

tensätze mit einem CAD-System entwi-ckeln

Virtuelle Bauteile, Baugruppen, Dokumen-tation

1.4 Einfache mechanische Bauteile und

Komponenten gestalten und dimensio-nieren

Fertigungsgerechte und montagegerechte Gestaltung, einfache Maschinenelemente berechnen

1.5 Methoden des digitalen Prototyping be-

schreiben Realistische Visualisierung, Simulation von Fertigungs- und Montageprozessen

1.6 Unterschiede in der Beschaffungsauslö-

sung benennen Verbrauchsgesteuert, bedarfsgesteuert

1.7 Kriterien für Arbeitsablaufplanung benen-

nen Mengen, Arten, Arbeitsteilung, Varianten-stücklisten

1.8 Ablaufprinzipien benennen Klassifizierungskriterien 1.9 2D-Datensätze zur Fertigung nutzen und

Bearbeitungsstrategien festlegen Maschinen, Spannsysteme, Werkzeuge, Hilfsstoffe, flexible CNC-Programmierung

1.10 Auftragsabhängige und auftragsunab-

hängige Daten unterscheiden Strukturdaten, Bewegungsdaten, Be-standsdaten

1.11 Verfahren zur analytischen und syntheti-

schen Bedarfsplanung unterscheiden Deterministische, heuristische und stochastische Verfahren

1.12 Produktentwicklung und Produktionspla-

nung bewerten und optimieren


14


1


1.1 Zusammenhang zwischen Erfüllungs-grad, den Anforderungen und der Kun-denzufriedenheit analysieren




(Quality Function Deployment)

1.3 Parametrische 2D- und 3D-Datensätze

mit einem CAD-System entwickeln Virtuelle Bauteile, Baugruppen, Dokumen-tation, Konstruktionsvarianten

1.4 Mechanische Bauteile und Komponenten

gestalten und dimensionieren Fertigungsgerechte und montagegerechte Gestaltung, Maschinenelemente berech-nen

1.5 Produktvarianten aus vorliegender Pro-

duktidee entwickeln Variantenkonstruktion, Produktparameter


schreiben und anwenden Realistische Visualisierung, Simulation von Fertigungs- und Montageprozessen

1.7 3D-Datensätze für das Rapid Prototyping

aufbereiten und exemplarisch anwenden Datenformate, Rapid Prototyping Verfah-ren, Muster-, Gebrauchs-, und Funktions-prototypen


sung benennen Verbrauchsgesteuert, bedarfsgesteuert, Methoden zur Entscheidungsfindung

1.9 Kriterien für Arbeitsablaufplanung benen-

nen Mengen, Arten, Arbeitsteilung, Varianten-stücklisten, parametrisierte Stücklisten

1.10 Ablaufprinzipien analysieren Klassifizierungskriterien 1.11 2D- und 3D-Datensätze zur Fertigung

nutzen und Bearbeitungsstrategien fest-legen

Maschinen, Spannsysteme, Werkzeuge, Hilfsstoffe, flexible CNC-Programmierung


hängige Daten unterscheiden und in ERP-Systemen begründen

Strukturdaten, Bewegungsdaten, Be-standsdaten


schen Bedarfsplanung unterscheiden Deterministische, heuristische und stochastische Verfahren




15


1


1.1 Zusammenhang zwischen Erfüllungs-grad, den Anforderungen und der Kun-denzufriedenheit ausarbeiten




Quality Function Deployment

1.3 Parametrische 2D- und 3D-Datensätze

mit einem CAD-System entwickeln Virtuelle Bauteile, Baugruppen, Dokumen-tation, Konstruktionsvarianten

1.4 Komplexe mechanische Bauteile und

Komponenten gestalten und dimensio-nieren

Fertigungsgerechte und montagegerechte Gestaltung, Maschinenelemente berech-nen

1.5 Produktvarianten aus vorliegender Pro-

duktidee entwickeln Variantenkonstruktion, Produktparameter


schreiben und anwenden Realistische Visualisierung, Simulation von Fertigungs- und Montageprozessen

1.7 3D-Datensätze für das Rapid Prototyping

aufbereiten und bei verschiedenen RP Verfahren anwenden

STL Datenformat, Rapid Prototyping Ver-fahren, Muster-, Gebrauchs-, und Funkti-onsprototypen


sung anwenden Verbrauchsgesteuert, bedarfsgesteuert, Methoden zur Entscheidungsfindung

1.9 Kriterien für Arbeitsablaufplanung an-

wenden Mengen, Arten, Arbeitsteilung, Varianten-stücklisten, parametrisierte Stücklisten

1.10 Ablaufprinzipien analysieren und bewer-

ten Klassifizierungskriterien

1.11 2D- und 3D-Datensätze zur Fertigung

nutzen und Bearbeitungsstrategien fest-legen und analysieren

Maschinen, Spannsysteme, Werkzeuge, Hilfsstoffe, flexible CNC-Programmierung


hängige Daten unterscheiden und in ERP-(MES-)Systemen anlegen

Strukturdaten, Bewegungsdaten, Be-standsdaten


schen Bedarfsplanung anwenden und unterscheiden

Deterministische, heuristische und stochastische Verfahren




16

Szenario 2: Flexible Fertigung

Kernkompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler besitzen die Kompetenz, eine flexible Fertigung zur Herstellung von

Smartphone-Gehäusen in unterschiedlichen Produktvarianten und ohne Vorratshaltung zu projek-

tieren, zu installieren und in Betrieb zu nehmen.

Die hierbei entstehenden Daten sollen dem Service (Condition Monitoring), Energiemanagement,

Engineering, PLM, etc. zur Verfügung gestellt werden.

Schaubild


Die Rohgehäuse werden auf einem Werkstückträger über das Transportsystem dem Identifizie-

rungssystem zugeführt. Nach der Identifizierung der Rohgehäuse werden diese über ein Handha-

bungssystem der Fertigungseinheit zugeführt. Die individuelle Fertigung der Smartphone-Gehäuse

erfolgt anhand der ausgelesenen Produktionsdaten. Dabei werden die notwendigen Steuerungspro-

gramme für die Fertigungseinheit ausgewählt oder bei Bedarf angepasst. Nach der Fertigung der

Gehäuse werden diese wieder über das Handhabungssystem dem Transportsystem zur Weiterver-

arbeitung zugeführt. Die dabei entstehenden Prozessdaten werden im übergeordneten MES gespei-

chert, ausgewertet und der Instandhaltung sowie dem Energiemanagement zur Verfügung gestellt.


17



2


2.1 Grundprinzipien von flexiblen Fertigungs-verfahren nennen

Generative Fertigungsverfahren, CNC, CAD/CAM

2.2 Grundprinzipien von Transportsystemen

nennen Transferband, Förderkette, Rundtisch

2.3 Verschiedene Identifikationssysteme be-

schreiben RFID, QR-Code, Barcode, binäre Sensorik

2.4 Funktionsweisen von Handhabungssys-

temen erläutern Roboter, pneumatischer Umsetzer, Linear-achsen, Greifersysteme

2.5 Steuerungsprogramme für Fertigungsein-

heiten beschreiben Auftragsbezogene statische Steuerungs-programme

2.6 Steuerungssysteme und deren Kompo-

nenten erklären CPU, Signalmodule, Bussysteme

2.7 Programmteile von Steuerungssystemen

programmieren Modulare und bibliotheksfähige Program-mierung, Ablaufsteuerung

2.8

Anlage in Betrieb nehmen MessprotokolleInbetriebnahmeprotokolle Predictive Maintenance

2.9 Anlage bewerten und optimieren Lastenheft

Pflichtenheft CE-Zertifizierung (Prozesssicherheit)


18


2


2.1 Grundprinzipien von flexiblen Fertigungs-verfahren analysieren


2.2 Unterschiedliche Transportsysteme ana-

lysieren Transferband, Förderkette, Rundtisch

2.3 Unterschiede von Identifikationssyste-

men erläutern RFID, QR-Code, Barcode, binäre Sensorik

2.4 Handhabungssysteme an einen Prozess

anpassen Roboter, pneumatischer Umsetzer, Linear-achsen, Greifersysteme


heiten programmieren Auftragsbezogene statische Steuerungs-programme

2.6 Steuerungssysteme und deren Kompo-

nenten beurteilen CPU, Signal- und Funktionsmodule, Bus-systeme, Netzwerktopologie


entwickeln Modulare und bibliotheksfähige Program-mierung, Ablaufsteuerung

2.8 Anlage in Betrieb nehmen und

Inbetriebnahmedaten protokollieren MessprotokolleInbetriebnahmeprotokolle Condition Monitoring Energiemanagement Predictive Maintenance


Pflichtenheft Energieleitziele und Energiekennzahlen CE-Zertifizierung (Prozesssicherheit)


19


2


2.1 Grundprinzipien von flexiblen Fertigungs-verfahren vergleichen, beurteilen und an-wendungsbezogen auswählen


2.2 Unterschiedliche Transportsysteme ver-

gleichen, beurteilen und anwendungsbe-zogen auswählen

Transferband, Förderkette, Rundtisch

2.3 Identifikationssysteme auswählen und

anwenden RFID, QR-Code, Barcode, binäre Sensorik

2.4 Handhabungssysteme in einen Prozess

einbinden Roboter, pneumatischer Umsetzer, Linear-achsen, Greifersysteme


heiten projektieren Auftragsbezogene statische Steuerungs-programme

2.6 Steuerungssysteme auswählen und mit

den Komponenten verbinden CPU, Signal- und Funktionsmodule, Bus-systeme, Netzwerktopologie


projektieren Modulare und bibliotheksfähige Program-mierung, Ablaufsteuerung

2.8 Anlage in Betrieb nehmen,

Inbetriebnahmedaten protokollieren und daraus Instandhaltungsdaten gene-rieren

MessprotokolleInbetriebnahmeprotokolle Produktivität Condition Monitoring Energiemanagement Product Lifecycle Management (PLM) Predictive Maintenance Engineering


Pflichtenheft Energieleitziele, Energiekennzahlen Clean Production CE-Zertifizierung (Prozesssicherheit)


20

Szenario 3: Manufacturing Execution System

Kernkompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler besitzen die Kompetenz, das Einsatzgebiet sowie die Funktion eines

Manufacturing Execution System (MES) zu beschreiben, dieses gegenüber anderen datenbankba-

sierenden Systemen abzugrenzen, sowie dessen Kommunikationsschnittstellen zu beschreiben und

zu projektieren.

Schaubild


Ausgehend von der im Szenario 2 beschriebenen Funktionsbeschreibung werden von dem Steue-

rungssystem produktspezifische Fertigungsinformationen am MES über standardisierte Schnittstel-

len angefragt. Der Datenstamm des MES resultiert aus den Auftragsdaten des Kunden, sowie aus

den Produkt-/Produktionsdaten. Das MES ermittelt entsprechend der Anfrage daraufhin die für das

Steuerungssystem notwendigen Produktdaten und sendet diese wiederum an das Steuerungssys-

tem zurück. Nach erfolgter Ausführung des Fertigungsschrittes durch das Steuerungssystem, wer-

den die aktuellen Prozessdaten an das MES zurückgeliefert und vom MES in dessen Datenbank

abgelegt. Diese Daten stehen für das weitere Controlling des Produktlebenszykluses zur Verfügung.


21



3


3.1 Aufgaben und Funktion eines MES de-tailliert beschreiben

Komponenten, interne Architektur

3.2 MES für einen Fertigungsprozess be-

schreiben System- und Kommunikationsschnitt-stel-len Auftrags-, Produkt- und Prozessdaten Formulare und Masken

3.3 Kommunikationsschnittstellen eines MES

nennen OPC UA, ODBC

3.4 MES an einem Fertigungsprozess an-

wenden Auftragsverwaltung, Meldungsanalyse, Prozessdatenauswertung, Instandhal-tungsdaten, Energiemanagementdaten

3.5 Den Zugriff mit einem vorgegebenen

Verfahren über eine Steuerungseinheit auf ein MES beschreiben

SOA, Industrial Ethernet

3.6 MES bewerten und optimieren


3




3.2 MES für einen Fertigungsprozess konfi-

gurieren und notwendige Datenstruktu-ren begründen

System- und Kommunikationsschnitt-stel-len Auftrags-, Produkt- und Prozessdaten Formulare und Masken


vergleichen und auswählen. Ausge-wählte Schnittstelle projektieren

OPC UA, ODBC


wenden Auftragsverwaltung, Meldungsanalyse, Prozessdatenauswertung, Instandhal-tungsdaten, Energiemanagementdaten

3.5 Mit einem vorgegebenen Verfahren über

eine Steuerungseinheit auf ein MES zu-greifen

SOA, Industrial Ethernet



22


3




3.2 MES für einen Fertigungsprozess konfi-

gurieren und notwendige Datenstruktu-ren definieren

System- und Kommunikationsschnitt-stel-len Auftrags-, Produkt- und Prozessdaten Formulare und Masken


vergleichen und auswählen. Ausge-wählte Schnittstelle projektieren und pro-grammieren

OPC UA, ODBC


wenden und analysieren Auftragsverwaltung, Meldungsanalyse, Prozessdatenauswertung, Instandhal-tungsdaten, Energiemanagementdaten

3.5 Über eine Steuerungseinheit auf ein

MES zugreifen SOA, Industrial Ethernet, SQL



23

Szenario 4: Service und Instandhaltung

Kernkompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler können kundenspezifische Service- und Instandhaltungsaufgaben

planen, durchführen und veranlassen, um die maximale Verfügbarkeit von Maschinen zu gewähr-

leisten und gleichzeitig den Materialverbrauch für Wartungen und Reparaturen zu minimieren.

Um Störungen zu erkennen, Fehler in Systemen zu lokalisieren und Fehlerursachen von Kompo-

nenten zu identifizieren, können sie geeignete Diagnoseinstrumente auswählen und anwenden.

Mit Hilfe von Condition Monitoring können sie Zustandsinformationen von Anlagen, Maschinen und

Bauteilen ermitteln, erfassen, messen, analysieren und bewerten, um frühzeitig auftretende Fehl-

funktionen, Abnutzung, Verbrauch und Verschmutzung zu erkennen und zu vermeiden.

Die hierbei gewonnenen Daten werden gesammelt/archiviert und dem Engineering zur Auswertung

zur Verfügung gestellt, um zukünftige Service- und Instandhaltungsaufgaben im Rahmen eines vo-

rausschauenden Services und Instandhaltung (Predictive Maintenance) optimieren zu können.

Schaubild


24


Für eine Transferstraße/Bearbeitungszentrum mit spanenden und spanlosen Fertigungsverfahren

und Handhabungssystemen (Spannvorrichtungen, …, Roboter) sollen dessen Zustandsdaten zur

Aufrechterhaltung der Produkt- und Prozessqualität, zur Vermeidung von Stillstandzeiten, zur Nach-

vollziehbarkeit von Chargen, zur Ermittlung des Verbrauchs und zur Integration eines Energiema-

nagementsystems überwacht werden.

Die Anlage hat mechanische, elektrische, pneumatische und hydraulische Antriebe und Komponen-

ten.

Die Prozessparameter wie Positionen, Geschwindigkeiten, Drücke, Kräfte, Temperaturen, Volumen-

ströme, etc. werden von den der Steuerung übergeordneten Rechnern oder vom Werkstückträger

der Steuerung der jeweiligen Bearbeitungs- oder Handhabungsstation vorgegeben und ebenso über

diese rückgemeldet, ausgewertet und archiviert.

Um Maschinenstillstandzeiten zu reduzieren und die Produktivität zu erhöhen, kann der Kundenser-

vice webbasierend durch die Möglichkeit einer Ferndiagnose, eines E-Services des Maschinen- und

Anlagenherstellers, der Systeme- und Bauteilezulieferer erfolgen und ausgewertet werden. Durch

dieses Controlling und Monitoring soll die Maschinenperformance, der Bearbeitungs- und Lieferzu-

stand des Werkstücks weltweit betrachtet werden können.


25



4


4.1 Prozess- und Zustandswerte von Bau-teilen, Maschinen und Anlagen nennen und die Notwendigkeit der Dokumenta-tion und Archivierung der Referenzda-ten aus der Inbetriebnahme für die In-standhaltung beschreiben

Funktionale Zusammenhänge HMI Referenz/Sollwerte für Condition Monitoring Physikalische Größen Betriebsdaten (BDE)

4.2 Gesamtwirtschaftliche und rechtliche

Rahmenbedingungen beschreiben Gewährleistung,Abnahmebedingungen

4.3 Prozess- und Zustandswerte von Sen-

soren/Aktoren erfassen Messgerät, Sensordisplay, HMI Intelligente Feldgeräte Remote Inspection Datenerfassung in Echtzeit Smart-Metering Tabelle, Diagramm, Datenformat

4.4 Die Möglichkeiten der Weiterleitung von

Prozess- und Zustandswerten zur Aus-wertung beschreiben

Webbasierend, SMS, E-Mail, Betreiber, Maschinen- und Komponentenher-steller Servicedienstleister Cloud-Computing

4.5 Standardisierte Kommunikationsdienste

nennen RFIDIO-Link Bussysteme Industrial Ethernet OPC-UA

4.6 Aussagekräftige Prozess- und Zu-

standswerte für die Datenanalyse be-schreiben

Muster-/Trend-AnalyseStatistische Auswertungen Referenz-Daten

4.7 Diagnoserelevante Signalzustände von

Bauteilen/Maschinen/Anlagen nennen

RohdatenVerdichtete Daten Aufbereitete Daten

4.8 Einfache Instandhaltungsmaßnahmen,

die vor Ort durchgeführt werden kön-nen, beschreiben

PLC, HMI

4.9 Instandhaltungsmaßnahmen auslösen Teleservice, Remote Maintenance

Remote Repair, Betreiber, Maschinen- und Komponentenhersteller Plug and produce


26

4.10 Service- und Instandhaltungs-metho-den/-strategien beschreiben

6-Stufen-Methode:1. Störungsmeldung der Anlage (Condition-

Monitoring) 2. Systemdiagnose (Fehlerlokalisierung) 3. Komponentendiagnose (Fehleridentifizie-

rung) 4. Instandsetzung 5. Ersatzteilbestellung 6. Dokumentieren und Archivieren

4.11 Einflussgrößen zur Aufrechterhaltung

der Prozesssicherheit beschreiben Safety Control und Monitoring HMI, UVV, CE, Ergonomie, Gesundheit

4.12 Die Notwendigkeit der Archivierung von

Zustandsinformationen für die voraus-schauende Instandhaltung und das En-gineering beschreiben

Life Cycle CostProduct Lifecycle Management PLM „Big Data“ Cloud-Computing Muster- und Trend-Analysen Predictive Maintenance ERP, MES, SCM, SFM

4.13 Einfache Service- und Instandshal-

tungsmaßnahmen reflektieren Qualität, Produktivität, Rentabilität, Zuverläs-sigkeit, Sicherheit, Verfügbarkeit


27


4


4.1 Prozess- und Zustandswerte von Bau-teilen, Maschinen und Anlagen erläu-tern und die Notwendigkeit der Doku-mentation und Archivierung der Refe-renzdaten aus der Inbetriebnahme für die Instandhaltung begründen



Rahmenbedingungen erklären Gewährleistung,Abnahmebedingungen

4.3 Die Möglichkeiten der Weiterleitung von

Prozess- und Zustandswerten zur Aus-wertung erläutern

Messgerät, Sensordisplay, HMI Intelligente Feldgeräte Remote Inspection Datenerfassung in Echtzeit Smart-Metering Tabelle, Diagramm, Datenformat

4.4 Prozess- und Zustandswerte zur Aus-

wertung weiterleiten Webbasierend, SMS, E-Mail, Betreiber, Maschinen- und Komponentenher-steller Servicedienstleister Cloud-Computing

4.5 Die Unterschiede standardisierter Kom-

munikationsdienste beschreiben RFIDIO-Link Bussysteme Industrial Ethernet OPC-UA

4.6 Aussagekräftige Prozess- und Zu-

standswerte für die Datenanalyse erläu-tern

Muster-/Trend-AnalyseStatistische Auswertungen Referenz-Daten

4.7 Diagnoserelevante Signalzustände von

Bauteilen/Maschinen/Anlagen erläutern


4.8 Instandhaltungsmaßnahmen aufgrund

einer Gerätediagnose vor Ort durchfüh-ren

PLC, HMI

4.9 Instandhaltungsmaßnahmen auslösen

und deren Durchführung überwachen Teleservice, Remote Maintenance, Remote Repair, Betreiber, Maschinen- und Komponentenhersteller Plug and produce


28

4.10 Service- und Instandhaltungsmetho-den/-strategien und deren Notwendig-keit für eine systematische Instandhal-tung erklären





der Prozesssicherheit erfassen und analysieren

Safety Control und Monitoring HMI, UVV, CE, Ergonomie, Gesundheit

4.12 Zustandsinformationen für die voraus-

schauende Instandhaltung und das En-gineering archivieren


4.13 Durchgeführte Service- und Instandhal-

tungsmaßnahmen erläutern und beur-teilen

Qualität, Produktivität, Rentabilität, Zuverläs-sigkeit, Sicherheit, Verfügbarkeit


29


4


4.1 Prozess- und Zustandswerte von Bau-teilen, Maschinen und Anlagen erläu-tern, Werte aus der Inbetriebnahme er-mitteln und als Referenzdaten doku-mentieren, archivieren und bewerten



Rahmenbedingungen übertragen Gewährleistung,Abnahmebedingungen

4.3 Prozess- und Zustandswerte von Sen-

soren/Aktoren messen und darstellen Messgerät, Sensordisplay, HMI Intelligente Feldgeräte Remote Inspection Datenerfassung in Echtzeit Smart-Metering Tabelle, Diagramm, Datenformat

4.4 Prozess- und Zustandswerte zur Aus-

wertung weiterleiten Webbasierend, SMS, E-Mail, Betreiber, Maschinen- und Komponentenher-steller Servicedienstleister Cloud-Computing

4.5 Standardisierte Kommunikationsdienste

anwenden RFIDIO-Link Bussysteme Industrial Ethernet OPC-UA

4.6 Prozess- und Zustandswerte metho-

dengeleitet analysieren Muster-/Trend-AnalyseStatistische Auswertungen Referenz-Daten

4.7 Bauteile-/Maschinen-/Anlagenzustände

diagnostizieren und bewerten


4.8 Komplexe Instandhaltungsmaßnahmen

aufgrund einer Gerätediagnose vor Ort strukturiert durchführen

PLC, HMI

4.9 Instandhaltungsmaßnahmen auslösen,

durchführen und bewerten Teleservice, Remote Maintenance, Remote Repair, Betreiber, Maschinen- und Komponentenhersteller Plug and produce


30

4.10 Service- und Instandhaltungs-metho-den/-strategien für eine systematische Instandhaltung anwenden





der Prozesssicherheit erfassen, analy-sieren und bewerten

Safety Control und Monitoring HMI, UVV, CE, Ergonomie, Gesundheit

4.12 Zustandsinformationen für die voraus-

schauende Instandhaltung und das En-gineering nutzen


4.13 Komplexe Service- und Instandhal-

tungsmaßnahmen bewerten und ggf. optimieren

Qualität, Produktivität, Rentabilität, Zuverläs-sigkeit, Sicherheit, Verfügbarkeit


31

Szenario 5: Energiemanagement

Kernkompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler besitzen die Kompetenz, bei der Produktion der Smartphone-Ge-

häuse, den Energieverbrauch durch Energiemanagement zu optimieren.

Sie erfassen messtechnisch die Energieströme der Gesamtanlage, über den Maschinenbereich bis

zur Komponentenebene. Sie zeigen Potenziale auf, die durch Produktionspausen und Spitzenlasten

entstehen und können dadurch Energieflüsse managen. Mögliche Einsparpotenziale werden durch

die Auswahl energieeffizienter Komponenten realisiert.

Sie zeigen geeignete Energiespeicher und die Möglichkeit der Rückspeisung auf, um die Produkti-

vität des Wertschöpfungsprozesses zu optimieren.

Dadurch realisieren sie ein intelligentes Stromnetz (Smart Grid), das die Sicherstellung der Energie-

versorgung auf Basis eines effizienten und zuverlässigen Systembetriebs gewährleistet.

Schaubild


32


Um Maßnahmen zur Energieeffizienz zu realisieren und somit den Energieverbrauch bei der Pro-

duktion der Smartphone-Gehäuse zu senken, müssen die Energieverbräuche gemessen werden.

Die Transparenz der Energieströme durch Energie-Monitoring erfordert die Messung der Gesamt-

anlage, bestehend aus Beleuchtung, Druckluftaufbereitung, Druckluftnetz, Produktion etc.

Eine Ebene tiefer werden die Verbräuche einzelner Teilsysteme erfasst und visualisiert. Die nächste

Ebene ist die Komponentenebene, hier werden die Verbräuche der einzelnen Komponenten wie

elektrische Motoren, Schaltgeräte, Stromversorgungen, Umrichter, pneumatische und hydraulische

Aktoren ermittelt. Um den Gesamtenergieverbrauch ganzheitlich betrachten zu können, sind die Be-

rechnungen von Energiekennzahlen notwendig, die sich auf die Produktionsmenge oder den Her-

stellungsprozess beziehen.

Durch die Auswahl geeigneter energieeffizienter Komponenten und intelligenter Steuer- und Rege-

lungen, können die Energieverbräuche gesenkt werden. Durch ein Energie-Monitoring kann aufge-

zeigt werden, wann über den Tag verteilt Spitzenlasten und damit verbunden hohe Energiekosten

entstehen. Mit Hilfe des Smart-Grids und einem Lastmanagement können Netzbelastungen ausge-

glichen werden und so günstigere Strompreise realisiert werden.

Durch geeignete Energiespeicher und Energierückspeisemöglichkeiten können im Bearbeitungs-

zentrum schnelle Lastspitzen aufgefangen werden und ein konstanter Energieverbrauch sowie eine

gleichmäßige Netzauslastung erreicht werden.

Mit einem Energiemanagementsystem können der Primärenergieverbrauch und Treibgasausstoß

gesenkt und somit ein vorsorgender betrieblicher Umweltschutz (Clean Production) verwirklicht wer-

den. Neben dem erhöhten Umwelt und Klimaschutz werden durch die gesteigerte Energieeffizienz

auch die Betriebskosten nachhaltig gesenkt, was vorteilhaft für den Wettbewerb sein kann.

Die Energieziele der Geschäftsführung können Großbetriebe entweder nach Norm mit der Einfüh-

rung eines Energiemanagementsystems, Energieaudits oder Umweltmanagementsystems nach E-

MAS erreichen. Eine praktische Hilfe zur Erreichung dieser Ziele kann die PDCA-Zyklus-Methode

sein.


33



5


5.1 Energieströme einer Anlage nennen und die Arten des Monitoring beschreiben

Gesamtwirtschaftliche und rechtliche Rah-menbedingungen Grundlage: Energieziele der Geschäftsfüh-rung Gesamtanlage, Maschinenbereich und Komponentenebene Mögliche Methode: PDCA-Zyklus

5.2 Geeignete Energiemessverfahren erläu-

tern und Messgeräte nennen Energieverbrauchsmessungen durchfüh-ren und darstellen

Istwertermittlung an Anlagen, Maschinen und Bauteilen Erfassung und Umsetzung Effective/Smart Maintenance Smart Metering

5.3 Vorhandene Betriebsmittel hinsichtlich ih-

rer Energieeffizienz erläutern Kenndaten von Betriebsmitteln Energiekennzahlen Condition Monitoring

5.4 Einsparpotenziale erläutern, Energieeffi-

zienzmaßnahmen beschreiben Energieziele der GeschäftsführungPDCA-Zyklus-Methode, Energieaudit Energiebeauftragter, Energieteam Soll-Ist-Vergleich Referenzwerte aus Inbetriebnahme

5.4.1 Energieeffiziente Komponenten nennen und beschreiben

Mechanische, elektrische, pneumatische, hydraulische und thermische Betriebsmit-tel

5.4.2 Prozessabläufe darstellen DruckregelungenVerbrauchsoptimierte Drücke Stand-by-Modus Softstarter Frequenzumrichter

5.4.3 Energiedaten erklären Energiebeauftragter, EnergieteamReporting, Energiekennzahlen Verbräuche an MES, ERP


34

5.5 Lastmanagement DSM („Demande side Management“) erläutern

Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) und Ab-schaltverordnung (AbLaV) Einhaltung eines prognostizierten Leis-tungsbezugs und Lastprofils Stromspitzenauslösende Verbraucher („Peak Shaving“) Phasen mit geringer Netzbelastung (Pro-duktionspausen) Abschaltmöglichkeiten von Verbrauchern Parametrierbare Lastprofile (Druckspeicher, Kühlaggregate, etc.) Fernabschaltung Smart Grid Netzstabilität Stromtarife

5.6 Intelligente Energiespeichermöglichkei-

ten beschreiben Doppelschichtkondensatoren (DSK)Elektrochemische Speicher auf Lithium-basis Stoffliche Speicher wie Wasserstoff Druckspeicher

5.7 Energierückspeisesysteme

erklären Rückspeisesysteme mechanisch, elektrisch, pneumatisch, ther-misch

5.8 Energiedaten, Maßnahmen und Kosten

zur Erhöhung der Energieeffizienz dar-stellen

Messprotokolle, EnergiekennzahlenCondition Monitoring Smart Grid Produktivität Product Lifecycle Management (PLM) Predictive Maintenance Zukünftiges Engineering

5.9 Maßnahmen zur Erhöhung der Energie-

effizienz erläutern PDCA-Zyklus im Energieaudit Energie- oder Umweltmanagementsystem Optimierungsmöglichkeiten


35


5


5.1 Energieströme einer Anlage ermitteln und die Art des Monitoring begründen


5.2 Geeignete Energiemessverfahren aus-

werten und Messgeräte auswählen Ener-gieverbrauchsmessungen durchführen, darstellen und beurteilen



rer Energieeffizienz begründen Kenndaten von Betriebsmitteln Energiekennzahlen Condition Monitoring

5.4 Einsparpotenziale ableiten, Energieeffi-

zienzmaßnahmen durchführen Energieziele der Geschäftsführung PDCA-Zyklus-Methode, Energieaudit Energiebeauftragter, Energieteam Soll-Ist-Vergleich Referenzwerte aus Inbetriebnahme

5.4.1 Energieeffiziente Komponenten analysie-ren und untersuchen

mechanische, elektrische, pneumatische, hydraulische und thermische Betriebsmit-tel

5.4.2 Prozessabläufe optimieren DruckregelungenVerbrauchsoptimierte Drücke Stand-by-Modus Softstarter Frequenzumrichter

5.4.3 Energiedaten auswerten Energiebeauftragter, EnergieteamReporting, Energiekennzahlen Verbräuche an MES, ERP


36

5.5 Lastmanagement DSM („Demande side Management“) begründen und beurteilen



ten analysieren Doppelschichtkondensatoren (DSK)Elektrochemische Speicher auf Lithium-basis Stoffliche Speicher wie Wasserstoff Druckspeicher


beurteilen Rückspeisesysteme mechanisch, elektrisch, pneumatisch, ther-misch


zur Erhöhung der Energieeffizienz doku-mentieren



effizienz bewerten PDCA-Zyklus im Energieaudit Energie- oder Umweltmanagementsystem Optimierungsmöglichkeiten


37

ANFORDERUNGSBEREICH 3 5


5.1 Energieströme einer Anlage ermitteln und die Art des Monitoring auswählen


5.2 Geeignete Energiemessverfahren beur-

teilen und Messgeräte auswählen Energieverbrauchsmessungen durchfüh-ren, dokumentieren und bewerten



rer Energieeffizienz beurteilen Kenndaten von Betriebsmitteln Energiekennzahlen Condition Monitoring

5.4 Einsparpotenziale nachweisen, Energie-

effizienzmaßnahmen entwickeln und um-setzen

Energieziele der GeschäftsführungPDCA-Zyklus-Methode, Energieaudit Energiebeauftragter, Energieteam Soll-Ist-Vergleich Referenzwerte aus Inbetriebnahme

5.4.1 Energieeffiziente Komponenten bedarfs-gerecht dimensionieren

Mechanische, elektrische, pneumatische, hydraulische und thermische Betriebsmit-tel

5.4.2 Prozessabläufe optimieren DruckregelungenVerbrauchsoptimierte Drücke Stand-by-Modus Softstarter Frequenzumrichter

5.4.3 Energiedaten kommunizieren Energiebeauftragter, EnergieteamReporting, Energiekennzahlen Verbräuche an MES, ERP


38

5.5 Lastmanagement DSM („Demande side Management“) entwickeln und anwenden



ten analysieren und bewerten Doppelschichtkondensatoren (DSK)Elektrochemische Speicher auf Lithiumba-sis Stoffliche Speicher wie Wasserstoff Druckspeicher


dimensionieren Rückspeisesysteme mechanisch, elektrisch, pneumatisch, ther-misch


zur Erhöhung der Energieeffizienz doku-mentieren und archivieren



effizienz reflektieren PDCA-Zyklus im Energieaudit Energie- oder Umweltmanagementsystem Optimierungsmöglichkeiten


39

Szenario 6: Vernetzung und Datensicherheit

Kernkompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler besitzen die Kompetenz, automatisierungstechnische und informati-

onstechnische Komponenten horizontal und vertikal über Ethernet zu vernetzen. Dabei können sie

netzwerktechnische Parameter beschreiben, sowie geeignete Protokolle auswählen und projektie-

ren.

Die Schülerinnen und Schüler entwickeln das Bewusstsein für die Notwendigkeit einer hohen Da-

tensicherheit. Sie sind in der Lage IT-Netzwerke sicher und zuverlässig zu planen, zu konfigurieren,

in Betrieb zu nehmen und zu warten. Dies gilt für interne als auch für externe IT-Systeme in der

Cloud. Das Planen von Backup-Strategien, sowie das Installieren von Backup-Systemen ergänzen

ihre fachliche Kompetenz.

Schaubild


Die Vernetzung von IT-Komponenten, sowie die Gewährleistung deren Datensicherheit, ist im Kon-

zept von Industrie 4.0 ein extrem wichtiger Fakt. Da alle Prozesse auf strukturierten digitalisierten

Daten beruhen, muss sichergestellt werden, dass diese Daten gegen unerlaubte Zugriffe geschützt


40

und vor Systemausfällen gesichert sind. Dies gilt insbesondere auch für die beschriebenen Szena-

rien 1 bis 5. Aus diesem Grund werden die hierfür zu behandelnden Inhalte in diesem Szenario 6

zusammengefasst.


41



6


6.1 Notwendige Parameter für ein Ethernet-Netzwerk beschreiben

IP-AdresseSubnetzmaske Standard-Gateway

6.2 Topologien sowie eine strukturierte Ver-

kabelung beschreiben Stern-Topologie

6.3 Aktive Netzkomponenten nennen und er-

klären SwitchRouter DSL-Modem

6.4 Verschiedene ethernetbasierte Kompo-

nenten in einem Netzwerk in Betrieb nehmen

SPSPC- und Serversysteme aktive Netzkomponenten HMI-Geräte Sensoren und Aktoren

6.5 Benutzerverwaltungskonzepte darstellen Active Directory

Benutzerverwaltungskonzepte 6.6 Firewallsysteme erläutern Ports

Applikationen 6.7 Gesicherte Internetzugänge begründen Proxy

VLAN 6.8 Zugriffe auf das Intranet beschreiben Lokal- und Remotezugriffe

VPN WLAN-Sicherheit

6.9 Notwendigkeit von Cloudlösungen nen-

nen und beschreiben Interne, externe Lösung selbstgehostete Cloud ISP-Cloud

6.10 Backup-Strategien zur Sicherung der Fir-

mendaten erklären BandsicherungRAID-Systeme Inkrementelle Datensicherung

6.11 Ausfallsicherheit von IT-Komponenten si-

cherstellen USV

6.12 Datensicherheit bewerten Zertifizierung


42


6





kabelung planen und beschreiben Stern-Topologie

6.3 Aktive Netzkomponenten vergleichen

und erklären SwitchRouter DSL-Modem




6.5 Benutzerverwaltung installieren und ad-

ministrieren Active DirectoryBenutzerverwaltungskonzepte

6.6 Firewallsysteme installieren und konfigu-

rieren KonzeptePorts Applikationen

6.7 Gesicherte Internetzugänge einrichten

und in Betrieb nehmen ProxyVLAN Weblogs

6.8 Zugriffe auf das Intranet installieren und

überwachen Lokal- und Remotezugriffe VPN IPsec Verschlüsselung WLAN-Sicherheit

6.9 Einrichten und konfigurieren von Cloudlö-

sungen Interne, externe Lösung selbstgehostete Cloud ISP-Cloud


mendaten erklären und projektieren BandsicherungRAID-Systeme Inkrementelle Datensicherung


cherstellen USV

6.12 Datensicherheit bewerten und ggf. opti-

mieren Zertifizierung


43


6





kabelung planen und realisieren Stern-Topologie

6.3 Aktive Netzkomponenten vergleichen,

analysieren und auswählen SwitchRouter DSL-Modem




6.5 Benutzerverwaltung planen, installieren

und administrieren Active DirectoryBenutzerverwaltungskonzepte

6.6 Firewallsysteme auswählen, installieren

und konfigurieren KonzeptePorts Applikationen

6.7 Gesicherte Internetzugänge planen, ein-

richten und in Betrieb nehmen ProxyVLAN Weblogs

6.8 Zugriffe auf das Intranet planen, installie-

ren und überwachen Lokal- und Remotezugriffe VPN IPsec Verschlüsselung WLAN-Sicherheit

6.9 Auswählen, installieren und konfigurieren

von Cloudlösungen Interne, externe Lösung selbstgehostete Cloud ISP-Cloud


mendaten entwickeln und projektieren BandsicherungRAID-Systeme Inkrementelle Datensicherung


cherstellen USV

6.12 Datensicherheit bewerten und ggf. opti-

mieren Zertifizierung


44

7 Glossar

AbLaV Verordnung zu abschaltbaren Lasten Clean Production vorsorgender, betriebsspezifischer Umweltschutz Condition-Based-Mainte-nance

Zustandsbedingte Instandhaltung

Condition Monitoring Zustandsüberwachung, regelmäßige oder permanente Erfassung

des Maschinenzustandes DSM Demande side Management, Lastmanagement, Laststeuerung Effective Maintenance effektive Wartung EMAS Eco-Management and Audit Scheme, kontinuierliches Verbes-

sern der Umweltleistung mithilfe eines standardisierten Manage-ment-Systems

EnWG Energiewirtschaftsgesetz ERP Enterprise-Resource-Planing, unternehmerische Aufgabe, Res-

sourcen im Sinne der Unternehmensaufgabe rechtzeitig und be-darfsgerecht zu planen und zu steuern

Incident-Based-Maintenance Ereignisbasierte Wartung IO-Link Intelligentes Sensor/Aktor-Interface IPsec Sicheres Internetprotokoll ISP-Cloud Cloud eines Internet-Service-Providers MES Manufacturing Execution System, Produktionsleitsystem ODBC Open Database Connectivity, offene Datenbankschnittstelle OPC UA Open Productivity Connection – Universal Architecture

Offene Kommunikationsschnittstelle zwischen automatisierungs-technischen Komponenten

PDCA-Zyklus-Methode Plan – Do – Check – Act (Planen – Tun – Überprüfen – Umset-

zen) vierphasiger Problemlösungsprozess der Qualitätssicherung Peak Shaving Stromspitzenauslösende Verbraucher PLM Product Lifecycle Management Produktlebenszyklusmanagement

Konzept zur Integration aller Informationen im Verlauf des Le-benszyklus eines Produktes

PdM Predictive Maintenance, vorausschauende Instandhaltung


45

QR-Code Quick-Response-Code, 2D-Code RFID Radio Frequency Identification SCM Supply Chain Management SFM Supply Flour Management Smart Grid intelligentes Stromnetz, Vernetzung und Steuerung von Stromer-

zeugern, Stromspeichern, elektrischen Verbrauchern und Netz-betriebsmitteln in Energieübertragungs- und -verteilungsnetzen zur effizienten und zuverlässigen Sicherstellung der Energiever-sorgung

Smart Maintenance intelligente Wartung Smart Metering intelligenter Zähler, zeigt den tatsächlichen Energieverbrauch

und die tatsächliche Nutzungszeit an, ist in ein Kommunikations-netz eingebunden

SOA Service Orientated Architecture SQL Structured Query Language VPN Virtual Private Network

berufliche schulen - ph-gmuend.de

Documents