Low-Cost Human-Machine Interface in Cyber Physical Production Systems

Aktualisiert am:20/02/2025

Dokumentinformationen

Autor	Dipl.-Ing. Marcel Sorger
Schule	Leoben University of Mining, Metallurgy and Materials Science
Fachrichtung	Industrial Engineering
Ort	Leoben
Dokumenttyp	Master Thesis

Sprache	German
Seitenanzahl	80
Format	\| PDF
Größe	11.79 MB

Zusammenfassung

I.Low Cost Intelligent Automation LCIA

LCIA aims to extend the benefits of digitalization technologies to smaller scales, making it attractive for small and medium-sized enterprises (SMEs) with limited financial resources and specialized personnel.

1. Low Cost Intelligente Automatisierung LCIA

LCIA ist ein Konzept, das die Vorteile der Digitalisierungstechnologien auch in kleinerem Maßstab nutzen möchte, was es für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) mit geringeren finanziellen Mitteln und Fachpersonal interessant macht.

2. Open Source Lösungen für LCIA Implementierungen

Die Verwendung von Open-Source-Lösungen für die Entwicklung maßgeschneiderter HMIs senkt die Kosten, erhöht die Flexibilität und ermöglicht innovative Anwendungen.

3. Kostenreduzierung durch LCIA

LCIA kann zu einer Kostenreduzierung bei gleichzeitig gesteigerter Produktivität führen, da fehlerhafte Produkte leichter erkannt und nachbearbeitet oder aussortiert werden können.

4. LCIA in der Praxis Beispiel Walzwerk

Die Implementierung einer HMI-Schnittstelle an einem Walzwerk veranschaulicht die Machbarkeit von LCIA-Konzepten und ermöglicht dem Maschinenbediener die Visualisierung, Beurteilung und Reaktion auf Prozessparameter.

5. Einsatz kostengünstiger Hardware für LCIA

Der Einsatz von kostengünstigen, aber geeigneten Hardwarekomponenten, wie z. B. Raspberry Pi, ermöglicht es KMUs, LCIA-Maßnahmen mit moderatem Ressourceneinsatz umzusetzen.

II.Human Machine Interface HMI

HMIs play a crucial role in the successful digital transformation as they enable skilled personnel at the shop-floor level to interact effectively with the digitalized systems and respond to changing conditions.

1. Mensch Maschine Schnittstelle MMS

Die MMS spielt in der Entwicklung digitaler Transformationen eine entscheidende Rolle, da sie die Interaktion zwischen Fachpersonal und Maschinen ermöglicht. Um die MMS für den Einsatz im Bereich der Umformtechnik zu realisieren, wurden verschiedene Konzepte verglichen und bewertet. Die MMS-Schnittstelle wurde mittels eines Touchscreens realisiert, der von einem in das lehrstuhlinterne Netzwerk eingebundenen Einplatinencomputer betrieben wird.

III.Implementation of HMI at the Chair of Metal Forming

The thesis presents the implementation of an HMI using a rolling mill as an example. A proof of concept for LCIA implementation is demonstrated by utilizing the open-source programming language Python and affordable hardware components.

1. Ziel und Motivation

Ziel: Implementierung eines Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) für ein Walzwerk als Beispiel für Low-Cost Intelligent Automation (LCIA) in kleinen und mittleren Unternehmen (KMUs).

Motivation:

Digitalisierung von Produktionsanlagen
Implementierung neuer Digitalisierungstechnologien
Nutzung von LCIA zur Steigerung der Effizienz und Effektivität im kleinen Maßstab

2. Anforderungen und Konzept

Anforderungen:

Einfache und flexible Interaktion
Darstellung von Prozessparametern und Fehlermeldungen
Einstellung von Maschinenparametern

Konzept:

Touchscreen-Bedienoberfläche
Einbindung in das Lehrstuhlnetzwerk
Verwendung der Open-Source-Programmiersprache Python
Kostengünstige und geeignete Hardwarekomponenten

3. Umsetzung

Datenaufbereitung:

Import von Rohdaten aus dem Cyber Physical Production System (CPPS)
Automatische Aufbereitung und Filterung mittels Pandas
Einbindung spezieller Filteralgorithmen (Gauß-Filter, Savitzky-Golay-Filter)

Grafische Benutzeroberfläche (GUI):

Entwicklung mit PyQt
Benutzerdefinierte Widget-Klasse für mehrere unabhängige Diagramme
Einfache Bedienung durch Buttons und Ergebnistabelle

4. Implementierung

Hardware:

Raspberry Pi 4 Einplatinencomputer
Touchscreen-Bildschirm

Software:

Open-Source-Betriebssystem
Installation des Python-Projekts
Programmintegration in das Lehrstuhlnetzwerk

5. Ergebnisse und Ausblick

Ergebnisse:

Funktionierende HMI-Schnittstelle für das Walzwerk
Visualisierung und Bewertung von Versuchen
Ermöglichung einer effizienten Fehlerbehebung und Maschinenparametereinstellung

Ausblick:

Integration allgemeiner Programmteile für zukünftige Modernisierungen
Einsatz neuer Technologien wie Virtual Reality (VR) zur Verbesserung der Mensch-Maschine-Interaktion

IV.Data Processing and Visualization

The HMI allows users to monitor the time history of important process parameters, enabling machine operators to visualize, assess, and react to abnormal values, systematic errors, and adjust machine parameters for each test performed.

1. Datenerfassung und Aufbereitung

Daten aus Cyber Physical Production Systems (CPPS) werden automatisch verarbeitet und gefiltert, um qualitativ hochwertige Datensätze zu erstellen.

2. Visualisierung

Eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) ermöglicht es dem Benutzer, den zeitlichen Verlauf relevanter Prozessparameter zu visualisieren, zu beurteilen und gegebenenfalls darauf zu reagieren.

V.LCIA Concept and Benefits for SMEs

The LCIA concept aims to provide SMEs with the means to adopt digitalization technologies on a smaller scale, thereby improving their efficiency and competitiveness.

VI.Python Programming Language

Python was chosen for the HMI implementation due to its ease of use, open-source nature, extensive library support, and cross-platform compatibility.

VII.Data Filtering and Optimization

The thesis describes the data filtering and optimization techniques employed to enhance the quality of the data used in the HMI, ensuring reliable and informative visualization of process parameters.

1. Datenfilterung

Nach der Programmierung werden die Rohdaten in einem Pandas DataFrame abgelegt. Anhand von definierten Kriterien werden bestimmte Daten, die keinen Informationswert haben, ausgefiltert. Eine wichtige Aufgabe der Datenverarbeitung ist es, die Daten so aufzubereiten, dass sie für die spätere Verwendung leicht zugänglich sind.

Speziell für das Walzwerk werden zwei zusätzliche Spalten, [elapsed time] und [F_ges], in den DataFrame eingefügt. Die erste Spalte ist eine Zeitachse, die mit dem Messbeginn bei Null beginnt und den relativen Abstand zum Startpunkt jedes Datensatzes in Sekunden angibt. Die zweite Spalte ist die Summe der beiden vorhandenen Kraftmessdaten.

2. Optimierung der Messfrequenz

In der ersten Version des Programms wurde die Messfrequenz auf 1 kHz eingestellt. Dies führte jedoch zu unplausiblen Ergebnissen, da es zu langen Verzögerungen bei der Datenübertragung kam. Durch die Reduzierung der Messfrequenz auf 500 Hz konnten diese Verzögerungen vermieden werden, was zu einer deutlichen Verbesserung der Datenqualität führte.

Die Wahl der optimalen Messfrequenz ist wichtig, um einen Kompromiss zwischen Informationsdichte und schneller Reaktion auf Signaländerungen zu finden.

3. Filterung mit Gauß Filter

Der Gauß-Filter ist ein Tiefpassfilter, der verwendet wird, um Rauschen aus Daten zu entfernen. Die Standardabweichung des Gauß-Filters bestimmt die Stärke der Filterung. Ein größerer Wert führt zu einer stärkeren Filterung, wodurch Rauschen reduziert wird, aber auch feine Details verloren gehen können. Ein kleinerer Wert führt zu einer schwächeren Filterung, wodurch mehr Rauschen erhalten bleibt, aber auch feine Details besser sichtbar werden.

Im Fall des Walzwerks wurde ein Gauß-Filter mit einer Standardabweichung von 0,05 verwendet. Dieser Wert erwies sich als ein guter Kompromiss zwischen Rauschunterdrückung und Detailerhaltung.

4. Filterung mit Savitzky Golay Filter

Der Savitzky-Golay-Filter ist ein Polynomfilter, der verwendet wird, um Rauschen aus Daten zu entfernen und gleichzeitig feine Details zu erhalten. Die Fensterlänge des Savitzky-Golay-Filters bestimmt die Stärke der Filterung. Eine größere Fensterlänge führt zu einer stärkeren Filterung, wodurch Rauschen reduziert wird, aber auch feine Details verloren gehen können. Eine kleinere Fensterlänge führt zu einer schwächeren Filterung, wodurch mehr Rauschen erhalten bleibt, aber auch feine Details besser sichtbar werden.

Im Fall des Walzwerks wurde ein Savitzky-Golay-Filter mit einer Fensterlänge von 15 verwendet. Dieser Wert erwies sich als ein guter Kompromiss zwischen Rauschunterdrückung und Detailerhaltung.

VIII.GUI Graphical User Interface Development

The HMI was designed as a touch user interface (TUI) to provide a user-friendly and intuitive experience for machine operators.

1. GUI Entwicklung

Im Zeitalter der Digitalisierung werden Produktionsanlagen zunehmend modernisiert und vernetzt. Die Implementierung neuer Digitalisierungstechnologien wird aufgrund der meist hohen Anfangsinvestitionen von großindustriellen Unternehmen vorangetrieben.

Low-Cost Intelligent Automation (LCIA) verfolgt das Ziel, die Vorteile dieser Technologien auch im kleineren Maßstab zu nutzen. Unabhängig von der Größe eines Unternehmens ist die Einbindung von Fachpersonal auf Shop-Floor-Ebene für eine erfolgreiche digitale Transformation unerlässlich, weshalb Human-Machine Interfaces (HMIs) eine zentrale Rolle in dieser Entwicklung einnehmen.

2. HMI Implementierung am Lehrstuhl für Umformtechnik

Für die Implementierung am Lehrstuhl für Umformtechnik wurden in erster Instanz mögliche Konzepte verglichen und bewertet. Realisiert wurde die HMI-Schnittstelle mittels eines Touchscreens, welcher von einem in das lehrstuhlinterne Netzwerk eingebundenen Einplatinencomputer betrieben wird.

Dieses Konzept soll in weiterer Folge die langfristige Etablierung neuer Digitalisierungstechnologien durch effektive und mitarbeiterzentrierte Visualisierung unterstützen und Möglichkeiten der effizienten und effektiven digitalen Transformation in KMUs aufzeigen.

3. Auswahl der Programmiersprache Python

Python ist eine objektorientierte, höhere Programmiersprache, die sich durch einfache Lesbarkeit und Plattformunabhängigkeit auszeichnet. Die umfangreiche Bibliothek von Python erleichtert die Entwicklung komplexer Aufgabenstellungen und die Verwendung standardisierter Schnittstellen.

4. Datenaufbereitung

Die Rohdaten werden in CSV-Dateien gespeichert und in einen Pandas Dataframe eingelesen. Um qualitativ hochwertige Datensätze zu erhalten, werden Datenfilterungsschritte durchgeführt, um Redundanzen und Daten ohne Informationsgehalt zu entfernen sowie die Daten für die weitere Verwendung vorzubereiten.

5. Optimierung der Messfrequenz und Datenfilterung

Die Wahl einer geeigneten Messfrequenz ist entscheidend für die Qualität der erhobenen Daten. Eine zu hohe Messfrequenz kann zu Datenverlust führen, während eine zu niedrige Frequenz Informationsdichte reduziert. Die Datenfilterung mit einem Gauß-Filter oder Savitzky-Golay-Filter kann verwendet werden, um Rauschen zu reduzieren und die Darstellung von Signalen zu verbessern.

6. Anforderungen an das Interface

Für die Darstellung der Daten wurde eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) gewählt, die dem Maschinenbediener eine intuitive Bedienung ermöglicht. Die GUI umfasst Diagramme zur Visualisierung von Messdaten, eine Ergebnistabelle zur Anzeige relevanter Kenngrößen und Buttons zur Steuerung der Funktionen.

7. Implementierung des GUI

Die GUI wurde mit dem Qt-Framework entwickelt, das die Erstellung plattformübergreifender grafischer Anwendungen ermöglicht. Da ein Großteil der Python-Entwickler Diagramme mit Matplotlib erstellt, wurde dieses in die PyQt-Umgebung integriert.

8. Hardwareauswahl und Implementierung

Um das Konzept der kostengünstigen Automatisierung zu verwirklichen, wurden kostengünstige Hardwarekomponenten gewählt. Die HMI-Schnittstelle wurde auf einem Raspberry Pi 4 mit einem Touchscreen installiert und in das lehrstuhlinterne Netzwerk integriert.

9. Zusammenfassung und Ausblick

Die Implementierung des HMI am Lehrstuhl für Umformtechnik zeigt die Machbarkeit von LCIA-Maßnahmen auf. Durch die Verwendung von Open-Source-Software und kostengünstiger Hardware konnten die Gesamtkosten gering gehalten werden.

Zukünftige Entwicklungen in der Mensch-Maschine-Interaktion könnten Technologien wie Virtual Reality (VR) beinhalten, die eine noch intuitivere Interaktion und die Simulation kritischer Szenarien ermöglichen.

IX.Hardware Implementation

The HMI was implemented on a Raspberry Pi 4 single-board computer, integrated into the chair's internal network, demonstrating the feasibility of LCIA implementation with cost-effective hardware.

1.2 Realisierung der HMI Schnittstelle

Umgesetzt wurde die HMI-Schnittstelle mittels eines Touchscreens, welcher von einem in das lehrstuhlinterne Netzwerk eingebundenen Einplatinencomputer betrieben wird.

2. Hardware Implementierung

2.1 Konzept Mikrocontroller

Die wohl kostengünstigste Variante ist die Verwendung eines Mikrocontrollers, wie dem Arduino-Board Uno.

2.2 Konzept Raspberry Pi

Durch die Verwendung der Open Source-Programmiersprache Python und die Wahl möglichst kostengünstiger, aber geeigneter Hardwarekomponenten konnten die Gesamtumsetzungskosten für die Implementierung gering gehalten werden.

X.Benefits and Future Prospects

The HMI provides machine operators with valuable insights into the rolling process, enabling them to optimize machine settings, reduce downtime, and improve product quality. The modular program structure allows for easy adaptation to different applications, making it a versatile tool for future digitalization projects.

1. Vorteile der Implementierung von HMIs

Vorteile für den Maschinenbediener:

Visualisierung wichtiger Prozessparameter
Bewertung und Reaktion auf auftretende Abweichungen
Einstellung von Maschinenparametern für jeden Test

Vorteile für Unternehmen:

Effektive und mitarbeiterzentrierte Visualisierung
Möglichkeiten für effiziente und effektive digitale Transformation in KMU

2. Zukünftige Perspektiven

Neue Technologien für Mensch-Maschine-Interaktion:

Virtuelle Realität (VR)-Brillen für Einblendung von Prozessparametern und Simulation kritischer Szenarien

Skalierbarkeit und Wiederverwendbarkeit:

Modularer Programmaufbau ermöglicht die Verwendung allgemeiner Programmteile in zukünftigen Modernisierungen
Kürzere Entwicklungs- und Implementierungszeit bei ähnlichen Aufgabenstellungen

Niedrige Kosten und einfache Implementierung:

Open-Source-Programmiersprachen und kostengünstige Hardware ermöglichen LCIA-Maßnahmen auch für KMU

Dokumentreferenz

RB-LCD10-2 10.1“ IPS Touchscreen Display mit Metallgehäuse (SIMAC Electronics GmbH)