In diesem Kurs sollen die Studierenden einen vertieften Einblick in die Vernetzung und Digitalisierung von Produktionsanlagen im Sinne einer Smart Factory erhalten. Hierzu werden sie mit den grundlegenden Zielen einer Smart Factory im Kontext des Forschungskomplexes Industrie 4.0 vertraut gemacht. Nach einer kurzen Einführung in die Geschichte der Automatisierung werden den Studierenden die technischen Grundlagen und Standards vermittelt, die für den Entwurf und den Betrieb einer Smart Factory erforderlich sind. Darauf aufbauend wird gezeigt, wie diese einzelnen Technologien eingesetzt werden, um die zentralen Konzepte einer Smart Factory zu realisieren. Um zu verstehen, aus welchen Bestandteilen eine Smart Factory besteht, werden verschiedene Referenzarchitekturen vor- und gegenübergestellt. Der Kurs schließt mit den besonderen Engineering-Herausforderungen einer autonom handelnden und dezentral organisierten Produktionsanlage. Dazu zählt vor allem der Aspekt der IT-Sicherheit, der durch die digitale Vernetzung der Produktionsanlagen und Produkte besonders relevant ist.

1. Motivation und Begriffsabgrenzung
   1. Ziele von Smart Factory
   2. Internet of Things
   3. Cyber-physische Systeme
   4. Cyber-physische Produktionssysteme
   5. Smart Factory als Cyber-physisches (Produktions-)System
2. Entwicklung der Automatisierung
   1. Automatisierungspyramide
   2. Vernetzte, dezentrale Organisation der Produktion
   3. Zukünftige Herausforderungen
3. Technologische Grundlagen und Standards
   1. Identifizierung physikalischer Objekte
   2. Formale Beschreibungssprachen und Ontologien
   3. Digitales Objektgedächtnis
   4. Physikalische Situationserkennung
   5. (Teil-)autonomes Handeln und Kooperieren
   6. Mensch-Maschine-Interaktion
   7. Maschine-Maschine-Kommunikation
4. Grundkonzepte einer Smart Factory
   1. Auftragsgesteuerte Produktion
   2. Bündelung von Maschinen- und Produktionsdaten
   3. Unterstützung des Menschen in der Produktion
   4. Intelligente Produkte und Betriebsmittel
   5. Smart Services
5. Referenzarchitekturen
   1. Zweck und Eigenschaften von Referenzarchitekturen
   2. Überblick über Normungsinitiativen
   3. CyProS-Referenzarchitektur
   4. RAMI 4.0 (DIN SPEC 91345)
6. Smart Factory Engineering
   1. Klassifikation verschiedener Engineering-Werkzeuge
   2. Virtual Engineering
   3. User-Centered Design
   4. Requirements Engineering
   5. Modellierung
   6. Integration klassischer und smarter Komponenten
7. Sicherheit
   1. Sicherheitsrisiken in einer Smart Factory
   2. Handlungsvorschläge des BMWi
   3. VDMA-Handlungsleitfaden

Ziel des Kurses ist es, den Studierenden einen Einblick in die Mess-, Regel- und Steuerungstechnik zu bieten sowie die Grundlagen der Robotik zu vermitteln. Hierzu wird den Studierenden dargelegt, mit welchen Methoden bestimmte Messgrößen ermittelt werden können und wie mit Messfehlern umgegangen wird. Auf diesen Grundlagen aufbauend werden verschiedene Sensoren vorgestellt und die Studierenden dazu befähigt, passende Sensoren anhand vorgegebener Kriterien auszuwählen. Der Kurs führt die Studierenden darüber hinaus in die Grundlagen der Regelungstechnik ein. Dabei werden den Studierenden die verschiedenen Möglichkeiten zur Beschreibung der Struktur und des Verhaltens von Regelsystemen veranschaulicht. Neben der Regelungstechnik werden auch die Grundlagen der Steuerungstechnik vermittelt. Die Studierenden erhalten eine kurze Einführung in binäre Zahlensysteme und die Boolesche Algebra und setzen sich darüber hinaus mit verschiedenen basalen Schaltungs- und Steuerungselementen auseinander. Zuletzt erhalten die Studierenden einen Einblick in die Robotik mit einem Schwerpunkt auf Industrieroboter. In diesem Zusammenhang erlernen die Studierenden die Beschreibung und Berechnung von Positionen und Bewegungen einzelner Glieder eines Roboterarms.

1. Grundlagen der Automatisierung
   1. Grundlegende Begriffe
   2. Wirtschaftliche Aspekte
   3. Automatisierungspyramide
   4. Mess-, Steuer- und Regelsysteme
2. Grundlagen der Messtechnik
   1. Messgrößen und Einheiten
   2. Formen von Messsignalen
   3. Messmethoden
   4. Messeinrichtungen
   5. Bewertung von Messungen und Messfehler
3. Sensoren
   1. Funktion und Elemente von Sensoren
   2. Kriterien zur Auswahl von Sensoren
   3. Näherungsschalter
   4. Fotoelektrische Sensoren
   5. Ultraschallsensoren
   6. Drehgeber
   7. Kraft-, Drehmoment- und Druckmesser
   8. Temparatursensoren
   9. Bildverarbeitende Sensoren
4. Grundlagen der Regelungstechnik
   1. Elemente von Regelungssystemen
   2. Strukturbeschreibung
   3. Statische Verhaltensbeschreibung
   4. Verhaltensbeschreibung im Zeitbereich
   5. Verhaltensbeschreibung im Frequenzbereich
   6. Praxisbeispiele
5. Grundlagen der Steuerungstechnik
   1. Grundprinzip und Elemente von Steuerungssystemen
   2. Zahlendarstellungen
   3. Boolesche Algebra
   4. Schaltnetze, -werke und Speicher
   5. Signalgeneratoren und Leistungsverstärker
   6. Speicherprogrammierbare Steuerungen
   7. Verbindungsprogrammierte Steuerungen
6. Einführung in die Robotik
   1. Begriffe und Einordnung
   2. Grundlegende Elemente
   3. Klassifikation von Robotern
7. Kinematik eines Roboters
   1. Koordinatensysteme und Bezugspunkte
   2. Rotationen
   3. Vorwärts- und Rückwärtstransformationen

Die Robotik ist ein Feld mit sehr interessanten Entwicklungen, die Experten als Übergang zu einer neuen Generation von Robotern beschreiben. Diese Entwicklung ist von den "4Ds" der Robotik 1.0 (dull, dirty, dumb, dangerous) zu den "4S" der Robotik 2.0 (smarter, safer, sensors, simple) übergegangen, muss aber noch weiter zu den "4Ms" der Robotik 3.0 voranschreiten (multitasking, emotive, morphing, multiagent). Dieser Kurs bietet daher den erforderlichen Kontext, um die Hauptentwicklung der Robotik zu verstehen, indem er sowohl industrielle als auch mobile Roboter, ihre Hauptmerkmale, Probleme, Herausforderungen, Anwendungen und Entwicklungstrends betrachtet.

1. Was ist Robotik?
   1. Grundlagen und Definitionen
   2. Geschichte und kultureller Einfluss
   3. Herausforderungen und Trends (von Robotik 1.0 bis Robotik 3.0)
2. Roboter
   1. Mechanischer Aufbau
   2. Kinematische Ketten
   3. Überblick über den Markt
3. Industrieroboter
   1. Komponenten von Industrierobotersystemen
   2. Merkmale
   3. Gängige Industrieroboter und Anwendungen
   4. Trends
4. Mobile Roboter
   1. Komponenten mobiler Robotersysteme
   2. Merkmale
   3. Gängige mobile Roboter und Anwendungen
   4. Trends
5. Anwendungen
   1. Industrie
   2. Gesundheitswesen
   3. Landwirtschafts- oder Feldrobotik
   4. Weltraum und Verteidigung
   5. Lager und Logistik
   6. Bauwesen
   7. Tragbare Robotik
   8. Soziale Roboter

In diesem Kurs wählen die Studierenden in Abstimmung mit dem Seminarleiter eine konkrete Aufgabenstellung aus dem bereitgestellten Themenkatalog aus. Mit Hilfe einer passenden Prototyping-Umgebung, sei es Hardware wie Prototyping-Boards oder Software wie technologiespezifische Entwicklungsumgebungen, bearbeiten sie die Aufgabe. Dabei setzen sie grundlegende Konzepte, Methoden und Werkzeuge aus den Bereichen Smart Devices und Smart Factory an. Zum Abschluss dokumentieren sie ihre Ergebnisse.

Ein Katalog mit den jeweils aktuell bereitgestellten Aufgabenstellungen wird auf der Online-Plattform des Kurses bereitgestellt. Er bietet die inhaltliche Basis und kann fortlaufend ergänzt bzw. aktualisiert werden.