Motivation:

Die industrielle Automatisierung ist das Herzstück moderner Produktionsprozesse, und programmierbare Steuerungen sind dabei unverzichtbar. Angesichts der Vielfalt der PLC-Systeme wie Beckhoff, Siemens und Bosch steht die Branche vor der Herausforderung, eine plattformübergreifende Entwicklung und Wartung von Steuerungssoftware zu gewährleisten. Diese Masterarbeit hat das große Ziel, durch die Erforschung und Implementierung von plattformübergreifendem Cross Compiling die Effizienz und Flexibilität in der Softwareentwicklung erheblich zu steigern. Dies wird nicht nur den Entwicklungsaufwand und die Kosten reduzieren, sondern auch die Standardisierung und Vereinfachung der Entwicklungsprozesse vorantreiben. Sie bietet die Möglichkeit, an einer wegweisenden Lösung zu arbeiten, die die Automatisierungsbranche auf ein neues Niveau hebt und einen nachhaltigen Einfluss auf die Zukunft der industriellen Softwareentwicklung haben wird.

Ziel/Aufgaben:

• Entwicklung von Konzepten und Methoden für das Cross Compiling zwischen verschiedenen PLC-Systemen
• Schaffung eines plattformübergreifenden Systems zur Reduktion von spezifischen Compilern und Entwicklungsumgebungen
• Testung der entwickelten Konzepte und Prototypen auf verschiedenen PLC-Systemen allgemein sowie für Beckhoff, Siemens und Bosch
• Bewertung der Effektivität, Effizienz und Robustheit der entwickelten Lösung

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Motivation:

Programmierbare Steuerungen sind essenziell für die industrielle Automatisierung. Doch trotz großer Investitionen und dem wachsenden Bedarf der Industrie an zuverlässiger Software, fehlt es an modernen Methoden zur Sicherstellung der Qualität. Diese Masterarbeit hat die Mission, innovative Methoden zur Softwarequalität in die Welt der PLC-Programmierung zu bringen. Durch die Übertragung bewährter Ansätze aus der Softwareentwicklung, wie Unit Tests und CI/CD Pipelines, in die PLC-Welt, wird eine Standardisierung und Verbesserung der Code-Wiederverwendung angestrebt. Insbesondere werden innovative neue Lösungen entwickelt, die alteingesessene Konzepte ablösen. Die Kompatibilität mit Systemen wie Beckhoff, Siemens und CtrlX soll gewährleistet werden, um praxisrelevante Lösungen zu entwickeln, die den aktuellen und zukünftigen Anforderungen der Industrie gerecht werden.

Ziel/Aufgaben:

• Übertragung von bewährten Techniken aus Hochsprachen auf PLC-Programme
• Entwicklung automatisierter Unit Tests für Programme in Structured Text
• Erstellung einer CI/CD-Pipeline zur Integration dieser Tests in den Entwicklungsprozess
• Evaluation und Konzeption einer Plattformunabhängigkeit mit Beckhoff, Siemens und CtrlX, inklusive prototypische Implementierungen

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Motivation:

STIWA geht in der neuen Softwaregeneration in Richtung Event Stream Processing auf Basis Apache Kafka und Apache Flink. In diesen Event Streams liegen wertvolle Informationen, die sowohl für den Betrieb der STIWA Software, als auch für den Betrieb der angebundenen Fertigungslinien sehr hilfreich sind. Konkret sollen zeitliche Abfolgemuster im Event Stream in "Echtzeit" überwacht werden, um frühzeitig Probleme zu erkennen. Ein Beispiel wäre die Erkennung von x Schlechtteilen in Serie, die an einer Fertigungslinie produziert worden sind.

Aufgaben:

• Technologieevaluierung: Gegenüberstellung von Apache Flink CEP mit Alternativen anhand eines Kriterienkatalogs
• Konzipierung: Konzepterstellung für eine plattformbasierte Lösung, mit der man standardisierte als auch benutzerdefinierte Regeln für die Erkennung von Anomalien umsetzen kann
• Umsetzung: Plattform-Lösung und Umsetzung erster Erkennungsalgorithmen; Hierbei sollen Apache Kafka, Apache Flink CEP und eine grafische Regel-DSL wie Drools verwendet werden.

Ziel:

• Erarbeitung einer lauffähigen Plattformlösung für die Anomalie Erkennung in Event Streams
• Implementierung erster Erkennungsalgorithmen, die reale und oft vorkommende Abfolgemuster adressieren
• Validierung der Praxistauglichkeit der Plattform, um einen ersten Kundennutzen zu generieren

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Motivation:

Stand der Technik ist es, sich beim Lösen von Aufgaben von Chat KI unterstützen zu lassen. In der Kombination können fachliche Spezialisten ohne tiefergehende Kenntnisse der Details der Programmiersprache und der APIs schnell beachtliche Ergebnisse erzielen.
Das STIWA Produktionsdaten-Analysetool dient zur Darstellung von Produktionsdaten. Die Rohdaten werden in Analyse-Sichten (Cubes) transformiert. In diesen Cubes werden verschiedene Fakten, z.B. KPIs und Dimensionen, bereitgestellt, die dann mit dem flexiblen Analyse-Frontend dargestellt werden können. Die Semantik der im Standard vorhandenen Daten (Rohdaten, KPIs) ist wohldefiniert. Wenn die bereitgestellten Informationen nicht ausreichen, können aus den vorhandenen Rohdaten und Cubes neue kunden- oder projektspezifische Cubes erstellt werden. Zu diesem Zweck stellt das Produkt eine Programmierschnittstelle bereit, mit deren Hilfe komplexere Datenaufbereitungen in Java oder Python möglich sind (Compute).

Aufgaben:

• Zu diesem Zweck soll ein vorhandenes Open-Source Modell verwendet werden, das die Fähigkeit hat, Python-Code für allgemeine Problemstellungen zu generieren.
• Diesem Modell soll die Semantik der Analysis-API zusätzlich trainiert werden, um bei der Erstellung von Applikationscode zu unterstützen.

Ziel:

• Unterstützung des Erstellers der Compute-Scripts:
  • Formulieren der entsprechenden Algorithmen in Python/Java
  • Verwendung von externen APIs und insbesondere Verwendung der API zum Zugriff auf vorhandene Rohdaten und aggregierte Daten im STIWA Produkt

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Motivation:

In einer sehr umfangreichen Produktdokumentation ist es oftmals schwierig, die richtige Information zu finden. Vielfach ist die Information selbst vorhanden, allerdings findet man mit herkömmlichen Suchmaschinen-Technologien die relevanten Artikel nicht oder nur sehr schwer. Zusätzlich sind die gesuchten Informationen oft auf mehrere Systeme verteilt (z.B. Support-Ticket System, FAQ,...). Neben der STIWA Produktdokumentation sollen auch noch weitere Informationsquellen, wie unsere Support-Tickets, FAQ's dazu dienen, die richtigen Informationen rasch zu finden.

Aufgaben:

• Evaluierung der richtigen Technologien für die Umsetzung eines solchen Chatbots unter Berücksichtigung der Rahmenbedingungen wie Vertraulichkeit der Daten etc.
• Erstellen/Implementierung eines Prototyps
• Bewertung der Ergebnisse (wie gut waren die Antworten, wurden Antworten gefunden, auf welche Fragen gab es keine sinnvolle Antwort, …)

Ziele:

• Im ersten Schritt soll ein Chatbot erstellt werden, welcher anhand von konkreten Fragestellungen die richtigen Artikel in unseren Dokumentationssystemen findet.
• Ein möglicher zweiter Schritt ist eine automatische Systemanalyse (z.B. anhand von Logfiles) unserer Softwareprodukte sowie eine automatische Ableitung von Handlungsempfehlungen.

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Motivation:

Stand der Technik ist es, sich beim Lösen von Aufgaben von Chat KI unterstützen zu lassen. So auch in der Softwareentwicklung. Es stellt sich die Frage, wie und in welchen Bereichen der Softwareentwicklung uns solche Systeme sinnvoll unterstützen können.

Aufgaben:

• Betrachtung der unterschiedlichen KI Systeme (ChatGPT,…) unter Berücksichtigung der Rahmenbedingungen wie Vertraulichkeit der Daten etc.
• Betrachtung/Bewertung des Potentials von KI in folgenden Bereichen der Softwareentwicklung (anhand von konkreten Praxisbeispielen):
  • Schreiben von Code
  • Testing
  • Debugging
  • Code optimieren
  • Aufdecken von Sicherheitsproblemen
  • Analyse und Übersetzen von Code
• Erarbeitung, wie die Aufgabenstellungen für die KI-Systeme in den unterschiedlichen Bereichen der Softwareentwicklung gestellt sein müssen, um das optimale Ergebnis zu erzeugen

Ziele:

• Anhand von konkreten Praxisbeispielen soll aufgezeigt werden, wie und in welchen Bereichen der Softwareentwicklung KI-Systeme effizient eingesetzt werden können.

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Motivation:

Apache Kafka ist agnostisch gegenüber dem Inhalt der übertragenen Nachrichten. Aus diesem Grund kann man über Kafka Nachrichten mit beliebigem Serialisierungsformat übertragen. Aktuell wird bei STIWA das textbasierte JSON als Serialisierungsformat verwendet. Binäre Protokolle wie MessagePack, Avro, ... scheinen einige Vorteile gegenüber dem textbasierten JSON zu haben, wie geringe Datenmengen, schnellere Serialisierung/Deserialisierung, generelle Ressourcenschonung. Aus diesem Grund soll JSON detailliert mit binären Protokollen im Kontext von Apache Kafka und Apache Flink gegenübergestellt werden.

Aufgaben:

• Gegenüberstellung unterschiedlicher Serialisationsformate anhand eines Kriterienkatalogs: theoretische Betrachtung der Alternativen, praxisorientierte Betrachtung anhand von Testaufbauten
• Konzeptentwicklung für die Testaufbauten (Alternativenvergleich unter realitätsnahen Bedingungen, Apache Kafka und Apache Flink als wichtige Systemkomponenten, Auswirkung der Serialisierungsformate auf diese Technologien in Hinblick auf Programmierung, Performance, Datenmengen, Effizienz und Robustheit aus Analyse des aktuellen Entwicklungsprozesses)

Ziel:

• Ziel der Arbeit ist es, eine fundierte Grundlage für die Entscheidung zu einem Serialisierungsformat zu haben. Das gewählte Serialisierungsformat soll über viele Jahre als Standard bei STIWA eingesetzt werden, weswegen diese detaillierte Gegenüberstellung notwendig ist.

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Motivation:

Ein wesentlicher Entwicklungsschwerpunkt bei STIWA Software ist die Modellierung von Produkten, Prozessen und Ressourcen (PPR) in einem Datenmodell für die Fertigung komplexer, mechatronischer, variantenreicher Bauteile mit geringen Taktzeiten (z.B. nicht-triviale Bauteile für die Automobilindustrie). Da moderne Bauteile immer komplexer werden und aus einer Vielzahl von Komponenten bestehen, die sich zudem je Konstruktionsvariante unterscheiden können und über verschiedene Prozessschritte zusammengefügt werden, ist eine geeignete Beschreibungssprache (DSL = Domain Specific Language) erforderlich. In diesem Zusammenhang soll ein Werkzeug auf Basis von GoJS entwickelt werden, in dem die Montagereihenfolge modelliert und abgebildet wird und die Objekte in weiteren Werkzeugen wiederverwendet werden können.

Aufgaben:

• Anhand konkreter Anforderungen soll die Modellierung der Prozessabfolge (Bill of Process) dargestellt werden. Eine rudimentäre Beschreibung der zugrundeliegenden DSL ist vorhanden und soll in dieser Arbeit softwaretechnisch zugänglich gemacht werden.
• Basierend auf vorhandenen Objekten in einem Datenmodell (z.B.: die zu fertigenden Produkte) können Reihenfolgen (linear, parallel, ...) bezüglich der Prozesse definiert werden.
• Die Verbindung zu div. Systemen wie dem Anlagenmodellierungstool und der Betriebsmittelliste sollte auch betrachtet werden.

Ziel:

• Erstellung einer domänenspezifischen Anwendung als Proof of Concept für die Modellierung der Bill of Process (BoP). Diese Anwendung basiert auf dem GoJS Software Framework. Anhand verschiedener realer Anwendungsfälle kann die BoP in diesem Werkzeug modelliert, editiert und modifiziert werden.

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Ausgangssituation

Als Innovationsabteilung der STIWA Advanced Products sind wir für die erste Phase der Produktentwicklung verantwortlich, von der Idee bis zum funktionsfähigen Prototypen. Eines der Themen, die im Team bearbeitet werden, ist die Technologie magnetorheologischer Medien, also Medien, deren Viskosität sich mittels magnetischer Feldstärke einstellen lässt. Mit dieser Technologie werden mehrere Produktlösungen aktuell umgesetzt und am Standort produziert. Parallel dazu soll diese Palette durch weitere Produkte in diesem Technologiesegment ergänzt werden.

Voraussetzungen

• Abgeschlossenes Bachelorstudium im Bereich Mechatronik oder technische Physik
• Interesse an physikalischen Grundlagen
• Kenntnisse im Entwurf kleinerer Schaltungen und Programmierung von Mikrocontrollern
• Interesse am Konzipieren neuer Lösungen

Beispiel-Aufgabenstellung

• Entwurf eines HMI Bedienelements auf Basis magnetorheologischer Medien
• Konzipierung der mechanischen Komponenten
• Entwurf einer zur Ansteuerung notwendigen Elektronik und der Software
• Zusammenbau, Testing und Optimierung der entwickelten Lösung

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Motivation:

STIWA Österreich fertigt rund 50 Mio. Fräs- und Drehteile von Einzelteil/Kleinserien bis zur Groß- und Massenherstellung. Der Maschinenpark umfasst über 100 CNC Bearbeitungsmaschinen. Diese Anlagen werden mit rund 10.000 unterschiedlichsten Werkzeugen betrieben. Sowohl Werkzeug als auch Versatzdaten müssen beim Rüsten der Werkzeuge an den Anlagen verfügbar sein. Diese Flut an Versatzdaten muss überschaubar, geordnet und prozesssicher an die Maschinen übertragen werden.

Aufgaben:

• Recherchearbeit zu:
  • Welche Technologien sind verfügbar (Balluf, Datamatrix, RFID, Excel, etc.)
  • Vorteile/Nachteile der Technologien, Verfügbarkeit, Kosten/Risiken, Skalierbarkeit, Nutzen, Datensicherheit/Datenqualität
• Ab welcher Unternehmensgröße/Anzahl der Spindel/Anzahl der Werkzeugeinsätze ist welche Technologie rentabel?

Ziel:

• Bewertung und Vorstellung einer Lösung zum nachträglichen Umrüsten des gesamten Maschinenparks
• Systemvorschlag bei Neuinstallation eines neuen Fertigungsstandortes, Neubau auf die grüne Wiese
• Weltweiter Einsatz in der STIWA Group: Geschäftsfeld Manufacturing

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Motivation

Ultra-wideband (UWB) technology is one of the most promising techniques for indoor localization offering high accuracy, low power consumption, and resilience against interference. However, there is a lack of research on how it can be integrated into challenging industrial environments. 
In this thesis, UWB localization shall be used to locate and identify workpiece carriers within a transport system. A localization system based on custom sensor nodes shall be adapted in terms of firmware (e.g. communication protocol) and set up at a partner’s facility. Mounting positions for both static nodes on the transport system and moving nodes on the workpiece carrier have to be defined in order to minimize non-line-of-sight conditions.
The localization performance shall be assessed with a focus on the correct detection of the workpiece carrier order. At discrete positions, the transport system is capable of providing location information, which can be used as reference. The main goal is to evaluate the localization accuracy that can be expected from an UWB system in harsh environments.

Tasks

• Literature research suitable commercial UWB systems
• Adapt and set up a localization system at the company partner’s facility
• Acquire measurements on a real transport system
• Refine localization algorithm e.g. by assessing additional sensory
• Evaluate the system in terms of localization accuracy

Contact and supervision

Univ.-Prof. Dr. Andreas Springer (MT 0351, andreas.springer@jku.at)
DI Philipp Peterseil (MT 0347, philipp.peterseil@jku.at)

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STIWA Österreich fertigt rund 50 Mio. Fräs- und Drehteile von Einzelteil/Kleinserien bis zur Groß- und Massenherstellung. Zur Qualitätsabsicherung und Dokumentation werden u.a. auch optische Prüftechnologien verwendet. Bei diesen optischen Verfahren wird mittels Streifenlichtprojektion die Oberfläche der Bauteile gescannt. Durch die Reflektionen der Projektion wird ein Volumenmodel generiert, das mit dem 3D-Model abgeglichen werden kann. Daher ist es notwendig, Bauteile immer mit gleichen Oberflächenbeschaffenheiten zu vermessen. Entsprechend ist dadurch eine Oberflächenvorbehandlung notwendig. Dieses Vorbehandeln wird aktuell per Hand durchgeführt. Ziel sollte ein automatisierter, gleichbleibender Vorbehandlungsprozess sein.

Aufgaben

• Notwendige Bauteilreinigungskonzepte für KSM, Öl, Späne, usw. zu bewerten
• Konzipieren einer automatisierten Flächenpräparation für die optische Geometrievermessung
• Erstellen eines Automationskonzeptes für automatische Teilebeladung und Weitertransport inkl. Positionierung in der Vermessungsanlage
• Bauteilkennzeichnung und Datenverarbeitung sicherstellen
• Recherche und Sicherstellung der Sicherheitsrelevanten Vorgaben/Normen/Gesetze
• Konzepterstellung für unterschiedliche Bauteile mit Losgröße 1

Ziele

• Konzept eines automatisierten, bauteilunabhängigen Oberflächenvorbereitungsprozesses
• Automatisierte Weitergabe der Bauteile an die Vermessungsanlage

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Motivation

Unsere Produktion mit Hochleistungs-, Montage-, Laserschweiß-, Stanzanlagen, etc. erfolgt nur in Ausnahmefällen mittels flexibler Manpower-Belegung. Um zielführend produzieren zu können muss die  vollständige Produktionsmannschaft je Anlage (Anzahl, Qualifikation) vorhanden sein. Das Spannungsfeld zwischen der Einhaltung von Produktionsplan / -vorgaben und dynamischen Änderungen  (Verfügbarkeitsverluste) muss mittels Schichtplan kompensiert werden. Im Alltag stellt dies eine hohe tgl. Kapazitätsbindung von Mitarbeitern mit Planungsaufgaben dar. Die vorhandene Schichtplanungssoftware wurde  vor einigen Jahren selbst programmiert und beinhaltet / berücksichtigt einen Großteil der relevanten Rahmenbedingungen. 
 

Auszug aus Rahmenbedingungen

• Anlagen mit unterschiedlicher Rollenverteilung und unterschiedlichen Produkten (unterschiedliche Mitarbeiteranzahl und Qualifikation)
• Verschiedene Schichtmodelle
• Betreiben der Anlagen nur in Vollbesetzung möglich
• Einige Anlagen mit Mehrmaschinenbedienung
• Schnittstelle zum ERP System
• Abbildung von Mitarbeitern die in Ausbildung stehen und noch nicht alleine produzieren dürfen
• Schichtplan (Mitarbeiter view) soll eine Kommunikationsoberfläche bieten
• Feinplanungshorizont ca. 4-6 Wochen
• Abbildung der Skillmatrix
   

Projektziel

• Vergleich und Auswahl möglicher Schichtplanungssoftware
• Testen dieser SW unter Berücksichtigung aller relevanter Rahmenbedingungen
• Aufbereitung / Darstellung des Nutzen- und Einsparungspotentials der ausgewählten SW im Vergleich zur bisher eingesetzten SW (ua Amortisation)

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