Begriff

Industrie 1.0 umfasste insbesondere die Wasser- und Dampfkraft zur Verrichtung von Arbeit.

Industrie 2.0 bezieht sich auf den Einsatz von Elektrizität um den Einsatz von Fließbändern zur Fertigung von Produkten einzusetzen.

Industrie 3.0 veränderte die Produktion mit dem Einsatz von Elektronik und IT. Mit speicherprogrammierter Steuerung (SPS) wurde die Steuerung und Automatisierung von Produktionsprozessen entscheidend verändert, wobei die SPS zentral entscheidet wie produziert wird.

Industrie 4.0 basiert auf dem Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnik. Maschinen, Sensoren, Aktoren und Menschen werden vernetzt. Basierend auf der Idee des IOT (Internet of things, übersetzt: das Internet der Dinge) soll die Produktion mit Hilfe von Sensoren und Algorithmen selbstorganisiert Entscheidungen über den Produktionsprozess treffen und umsetzen. Alle Beteiligten können selbständig oder algorithmisch gesteuert miteinander kommunizieren und entscheiden wie produziert wird. Somit wird die Produktion effizienter, weil somit die Just-In-Time-Produktion von Gütern weiter optimiert wird. Kundenindividuelle Massenproduktion von Produkten wird ermöglicht (Masscustomizatiion).

Kunden können den Produktionsprozess beeinflussen und bis zur Auslieferung des Produktes mitverfolgen. Entscheidender Unterschied zu den vorangegangenen Industriedefinitionen (Industrie 1.0 – 3.0) ist die dezentrale Entscheidung von Mensch, Maschine, Sensoren und Aktoren. Somit wird es möglich, dass sich beispielsweise eine Produktionsmaschine während der Produktion von Gütern – algorithmisch programmiert (intelligent) – entscheidet einer anderen Maschine Arbeit abzunehmen, weil für sie absehbar ist, dass sie in der nächsten Zeit nichts zu tun hat.

Das Konzept für die LernFabrik 4.0

Im Rahmen einer Ausschreibung zum Thema Industrie 4.0 / Lernfabriken 4.0 des Landes Baden-Württemberg im Jahr 2015 entstand folgendes Konzept:

In Kooperation der Zeppelin-Gewerbeschule Konstanz mit der HTWG-Konstanz wird die Technik für Industrie 4.0 anhand von vernetzten und „intelligenten“ Produktionsprozessen und eines „intelligenten“ Produktes (Auto mit Sensoren und Aktoren sowie der Fernsteuerung mit verschiedenen Techniken) in einer LernFabrik 4.0 vermittelt.

Ziel ist es, dass Schülerinnen und Schüler projektbezogen logisch und problemlösend denken lernen. Sie lernen verschiedenste Technologien, Programmiertechnologien, Sensoren und Aktoren in der Schule (LernFabrik) praktisch anzuwenden, um im Anschluss z.B. in der Modellfabrik der HTWG Konstanz und in anderen Firmen den Gesamtzusammenhang zu verstehen.

Vorab des Projektes LernFabrik 4.0 haben wir als Schule die Inhalte des Lehrplans mit den Inhalten von Industrie 4.0 und IOT verglichen und festgestellt, dass viele Inhalte perfekt übereinstimmen und sich zudem wunderbar ergänzen. Sehr schnell wurde uns klar, dass wir das Gesamtprojekt sowohl fachlich als auch räumlich und vor allem auch finanziell nicht alleine schultern können. Zusammen mit der HTWG-Konstanz entwickelten wir dann obig beschriebene Idee: eine Lernfabrik 4.0 in der Schule in der Schülerinnen und Schüler die Technologien bzgl. Industrie 4.0 anhand eines Produktes erlernen und eine räumlich getrennte Modellfabrik an der HTWG, in der Schülerinnen und Schüler gelerntes in größerem Zusammenhang praktisch erfahren und das Gelernte ausbauen.

Das besondere an diesem Konzept ist, dass unsere Schule vom Schwerpunkt her besonders den informationstechnischen Teil bzgl. Industrie 4.0 abdeckt. Durch unser neues Labor und die Kooperation mit der HTWG, die den produktions- und automatisierungstechnischen Teil abdeckt, sind wir in ein komplexe Industrie 4.0 Umfeld perfekt eingebunden.

Die LernFabrik 4.0

Es entstand sehr früh die Idee eines Labortisches, mit dem es in der Schule möglich sein sollte Inhalte von Industrie 4.0 optimal unterrichten zu können. Nach und nach wurde die Idee mit Hilfe der HTWG zur Wirklichkeit.

Auf dem Weg dorthin gab es immer wieder neue Ideen. Beispielsweise eine magnetische und verstellbare und beschreibbare magnetische Tafel zu montieren. Diese Idee wurde zunächst mit einem Prototyp realisiert und evaluiert.

In diesem Jahr wurde ein Schulungsraum mit den Tischen ausgestattet und seit dem im Unterricht produktiv mit den Schülerinnen und Schülern im Unterricht gearbeitet. Die Arbeitstische haben den Namen edboard (Educationboard) bekommen.

Zusätzlich wurden parallel viele verschiedene magnetische Prototypenplatinen für die Arbeitstische entwickelt, getestet und im Anschluss produziert. Da unser Konzept modular geplant und umgesetzt ist, haben die Schülerinnen und Schüler die Möglichkeit wie in einer aufgebauten Produktionsanlage selbständige Module zu kombinieren und somit spielerisch zu lernen. Mit dem edboard können Schülerinnen und Schüler komplexe Zusammenhänge direkt in dem Versuchsaufbau visualisieren. Das schöne an der IT ist, dass sie umgehend von ihrem aufgebauten System ein Feedback bekommen. Das Konzept kommt sehr gut bei unseren Schülerinnen und Schülern an. Die edboards werden zwischenzeitlich auch in einem weiteren Klassenarbeitsraum der Zeppelin-Gewerbeschule im Kleinformat eingesetzt. Hierzu bekommen die Schülerinnen und Schüler ein transportables, magnetisches und beschreibbares edboard.

Dieses kann je nach Projekt bzw. Unterrichtsinhalt mit unterschiedlichen magnetischen Komponenten bestückt werden. Mit den magnetischen und transportablen edboards ist es auch möglich, aufgebaute individuelle Schülerprojekte aufgebaut zu lassen und in einem Schrank zu versorgen, um sie in der nachfolgenden Stunde genau so wieder aus dem Schrank zu entnehmen. Mit den edboards kann somit auch ein herkömmlicher Klassenraum oder Computerraum als Lernfabrik 4.0 verwendet werden. Es entstehen keine Rüstzeiten, weil Aufbauten bestehen bleiben.

Die Hardware und Module

Wir verwenden in der Lernfabrik verschiedenste Hardware zum Programmieren: Embedded Systeme, Microcontroller (AT89C5131 / Atmega 32), Atmel Xplained, TG-Board, Arduino (Nano / Uno /Mega), Raspberry Pi, sowie für den Einstieg Codebug, Micro Bit und den TXT-Controller von Fischertechnik etc.. Alle Systeme sind mit den magnetischen Modulen kompatibel. So lassen sich beispielsweise eine magnetische Rouletteplatine oder Ampel mit jedem der Systeme simulieren und über verschiedenste Technologien (Bluetooth, Funk, WLAN, LAN) mit anderen Systemen vernetzen.

Andere magnetische Module wie z.B. Ultraschallmodule können bestehende Aufbauten von Schülerinnen und Schülern ergänzen. Sie lernen Systeme durch ihre verschiedensten Smartphones / Tablets oder durch Bewegungen oder Sprache zu steuern. Beispielsweise werden über Smartphones Steckdosen ein- oder ausgeschaltet. Alle Module lassen sich kombinieren.

Schülerinnen und Schüler haben in unseren Werkstätten auch die Möglichkeit eigens geplante Platinen zu produzieren.

Bewährte Prototypen werden dann von Klassen im Labor geätzt oder in Auftrag gegeben und anschließend zusammen mit Fachlehrern bestück, gelötet und anschließend getestet. Somit begleiten die Schülerinnen und Schüler den gesamten Entstehungsprozess eines Produktes von der Idee, der Planung und Konstruktion, zur Produktion, dem Testen bis hin zur Anwendung mit verschiedenen Systemen und verschiedenen Möglichkeiten der Programmierung. Auf diese Weise entstehen laufend Ideen für neue Modulare magnetische Module.

Der Unterricht wird zur LernFabrik 4.0

Zum Einstieg bauen die Schülerinnen und Schüler in Dreiergruppen verschiedene Roboter mit Fischertechnik. Danach werden die Roboter grafisch programmiert. Die Schülerinnen und Schüler lernen grafisch zu Programmieren und lagern bereits einzelne komplexe Bewegungsabläufe des Roboters in Module / Funktionen aus. Anschließend werden die Roboter mittels eines Webservers, der auf den Controllern installiert ist über die Smartphones der Schüler gesteuert. Im Roboter verbaute Webcams werden auf dem Handy dargestellt. Anschließend werden verschiedene Sensoren und Aktoren programmiert. Ziel ist es zum Abschluss der Einheit, dass die Roboter verschiedene Hindernisparcours bewältigen. Wir haben festgestellt, dass diese erste Lerneinheit die Schülerinnen und Schüler sehr für die Technik motiviert und bereits eine gute Grundlage für das Thema Industrie 4.0 schafft.

Zudem werden grafische Programmierelemente und logische Verknüpfungsoperatoren eingeführt, mit denen sie später im industriellen Bereich auch wieder arbeiten werden.

Nach Abschluss der ersten Einheit lernen die Schülerinnen und Schüler den Raspberry Pi und seine Möglichkeiten kennen. Beim Raspberry Pi handelt es sich um einen Einplatinencomputer der etwa 40 Euro kostet. Auf ihm können verschiedene Betriebssysteme installiert werden. Häufig enthalten verschiedne Distributionen schon eine Fülle an Software wie Textverarbeitungs-, Tabellenkalkulations-, Datenbank- und Präsetationsprogramme, Browser etc. Für unsere Informatikschüler dürften  aber insbesondere die vielen verschiedenen und vorinstallierten Programmiersprachen interessant sein. Nach einer umfassenden Einführung in die Möglichkeiten mit dem Raspberry Pi und insbesondere den hervorragenden Schnittstellen wie LAN, WLAN, Bluetooth und den GPIO-Pins mit denen man Sensoren und Autoren kontrollieren und das Gerät mit anderen vernetzen kann werden diverse Programmiersprachen angewendet. Bei visuellen Programmiersprachen wie Scratch dauert die Einführung wenige Minuten. Danach sollen die Schülerinnen und Schüler eigenständig experimentieren und ihre Experimente präsentieren. Da kann es gerne auch mal lauter werden, weil sich in Programmiersprachen wie Scratch auch Töne programmieren lassen.

Auf dem Raspberry Pi lassen sich auch Module emulieren. Beispielsweise gibt es ein Sense-Hat, das sich auf die GPIO-Pins des Raspberry Pi stecken lassen. In diesem aufsteckbaren Sensehat sind 8×8 RGB-Leds verbaut sowie diverse Sensoren (3D-Gyroscope, Beschleunig, Druck Temperatur und Feuchtigkeit) sowie ein Joystick mit 5 Knöpfen. Diese können programmiert und zunächst ohne das Sense-Hat emuliert werden. Damit können weitere Erfahrungen mit Sensoren gemacht werden.

Parallel findet der klassische IT-Unterricht statt, in welchem die Schülerinnen und Schüler lernen mit Elektronik (Spannung, Widerstand, Strom etc.) umzugehen. Hier kommen die edboards und die magnetischen Module zum Einsatz.

Erste Erfahrungen

Im Mai 2017 war der Discovery-Industry-Truck (gesponsert von der Bundesagentur für Arbeit, Südwestmetall und der Baden-Württemberg Stiftung) bei uns auf dem Schulcampus. In dem Bus wurde die klassische Automatisierungstechnik (z.B. SPS- gesteuerte Produktionsanlage und programmierbarer Greifarm) vorgeführt sowie stark algorithmisch geprägte Infromationstechnikthemen (z.B. Materialfluss und Logistik Simulation, 3D-Scanner). Das war sehr motivierend und interessant für unsere Schülerinnen und Schüler. Neben der Selbstverständlichkeit wie man diese Maschinen programmiert fiel besonders auf, dass sich die Schülerinnen und Schüler sich den unterschiedlichsten technischen Fragestellungen stellen können.

Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Busses und uns Fachlehrer hat die Begeisterung unserer Schüler für die Technik sehr gefreut. Keine der Schülerinnen und Schüler hat bisher eine industrielle Anlage mit einer touchbedienbaren Oberfläche mit Hilfe eines Tablets programmiert, dennoch lösten sie sehr effizient die Aufgabenstellungen im industriellen fließbandgesteuerterten Fertigungsbereich, weil sie die verschiedensten Logikbausteine im Unterricht bereits theoretisch und praktisch anwendeten und über die Kenntnisse der verbauten Sensoren und Aktoren in der aufgebauten Produktionsmaschine den Gesamtzusammenhang herstellen konnten. Bereits nach dem kurzen Hinweis der Mitarbeiterin im Discoverbus wie man Ein- und Ausgänge der Sensoren und Aktoren programmieren kann legten die Schülerinnen und Schüler los. Verschiedenste Programmentwicklungsumgebungen  kamen ihnen dabei zugute. Wir versammelten uns um die Maschine und konnten nur staunen, den Kopfschütteln und grinsen. Wir kamen zum Schluss: Das sind die Ingenieure von morgen. Klasse.

Ausblick

Die erste Ausbaustufe der Projekts LernFabrik 4.0 ist abgeschlossen. Die Schülerinnen und Schüler arbeiten täglich im Labor und im Klassenzimmer mit den edboards und sind begeistert. Mit den bereits produzierten Grundmodulen (TG-Board, RaspberryPi-Modul (IO-Expanderboard), Ampelplatinen, Schalter-Modul, LED-Modul, PLD-Modul, WLAN- Modul, Switch-Modul, USB-Strom-Modul) und den von Schülerinnen und Schülern im Werkstattunterricht hergestellten Würfel-Modulen, Ampel-Modulen und Roulettemodulen entstehen täglich neue Kombinationsideen.

In der zweiten Ausbaustufe wurden weitere geplante Module (Adapterplatine Arduinoshield, Prototypenplatinen, Adapterboard Wannenstecker auf RS232, IO-Expanderboard V1 und V2, Schrittmotorboard, DC-Motor-Board) entwickelt und das didaktische Konzept in Form einer Unterrichtsanleitung dokumentiert. Zudem wurden modulare und bewegliche magnetische Komponenten wie Schranken und Sortier“arme“ konstruiert. In einer freiwilligen Arbeitsgemeinschaft experimentieren die Schülerinnen und Schüler mit zwei verschiedenen 3D-Druckern. Mit kostenlosen und lizensierten CAD- Programmen entwickeln sie verschiedenste Prototypen z.B. ein RFID- Chipkartenlesegerät oder Gehäuse für die im Unterricht verwendeten Raspberry Pis.

In der zweiten Ausbaustufe wurde ein weiterer Computerraum ausgestattet und unser bestehendes Ätzlabor durch ein Belichtungsgerät und eine Fertigungsstraße erweitert.  Mit diesem haben unserer Schülerinnen und Schüler nun die Möglichkeit ihre Platinenentwürfe im Labor zu fertigen, um sie dann in ihrer LernFabrik zu programmieren. Die dritte Ausbaustufe sieht die Vernetzung der bestehenden Module des EdBoards und die Umsetzung eines modularen ferngesteuerten smarten Autos und eines modularen Robotergreifarms vor, welche die Unterrichts- und Projektinhalte mit dem edBoard vereinen. Die Autos und Robotergreifarme werden in der LernFabrik an der HTWG mit den Studentinnen und Studenten und unseren Schülerinnen und Schülern produziert.

Die dritte Ausbaustufe sieht zudem das Programmieren eines humanoiden Roboters (NAO) und den Einsatz von virtuellen Brillen vor. Erste erfolgreiche Projekte konnten am Tag der offenen Tür vorgestellt werden. Beispielsweise gelang es einem Schüler mit dem Raspberry Pi einen Bot zu programmieren. Besucher konnten mit ihren Handies und einer frei downloadbaren App Nachrichten an den humanoiden Roboter versenden. Der Datenaustausch findet über das Internet statt. Somit können weltweit Daten an den Roboter übermittelt werden.

Die Modellfabrik der HTWG können Schülerinnen und Schüler bereits virtuell mit den Brillen „besuchen“ und natürlich auch ohne VR-Brille life besuchen. Momentan erstellen Schülerinnen und Schüler in einer Informatik-AG ein virtuelles Klassenzimmer für die ZGK. Hierzu arbeiten sich die Schülerinnen und Schüler eigenständig in eine Software ein und modellieren unterschiedliche Objekt für die VR-Brille.