Rechnergestützte Umsetzung und Erprobung an einem virtuellen Framework mit digitalem Zwilling
Fakultät
Automatisierungstechnik und komplexe Systeme (AKS)
Organisationseinheit
Ziel war die Entwicklung eines virtuellen Frameworks mit einem digitalen Zwilling und darauf aufbauenden vordefinierten Aufgaben in Form eines interaktiven Dokuments als Selbstlernprogramm für mehrere Veranstaltungen. Studierende sollten dadurch ihre Fähigkeiten in der Implementierung, Umgang mit Praxisproblemen und der Automatisierungstechnik verbessern. Die Umsetzung erfolgte in der Softwareumgebung Matlab/Simulink. Insbesondere der Bereich Softwareentwicklung sollte gestärkt werden. In Zukunft soll das Framework auch für eigene Projekte der Studierenden genutzt werden können.
Praxisnahe Umsetzung automatiserungstechnischer Funktionen
Automatisierungstechnik findet sich überall in der Industrie und im Privatleben. In vielen aktuellen Entwicklungen spielt sie eine wichtige Rolle (z.B. Industrie 4.0). Automatisierungstechnische Funktionen werden heute in Form von (Spezial-)Software umgesetzt. Dabei geht der Trend hinzu Hochsprachen (z.B. Matlab) mit automatischer Kompilierung für die Zielhardware (z.B. SPS). In Projekt- und Abschlussarbeiten unserer Studierenden zeigt sich, dass die Ausbildung an der UDE nicht optimal auf die softwaretechnische Umsetzung der Funktionalitäten vorbereitet. Die notwendigen Grundlagen und Konzepte der Automatisierungstechnik werden umfassend in den Studiengängen behandelt. Die klassisch aufgebauten Übungen beinhalten Beispiele unter bestimmten Bedingungen (teilweise auch für die Umsetzung). Gerade im Bereich der Regelung ist es aber wichtig Praxisprobleme (z.B. Aktorbegrenzungen) und den Einfluss von Änderungen der Bedingungen (z.B. Reglerparameter) kennenzulernen. Dieses ist, individuell auf die Studierenden angepasst, in der Übung nicht möglich. Durch den Aufbau einer klassischen Übung ist die Motivation der Studierenden zur eigenen Umsetzung gering.
Das Framework besteht aus mehreren Teilen. Zum einen aus den Selbstlernaufgaben der einzelnen Veranstaltungen in Form von interaktiven Dokumenten (Matlab Live-Scripts), Funktionen, Abbildungen, Modellen, Simulationsdateien (Simulink) und einem interaktivem Startdokument pro Veranstaltung. Dieses dient zur automatischen Einstellung der Softwareumgebung und als Steuerzentrale des Kurses. Die wichtigste Einstellung ist das hinzufügen der Selbstlerndateien in die Suchpfade. Nur so können diese sicher bei der Durchführung gefunden werden. Zum anderen aus einem Framework bestehend aus Funktionen für die Erstellung von Selbstlernaufgaben (z.B. für den Vergleich von Simulationsergebnissen) und einem hierarchischen Modell, das durch den Einsatz von Modulen (Referenz Modellen) flexibel gestaltet ist.
Die interaktiven Dokumente enthalten neben Text auch Eingabeelementen und Codeblöcke, die ausgeblendet werden können. Mit den Eingabeelementen lassen sich u. a. Abschnitte des Dokuments ausführen und anpassen. Dadurch können Varianten der Aufgabe leicht umgesetzt werden. Die Codeblöcke werden hauptsächlich für die Steuerung der Aufgabe eingesetzt. Diese übernehmen alle für die Aufgabe nötigen Einstellungen, die für den Lernerfolg der aktuellen Aufgabe nicht relevant sind (z.B. Laden von Parametern und zusammenstellen des Simulationsmodells). So können auch komplexe Aufgaben mit überschaubarem Aufwand umgesetzt werden. Die Studierenden setzen Ihre Lösungen hauptsächlich in Form von Funktionen und Simulationsmodellen um. Der Aufbau der Aufgaben orientiert sich an dem Vier-Komponenten-Instruktionsdesign-Modell. Es gibt Referenzschema für verschiedene Aufgabentypen.
Das Framework vereinfacht die Entwicklung der Selbstlernaufgaben. Außerdem soll es die Entwicklung eigener Aufgaben und die Umsetzung eigener Ideen abseits der Selbstlernaufgaben ermöglichen.
Die Schwerpunkte werden auf die Implementierung/Programmierung von automatisierungstechnischen Funktionen und der Umgang mit Praxisproblemen gelegt. Bei einer Selbstlernaufgabe können Studierende in Ihrem eigenen Tempo lernen und auch mal was austesten, dass in der eigentlichen Aufgabe nicht vorgesehen ist. Sie können auch Fehler machen ohne dass etwas kaputt geht oder die Veranstaltung wiederholt werden muss. So sammeln Sie Erfahrung, die spätestens in der Abschlussarbeit hilfreich sein sollte.
Alle relevanten Veranstaltungen bestehen bisher aus einer Vorlesung und Übung mit schriftlicher Prüfung (90 Minuten) und 4 ECTS. Die Selbstlernaufgaben kommen als weiters Element hinzu. Der Mehraufwand für die Studierenden wird in den neuesten Prüfungsordnungen bei allen Veranstaltungen durch einen zusätzlichen 1 ECTS pro Veranstaltung belohnt werden.
Bei so großen Projekten ist es sinnvoll dieses, wenn möglich, in kleinere Projekte zu unterteilen. Diese können dann unabhängiger voneinander weiterentwickelt werden.
Die frühe Erarbeitung eines möglichst einheitlichen didaktischen Designs ist vorteilhaft. In unserem Projekt haben wir das Vier-Komponenten-Instruktionsdesign-Modell als Grundlage verwendet.
Eine hierarchische Modellierung mit Modulen bringt Vorteile in vielen Bereichen u. a. der Wiederverwertbarkeit. In diesem Projekt wurden die Module als Referenzmodelle umgesetzt. Das Bündeln einzelner Ein- und Ausgangssignale als Bussignalen erhöht die Flexibilität.
Bei der Entwicklung der Framework Struktur ist es gut, erst einmal nur die häufigen Fälle abzudecken und das Framework nach und nach für Spezialfälle zu erweitern. So können schneller erste Aufgaben erstellt und getestet werden. Nachteilig ist, dass manche Überarbeitungen des Frameworks auch Anpassungen in manchen Aufgaben bedeuten.
Der Einsatz von Hilfskräften als Spezialisten für Themen hat sich als sehr effektiv herausgestellt. In diesem Projekt wurden die 3D-Modellierung des Öfteren durch die Hilfskraft übernommen.
Die Frage nach der geeigneten Lizenz und der DSGVO Hinweise auf einer möglichen Projekt-webseite (z.B. als GitLab Pages) hat viel Zeit in Anspruch genommen. Hier kann die Universitätsbibliothek und der Datenschutzbeauftragte unterstützen.
Bei kleinen Projektgruppen ist es wichtig immer wieder Meinungen von anderen einzuholen. Dafür haben wir im Rahmen des Institutsworkshops Vorträge gehalten, in denen auch konkrete Fragen waren. Zusätzlich sind Vorabversionen einzelner Aufgaben und Videos von der Durchführung in einem internen Moodle Kurs geteilt worden. Hieraus haben sich wertvolle Anregungen für das Projekt ergeben.
Erste Studierende nutzen interaktive Dokumente, wenn Sie fragen zur Veranstaltung stellen. Dadurch wird das Problem meist klarer.
Zuletzt aktualisiert: Dez. 4, 2025
Dr.-Ing. Chris Louen
Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Automatisierungstechnik und komplexe Systeme (AKS)
Chris.louen@uni-due.de
(0203) -379 3380
