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2016-Oct-21 | Prof. Dr. W. Stanek: Lab Automatisierungstechnik + Robotik, HSK > Aktuelle Technik + Innovationen Seite 1 |top|
Labor Automatisierungstechnik + Robotik
HS Koblenz, FB IW E+I, Master Systemtechnik
IP ATR Advisor Prof. Dr.-Ing. Wolfram Stanek Laboringenieur Dipl.-Ing. (FH) Florian Halfmann
Aktuelle Technik + Innovationen
ATR-Lab electrical + mechanical + chemical ENGINEERING + IT
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3. Industrie 4.0 – Vorgaben für 4. Industrie-Revolution – Fokus im ATR-Lab: Das ATR-Lab berücksichtigt in vielen Aspekten zentrale Komponenten, Systeme, virtual Reality, 3D-Printing,
innovative Mechatronik, Robotik & total vernetzte Automatisierungsforderungen der Industrie 4.0. Die
Erfüllung dieser interdisziplinären komplexen Vorgaben ist eine wichtige Voraussetzung, dass Wirtschaft und
Hochschulen international konkurrenzfähig sind, sich an High Tech Innovationen beteiligen, sich auf dem
Stand der Technik halten zu können – und um nicht irreparabel abgehängt zu werden. Die Realisierung von
Industrie 4.0 basiert auf komplexen, dynamischen Prozessen, mit bisherigen Industrie-Revolutionen 1+2+3
verzahnt. In Bildern 1.1, 1.2, 1.3 sind wichtigste Forderungen & Visionen von Industrie 4.0 skizziert. Aufgrund
der globalen Erwärmung sowie immer knapper werdenden konventionellen Energie-Resourcen ist die perfekte
Industrie 4.0 Automatisierung ohne Berücksichtigung von Green Tech eine nicht zu erfüllende Vision.
Deshalb werden im ATR-Lab auch GreenTech-System-Auslegungen & Anwendungen berücksichtigt.
Abb. 3.1: Industrie 4.0 – Überblick zentrale Visionen & Forderungen für High Tech Innovationen
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A2) SW & HW-Entwicklungen ATR-Lab für Wirtschaft+Unis: MagnetoCAD-Auslegungen für Mechatronik-
Entwicklungen in diversen deutschen Firmen (z.B. für Thyssen MF, NSM, Binder, GfaI, Moeller, Braun AG, Trelleborg
Automotive) und im ATR-Labor (IBM Roboter Magnethand, neuer TTTR-Portalroboter-Greifer). RobotoCAM-3D-
Simulationen mit Mitsubishi Roboter und ATR-Lab-Automationen von IT-Stadt-Koblenz „Wirtschaft und Verkehr“ als
HSK Werbeprojekt im Image-Film IT-Mittel-Rhein 2010/12 ausgewählt:
www.koblenz.de/wirtschaft_verkehr/wirtschaftsstruktur_it-standort.html Das Anwendungsspektrum von RobotoCAM wird seit 2012 in mehreren Masterprojekten mit aktuellen Betriebs-
systemen, Programmiersprachen (Java3D, C++, C#) und 3D-Design-Tools Industrie 4.0-basiert erweitert. Diverse
Presse-Termine im ATR-Labor zu Firmen-Spenden und Neu-Entwicklungen – z.B. TIA-HMI realisierter CIM-Verbund
vernetzter Automatisierungseinheiten & Rektifikationsanlage, Simotion Control und Großprojekt „Upgrade eines 2-to
Portalkrans zu Portalkranroboter“. Die feldnumerische Mechatronik-Auslegung des 2.000 kg Greifers für neuen TTT-
R-Portalkranroboter wurde von Prof. Stanek mit MagnetoCAD realisiert (Vergleichsrechnung mit FEM-System Ansys/
Maxwell). Eine weitere ATR-Lab GreenTech Anwendung eines 3D-printed „virtual reality“ solar-tracker-max-light-
seeker-Roboters wurde als Master-Exponat auf IT-Stadt-Koblenz-Messe IT2KO 2016 präsentiert Youtube-Link:
ATR-Labor-Neu-Entwicklungen von Klein-Roboter bis 2-to-Portalkran-Roboter, GreenTech Applikationen, totale
Vernetzung im heterogenen ATR-Labor-CIM-Verbund mit Industrie 4.0 HW & SW „Fundamental-Bausteinen“ v.a.
SIEMENS TIA + HMI + RFID + OPC + PROFINET + SIMOTION CONTROL + B&R AUTOMATION STUDIO
Der Mitsubishi-Knickarm-Roboter kann durch eine 3D -Visualisierung im Pascal-basierten Software-
System RobotoCAM auch über Hilfe- und Hintergrundinformationen zu allen zentralen Roboteroperationen
sowie Teaching Box Buttons sehr schnell offline erlernt werden.
Zum horizontalen Transport des Roboters wurde eine mit Sinamics regelbare Linear-Achse gebaut, mit der
über C++ ein Kommunikationsprotokoll ausgetauscht wird. Diese laborinterne Software-Entwicklung
RobotoCAM war vor Jahren das koordinierte Werk zahlreicher Diplomarbeiten an der Hochschule Koblenz,
im Offline/Online-Modus präsentiert auf der Hannovermesse, Messe Elektrotechnik Dortmund, CIP-
Konferenz Berlin etc zur Demonstration von „virtueller und realer Robotik“. Bei einer Gastprofessur von Prof.
Stanek an der Swiss German University SGU, BSD-Jakarta, im Jahr 2002/03 wurde über RobotoCAM für
„Virtual and Real Robotics“ in Vorlesung und Labor Mechatronics an der SGU in den Nachrichten des
indonesischen Fernsehsenders LatiVi berichtet. Im IT-Stadt-Koblenz Imagefilm 2010/12 ist RobotoCAM mit
Mitsubishi Roboter im CIM-Verbund mit IBM Roboter und Sortier- & Förderanlage integriert.
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6. Details ATR-Lab: Virtual Reality Robot 3D-Online-Offline Simulation & Control 2003 kam RobotoCAM in einer von Prof. Stanek betreuten Master-Thesis Mechatronics an der SGU Asia
erneut zum Einsatz. Für die neue Magnetgreifer-Entwicklung des Mitsubishi Roboters an der SGU wurde
MagnetoCAD gewählt und an der Hochschule Koblenz für die SGU gebaut. Die Entwicklung von
RobotoCAM wurde von Prof. Stanek als BIS Projektleiter im Rahmen des 1990 erstmals in Deutschland
installierten BerufsIntegrierenden Studiums BIS Elektrotechnik forciert. Für die medien-didaktische
Aufbereitung von RobotoCAM und Mathematik stellte Prof. Stanek eine Mitarbeiterin aus dem Institut für
Mediendidaktik der Universität Koblenz-Landau als eine von vier neuen Assistenten im BIS Studium ein.
Abb. 6.1: Virtuelle und reale Robotik – Mitsubishi-Roboter im ATR-Labor „ Automatisierungstechnik und Robotik“
Realer Roboter auf Linear-Transportachse mit Sinamics-Regelung im Vergleich mit virtueller Robotik: a)
3D-RobotoCAM (mit optionalen 2D Darstellungen) und exemplarischen Haupt-Modi Point-to-Point, xyz-
Bewegungen sowie Tool-Modus. B) 3D-Online & Offline Steuerung und Visualisierung mit RoboJAVA.
Mediendidaktisch kooperierte Prof. Stanek bzgl. RobotoCAM mit dem damaligen Institutsleiter und Vize-
Rektor der Universität Koblenz-Landau. In dieses Roboter-Projekt waren auch einige der vier neuen BIS
Professoren partiell involviert, mediendidaktische und programmiertechnische Beiträge wurden vor allem
durch den damaligen stellvertretenden BIS-Projektleiter Prof. Dr.-Ing. Hans-Karl Schäfer geleistet.
Aufgrund heutiger Betriebssysteme, 64-Bit-Programme und damals verwendeter Programmiersprache
Pascal läuft das Original-System RobotoCAM momentan nur Offline im DOS-Fenster von Windows. Zur
erneut synchronisierten Online-Steuerung von realem Roboter mit virtuellem Bildschirm-Roboter wurde
deshalb 2013 in mehreren Masterprojekt-Arbeiten eine erste 3D-Basisversion von RobotoCAM mit
JAVA3D und C# adaptiert, erweitert und im Labor „Automatisierungstechnik und Robotik“ realisiert.
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Abb. 6.2: Mitsubishi-Roboter 3D Simulation, Sortierprozess, Arbeitsräume + Kollisionskontrolle mit RobotoCAM,
integrierte Teaching Box, 3D-Darstellung Hidden-Line-Modus 6 kartesische 2D-Schnitte im Drahtmodell-Modus
inklusive aktuelle Positionsanzeige Roboter-Hand und der 5 Roboter-Motoren J1-J5.
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7. ATR-Spektrum Mechatronik-Design interdisziplinär – Power in Magnetics Optimiertes MECHATRONIK Design für elektrische, permanentmagnetische, elektrodynamische und
mechanische Komponenten, Ausgleichsvorgänge, Wirbelstromeffekte oder EMV-Beeinflussungen kann nur
sinnvoll mit feldnumerischen Programmsystemen realisiert werden. Die Basis für solch ein Mechatronik
Design sind laborintern wie in Firmen numerische Feldprogramme – v.a. Comsol Multiphysics, Ansys-
Ansoft Maxwell etc oder Eigenentwicklung MagnetoCAD von Prof. Stanek (unter Einbindung x Diplom-
Arbeiten & Fa. Braun AG bzgl. Pre-, Main- und Post-Prozessoren optimiert). Im Vergleich zu anderen
Feldprogrammen (z.B. Maxwell2D) weist MagnetoCAD für 2D Anordnungen Vorteile auf: a) schnellere
Eingabe- & Auswerte-Möglichkeiten b) Feldprobleme mit oft x tausend Unbekannten („big data“) durch spez.
WS-Konvergenz-Algorithmen numerisch 2-10-mal schneller lösbar. Deshalb diverse Aktor- & Sensor-
Auslegungen im Eco GreenTech Design (max. Kräfte bei minimaler externer Energie, keine Temperatur-
Belastung von System & Umgebung, keine EMV-Probleme etc) mit Maxwell2D oder primär MagnetoCAD.
Abb. 7: Einsatz FEM Entwicklungstool
MagnetoCAD
Magnettechnik
Mechatronik Design laborintern, auf intl.
Messen und in
verschiedenen Firmen
unter Einbindung von
HSK Diplomarbeiten:
Hannovermesse,
CompuMag,
CIP Konferenz etc.
Trelleborg
Automotive,
BRAUN AG,
Binder Magnete,
Moeller Group,
NSM Magnettechnik,
GfaI Gesellschaft für
Angew. Informatik
ThyssenKrupp etc
Mechatronik-Design direkt von/in HSK Lab
a) Mitsubishi Roboter-
Greifer für SGU-Lab
b) IBM Scara Roboter-
Greifer für HSK-Lab
c) 2.000 kg-Schwer-
Last-Greifer
HSK-TTTR-
Portalkranroboter
* d) Schnell-Schalt-
System für Kfz
Produktion
im HSK Lab
Versuche +Simulation
Basis Nachbau
NSM Modell 1-von-
320 Schaltsystemen
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8. ATR-Lab-Projekt „2-to Portalkran – Upgrade zum Portalroboter“:
Dieses hochschulinterne Projekt erzeugt Interesse in Medien und Wirtschaft. Zusätzlich Publikationen von
WS mit Robotik-spezifischen Co-Autoren v.a. Lab-Eng F.Halfmann zu diesem Projekt z.B. VDE Jahrbuch
Arbeitsmarkt Elektrotechnik + IT 2013/14. Im Jahr 2011 wurde aufgrund des Kontaktes zu B&R das
Fundament für den innovativen "Umbau eines 2-to ABUS Portalkrans zu einem automatisch steuerbaren,
visualisierten Roboter mit B&R Automation, Teaching- und Fernsteuerungsfunktionen und Schnittstellen-
realisierung zum Magnetik-Pneumatik-Kombi-Greifer" gelegt. Voraussetzung für das Upgrade des Portal-
kranprojektes war die Kooperation zwischen B&R, HSK, TKM, Elektro-Bau, Master-Studenten, Lab-
Engineer, Projektleitung basierend auf der 25.000 Euro B&R Software-Spende und kostenlosen Beratung.
Das bis 2011 durch Siemens geprägte Automatisierungstechnik-Labor der HS Koblenz konnte durch die
Einführung von B&R Produkten einen breitbandigen Kompetenzzuwachs bzgl. Speicherprogrammierbare
Steuerungen verzeichnen. Im späteren Projektverlauf konnte ThyssenKrupp Magnettechnik als zusätzlicher
Kooperationspartner speziell für Magnetsystem-Technik gewonnen werden. Festo konnte einen guten Beitrag
für eine neuartige Pneumatik-Schlaufen-Führung leisten. Das Projekt Portalkranroboter wurde von Beginn
an von Prof. Stanek als Ingenieurbüro-orientiertes Groß-Projekt konzipiert. Durch Grundkenntnisse der
Master-Studierenden in den Bereichen Elektronik, Mechatronik, Steuerungs- & Visualisierungstechnik
konnte dieses – neben dem TIA-HMI-RFID-CIM-Verbund der Kombianlage (vgl. Abb. 11 ff) - mit Abstand
aufwändigste Projekt in mehrere Teilprojekte unterteilt, koordiniert und wieder zum Ganzen zusammen-
gefügt werden. Notwendige Kenntnisse in Magnettechnik-Mechatronik wurden den Lab-Projektingenieuren
interaktiv vermittelt und FEM-Auslegungen von Prof. Stanek durchgeführt. Die über 20 Master-Entwickler
konnten neben fachlichem Zugewinn praxisgerechtes Projektmanagement laborintern & extern trainieren.
Abb. 8.1: Konstruktion ABUS 2-to Portalkran > Upgrade zum HSK Portalroboter im HSK Labor ATR: Ausgangsbasis mit Details zu 2-to Kran mit nur Hängetaster + Haken im Vergleich mit realisiertem Umbau zu
fernsteuerbarem Roboter + visualisiertem Prozess-Handling, Automatik- und Teaching-Modus auf der Basis der B&R
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Vernetzte ATR-Lab OSI-Schichten-Architektur > OSI = Open System Interconnection: Der TIA-HMI-RFID-
Materialkreislauf wird durch Kommunikation aller Teil-Systeme der Kombianlage miteinander gewährleistet – optional
mit OPC UA perfektioniert. Der vernetzte zweite Betriebsmodus des Mitsubishi-Roboters ist die Kooperation mit der
Doppelband-Sortier-Förder-Anlage. Die Gesamtanlage bekommt den Befüllungsgrad der SoFö-Anlage über Profinet gemeldet und verfährt den Mitsubishi-Roboter an eine Position, aus der er die unterschiedlichen Zylinder aus den Teil-
Silos der SoFö-Anlage entnehmen kann und automatisch in den Silo-Turm der SoFö-Anlage wieder einfüllt. Optional
kann der Mitsu-Roboter auch quaderförmige Objekte aus der Würfel-Palette entnehmen und zusätzlich zu Zylindern in
den Silo-Turm der SoFö-Anlage einfüllen. Somit ist ein flexibler TIA Kreislauf auch an der SoFö-Anlage realisiert.
Die Gesamtanlage wird über zwei HMI Touchscreen-Visualisierungen bedient und beobachtet und mit RFID-
Bausteinen logistisch kontrolliert. RFID (Radio-Frequency IDentification = „Identifizierung mit Hilfe elektro-
magnetischer Wellen“) ist eine Technologie für Sender-Empfänger-Systeme zum automatischen & berührungslosen
Identifizieren & Lokalisieren von Objekten (oder Lebewesen) mit Radiowellen. Ein RFID-System besteht aus einem Transponder (RFID-Tag) am bewegten Objekt mit kennzeichnendem Code, sowie einem Lesegerät zum Auslesen der Kennung und Daten. Die Kopplung geschieht durch vom Lesegerät erzeugte hochfrequente Wechselfelder-Radiowellen. Damit werden sowohl Daten übertragen, als auch der Transponder mit Energie versorgt. .
Abb. 13.8: 7-Schichten-OSI-Modell + Berücksichtigung Siemens Netzwerk-Architektur für ATR-Lab-CIM-Verbund
Abb. 13.9: ATR-Lab:
OSI-Schichten basierte
Siemens-Vernetzung der
TIA-Netzwerke N1 und
N2 von CIM-Verbund
Kombianlage +
Doppelband Sortier- und
Förderanlage
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CHEMICAL ENGINEERING ATR-Labor REKTIFIKATIONSANLAGE
der Verfahrenstechnik für Lebensmittel- und Agrarindustrie, GreenTech Anwendungen wie Meerwasserentsalzung etc
bis hin zur Öl- & Gasindustrie. Destillation ist die Trennung eines Stoffgemischs durch Verdampfen und anschließendes
Kondensieren. Rektifikation ist die mehrfache Destillation für höchste Reinheitsgrade separierbarer Stoffe und
chemische Elemente, wobei die Flüssigkeit und der Dampf in direktem Kontakt im Gegenstrom geführt werden.
Die DESTILLATION ist die wichtigste Trenn- und Reinigungsmethode für flüssige Substanzen. Voraussetzung
dafür ist, dass die Substanzen mit in der Regel sehr unterschiedlichen Siedepunkten ohne Zersetzung verdampfen und
ihre Dampfdrücke weit auseinanderliegen. Im einfachsten Fall der Destillation wird eine Flüssigkeit durch Wärmezufuhr
zum Sieden erhitzt und der entstandene Dampf in einem Kühler als Destillat kondensiert.
Die REKTIFIKATION stellt eine Erweiterung der Destillation oder auch eine Hintereinanderschaltung vieler
Destillationsschritte dar. Die Rektifikation dient meist der Trennung von Flüssigkeiten, bei denen die Siedepunkte der
einzelnen Komponenten in der Regel weniger als 80 °C auseinander liegen, ihre Dampfdrücke vergleichbar werden und
eine einfache Destillation nicht mehr ausreicht. Bei der Gegenstromdestillation der Rektifikation läuft fortwährend ein
Teil des Kondensats wieder dem Dampf entgegen. Dieses Prinzip lässt sich mit Destillationskolonnen realisieren. Die
wesentlichen Vorteile der Rektifikation sind, dass die Anlage kontinuierlich betrieben werden kann und dass der
Trenneffekt im Vergleich zur Destillation um ein Vielfaches höher ist, da der Dampf im Gegenstrom mit der Flüssigkeit
mehrfach hintereinander in Kontakt steht. Die Kolonne arbeitet energetisch günstiger, technisch weniger aufwändig und
platzsparender als eine Hintereinanderschaltung von Einfachdestillationen. Die Kontaktfläche zwischen der Dampf- und
Flüssigphase wird durch Einbauten (z. B. Glockenböden, Füllkörper, Packungen) bereitgestellt – Info folgende Bilder.
Damit die Studierenden der HSK auch vertiefte Kenntnisse im Bereich Chemical Engineering im Rahmen der
automatisierten & visualisierten Verfahrenstechnik kennen lernen und trainieren können, wurde im ATR-Labor neben
dem Spektrum der Automatisierungseinheiten und Roboter eine hochwertige Rektifikationslange TYP DN 30 von QVF PILOT-TEC installiert. Mit dieser Anlage werden primär flüssige Stoffgemische (z.B. Wasser, Alkohol, Weine etc)
getrennt oder gegenseitig nach Vorgabe angereichert. Dazu werden gewünschte Gemisch-Komponenten im Umlauf-
verdampfer in den gasförmigen Zustand überführt und mittels Rücklaufdestillation ein Teil des Gemisches entnommen.
Die Rektifikationsanlage wurde Industrie 4.0 orientiert mit einer voll-
automatischen Steuerung & Regelung in einer Serie von BA &
Master-Studierenden mittels S7-300 CPU, Zusatzbaugruppen SM 331+332 mit weiteren analogen Ein-/Ausgängen und HMI TP700
Touch Panel aufgerüstet. Alle Systemdaten sind lokal und vernetzt
verarbeitet und mit 2-Punkt- & PID-Regelung energetisch optimiert.
2016 wurde die Anlage mit einer aktuellen OPC-Schnittstelle erweitert
OPC Kurzbezeichnung für OLEPC= Object Linking and Embedding for Process Control. Hiermit Nutzung der digitalen Infrastruktur und Datenaustausch zwischen Komponenten der Automatisierungs-technik (SPS) und Windows-Applikationen wie z.B. Excel und Visual Basic etc möglich. OPC bietet eine standardisierte, offene und herstellerunabhängige Software-Schnittstelle, die mit verschiedenen Spezifikationen bearbeitet werden kann. Neben den Industrie 4.0 basierten SW Upgrades der Rektifikationsanlage bzgl. HMI+TIA+OPC Automation, Visualisierung und Vernetzung sind folgende Aspekte wichtig für die Installation dieser Rektifikationsanlage im ATR-Labor: a) Erlernen und Anwenden chemischer Verfahrenstechnik-Prozesse in der automatisierten Lebensmittel-Produktion, b) Green Tech ATR-Anwendungen: Meerwasserentsalzung, Energiebedarfsminimierung durch optimal geregelte Kolonnen-Heizung und fraktionierte Destillationsphasen, c) Verstehen analoger Rektifikations-Prozesse in Erdöl-Industrie mit x Fraktionierungen bei Gemisch-abhängigen (höheren) Temperaturen und Drucken. In Bildern 14.1 bis 14.5 und 14.9 bis 14.12 sind Aufbau & Funktion der ATR-Rektifikationsanlage skizziert - in Bildern 14.6 bis 14.8 analoge Fraktionsprozesse bei Erdöl-Rektifikationen zur Gewinnung von Brennkraftstoffen (Petroleum, Benzin, Diesel), Schmiermittel, Asphalt, Paraffine, Kosmetik-Produkte Abb. 14.1: Reale ATR-Lab-Rektifikation
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Abb. 14.2: Prinzip der Wasser-Entsalzung in der ATR-Anlage und Erdöl-Industrie Abb. 14.3. ATR-Kopf-Fraktion .
2016-Oct-21 | Prof. Dr. W. Stanek: Lab Automatisierungstechnik + Robotik, HSK > Aktuelle Technik + Innovationen Seite 27 |top|
INDUSTRIE 4.0 Forderungen, Visionen und Verwirklichungschancen sind in den Firmen- & Ministerien Quellen
[6] bis [14] aus verschiedenen Blickwinkeln skizziert – und im ATR-Labor mit Industrie 4.0-Komponenten für
Produktionstechnik & Verfahrenstechnik mit aktuellster SW & HW von SIEMENS und B&R in einigen Anwendungen
realisiert. In einem Satz kann Industrie 4.0 nach [12] umrissen werden: „Die Verbindung von physischen und digitalen Prozessen bei der industriellen Produktion und die intelligente Vernetzung von Mensch und Maschine in der gesamten Wertschöpfungskette“. Die industrielle Wertschöpfung ist firmenspezifisch und produktabhängig gewichtet. Hochschulintern im Labor ist die Wertschöpfung von den gesetzten Schwerpunkten im Bereich Engineering, vorhan-dener HW & SW und Manpower für Umsetzung, Anwendung und Weiterentwicklung abhängig. Physische Prozesse (HW) lassen sich mit digitalen Prozessen (SW, Netze) hinsichtlich „virtual reality“, „internet of all things“ etc in intelligenter Vernetzung von Mensch und Maschine mit TIA, HMI, RFID, OPC, Profinet etc realisieren – allerdings nur, wenn die kommunikationsfähige HW und die aktuelle SW vorhanden sind. Diese parallele Voraussetzung ist jedoch sowohl industriell wie laborintern im Regelfall (noch) nicht durchgängig erfüllt. Schlüsselfunktion für eine Industrie-4.0-basierte Vollautomatisierung aller vernetzten HW Komponenten ist der interdisziplinäre Bereich Mechatronik. Neben der Erfüllung der Industrie 4.0-Forderungen wird industriell – wie auch im ATR-Labor – verstärkt Wert auf
innovative Entwicklung intelligenter Systeme mit alternativer, umweltschonender Energieerzeugung gelegt werden.
Abb. 15.3 verzahnte ATR-LABOR-Struktur
electrical + mechanical + chemical Engineering mit Schwerpunkten: Automation, Mechatronik,
Robotik, IT & interdisziplinäres Wissen 2016
Abb. 15.4 GREEN TECH SPEKTRUM in allen Lebens- & Produktionsbereichen