Tobias Kleinert

• Professor
• Professor at RWTH Aachen University

This article is closed access. It was published in the journal, Industrial and Engineering Chemistry Research [© ACS Publications]: http://pubs.acs.org/page/iecred/about.html The paper presents a novel methodology for the estimation of the shape of the crystal size distribution (CSD) during a crystallization process. The approach, based on a combin...

Zusammenfassung Softsensoren bieten eine attraktive Option, schwer messbare Prozessinformationen indirekt aus konventionellen Messgrößen (Druck, Temperatur und Durchfluss) online zu berechnen. Durch Kombination mit Prozessanalysentechnik, die spezifische physiko-chemische Informationen liefert, lässt sich der Anwendungsbereich von Softsensoren und...

Controlling hybrid systems is mostly very challenging due to the variety of dynamics these systems can exhibit. Inspired by the concept of differential flatness of nonlinear continuous systems and their inherent invertibility property, the present contribution is focused on explicit input trajectory calculation. To this end, a new class of hybrid s...

https://www.process.vogel.de/wie-anlagenbetreiber-automatisierte-sicherheitseinrichtungen-schuetzen-a-917861/ Angesichts wachsender Sicherheitsrisiken und Schwachstellen in IT-Systemen einerseits, und der Zunahme von Cyber-Attacken andererseits, ist es unerlässlich, dass sich KMU mit dem Schutz ihrer industriellen Anlagen befassen. Mit dem Buch er...

The Asset Administration Shell (AAS) is a standard for Digital Twins, a key element of Industry 4.0. In order to realize interoperability as its central prerequisite, manufacturers must implement the formal AAS metamodel specification correctly down to the last detail. To ensure this, conformance testing procedures should be defined and carried out...

Zusammenfassung Im Rahmen von Industrie 4.0 wurde die Verwaltungsschale als die Technologie für Interoperabilität entwickelt und durch Spezifikationen definiert. Während die syntaktische Interoperabilität durch standardisierte Schemata, z. B. JSON Schema, XSD oder RDFS, erreicht werden kann, bleibt die Sicherstellung der semantischen Interoperabili...

The introduction and adoption of various semantic models for describing assets within a plant have paved the way for new opportunities. This contribution centers on the establishment and continuous maintenance of a plant asset management system based on knowledge graphs, utilizing the information contained in various semantic models. Additionally,...

We present a method for matching the required capabilities of general recipes with available resources to formulate master recipes. Process elements extracted from BatchML XML files are used to decompose the required capabilities and match them with the capabilities offered by components at distinct levels. A capability OWL ontology with properties...

We examine semantic patching, an important technique of software evolution, that allows us to automate to a large extent the adaption of external open-source libraries for Digital Twins with a high degree of correctness. While this technique is widely known in specialized software engineering circles, we aim to popularize it among the automation co...

Model reliability is one of the main building blocks of trustworthy AI where models are capable of indicating their prediction certainty given the provided input data. Despite the numerous model calibration techniques available to gauge the reliability of trained models, it has been shown that even well-calibrated classification models cannot prope...

Sustainability in production stands out as one of the foremost achievements facilitated by Industry 4.0. With the continuous monitoring of production lines, it is now possible to detect quality deviations at their earliest occurrence and reduce the scrap production rate. This paper studies the sustainability in context of a partially monitored mult...

For the use of the CSS model, workflows are needed to describe, assign and derive capabilities. This contribution provides a Capability Determining method that encompasses the three underlying technology-independent methods to guide stakeholders in describing, assigning and deriving capabilities for manufacturing. The first underlying method, Descr...

Inhalt/Content Vorwort 1 Prozessautomation: Regelung & Optimierung Architectural elements for configuration and control of modular plants 5 Produktionsplanung für die Praxis: Simulationsgetriebene Optimierung für industrielle Batchprozesse mit Evolutionären Algorithmen 21 Containerisierung von Model Predictive Control für modulare Anlagen – Ein Sch...

Inhalt/Content Vorwort 1 Prozessautomation: Regelung & Optimierung Architectural elements for configuration and control of modular plants 5 Produktionsplanung für die Praxis: Simulationsgetriebene Optimierung für industrielle Batchprozesse mit Evolutionären Algorithmen 21 Containerisierung von Model Predictive Control für modulare Anlagen – Ein Sch...

Inhalt/Content Vorwort 1 Prozessautomation: Regelung & Optimierung Architectural elements for configuration and control of modular plants 5 Produktionsplanung für die Praxis: Simulationsgetriebene Optimierung für industrielle Batchprozesse mit Evolutionären Algorithmen 21 Containerisierung von Model Predictive Control für modulare Anlagen – Ein Sch...

Inhalt/Content Vorwort 1 Prozessautomation: Regelung & Optimierung Architectural elements for configuration and control of modular plants 5 Produktionsplanung für die Praxis: Simulationsgetriebene Optimierung für industrielle Batchprozesse mit Evolutionären Algorithmen 21 Containerisierung von Model Predictive Control für modulare Anlagen – Ein Sch...

Inhalt/Content Vorwort 1 Prozessautomation: Regelung & Optimierung Architectural elements for configuration and control of modular plants 5 Produktionsplanung für die Praxis: Simulationsgetriebene Optimierung für industrielle Batchprozesse mit Evolutionären Algorithmen 21 Containerisierung von Model Predictive Control für modulare Anlagen – Ein Sch...

This contribution introduces a simulation framework to significantly improve the simulation-based engineering process based on the Asset Administration Shell (AAS). The current simulation-based engineering process is characterized by long development times, high error susceptibility, and low availability of suitable simulation models. These deficit...

Digital twins, the virtual representations of physical assets, processes or systems, are becoming increasingly important in cyber-physical systems. They are a foundational block of Industry 4.0, the movement to digitalize industrial processes. The Asset Administration Shell (AAS) has been established as the preferable model to capture interoperable...

Cause and effect analyses can reveal useful insights about the information flow within process alarm data, which can, in turn, be used to improve the process performance. Cause and effect analyses require selecting suitable time windows of the historical alarm data, as performing the analysis on the entire time horizon or unsuitable windows might n...

Industry 4.0 is a paradigm that plays a central role in the development of future automation systems. A new generation of industrial automation aims to increase the agility of automation systems. In this context, cooperation with the IT world is an important prerequisite to achieving the requested agility. Therefore, new architectures and solutions...

Im Rahmen von Industrie 4.0 und der damit verbundenen digitalen Transformation innerhalb der Prozessketten sollen Unternehmen zukünftig ihre Informationen standardisiert und interoperabel mit Hilfe von Verwaltungsschalen bereitstellen. Hierfür müssen sie erstellt und die bereits existierenden Informationen darin eingefügt werden. Um dies möglichst...

Providing data for data analysis projects is one core task of automation technology, however, it still has to be done with a lot of manual effort. One challenge is to keep the meaning of data remain interpretable within or across multiple software environments so that provider and user of data share a common understanding of the transferred data. I...

Vorwort Nur noch sieben Jahre bis 2030, dem Jahr, in dem wichtige Meilensteine der EU- und der deutschen Klimapolitik sowie vieler Industrieunternehmen auf dem Weg zu einer „net-zero“- Betriebsweise erreicht sein sollen! In dieser Zeit müssen die Konzepte entwickelt und zumindest großtechnisch erprobt werden, die uns dann im Zeitfenster 2045-2050 w...

Vorwort Nur noch sieben Jahre bis 2030, dem Jahr, in dem wichtige Meilensteine der EU- und der deutschen Klimapolitik sowie vieler Industrieunternehmen auf dem Weg zu einer „net-zero“- Betriebsweise erreicht sein sollen! In dieser Zeit müssen die Konzepte entwickelt und zumindest großtechnisch erprobt werden, die uns dann im Zeitfenster 2045-2050 w...

Vorwort Nur noch sieben Jahre bis 2030, dem Jahr, in dem wichtige Meilensteine der EU- und der deutschen Klimapolitik sowie vieler Industrieunternehmen auf dem Weg zu einer „net-zero“- Betriebsweise erreicht sein sollen! In dieser Zeit müssen die Konzepte entwickelt und zumindest großtechnisch erprobt werden, die uns dann im Zeitfenster 2045-2050 w...

Vorwort Nur noch sieben Jahre bis 2030, dem Jahr, in dem wichtige Meilensteine der EU- und der deutschen Klimapolitik sowie vieler Industrieunternehmen auf dem Weg zu einer „net-zero“- Betriebsweise erreicht sein sollen! In dieser Zeit müssen die Konzepte entwickelt und zumindest großtechnisch erprobt werden, die uns dann im Zeitfenster 2045-2050 w...

Vorwort Nur noch sieben Jahre bis 2030, dem Jahr, in dem wichtige Meilensteine der EU- und der deutschen Klimapolitik sowie vieler Industrieunternehmen auf dem Weg zu einer „net-zero“- Betriebsweise erreicht sein sollen! In dieser Zeit müssen die Konzepte entwickelt und zumindest großtechnisch erprobt werden, die uns dann im Zeitfenster 2045-2050 w...

Vorwort Nur noch sieben Jahre bis 2030, dem Jahr, in dem wichtige Meilensteine der EU- und der deutschen Klimapolitik sowie vieler Industrieunternehmen auf dem Weg zu einer „net-zero“- Betriebsweise erreicht sein sollen! In dieser Zeit müssen die Konzepte entwickelt und zumindest großtechnisch erprobt werden, die uns dann im Zeitfenster 2045-2050 w...

Vorwort Nur noch sieben Jahre bis 2030, dem Jahr, in dem wichtige Meilensteine der EU- und der deutschen Klimapolitik sowie vieler Industrieunternehmen auf dem Weg zu einer „net-zero“- Betriebsweise erreicht sein sollen! In dieser Zeit müssen die Konzepte entwickelt und zumindest großtechnisch erprobt werden, die uns dann im Zeitfenster 2045-2050 w...

Different organizations are currently working on concepts and standards pertaining to the integration of industrial automation devices into a communication network. For manufacturers, suppliers, integrators, and operators of automation components, the variety of available protocols for information exchange raises the question of which standard to u...

The Digital Twin is a key component for Industry 4.0. For this purpose, a standard exists in the form of the Asset Administration Shell (AAS), which enables the interoperability of implementations. In this standard, a REST API is specified to access dynamic content of AASs[Pl21]. To ensure conformity of implementations of the REST API by different...

Immer häufiger ist Modularisierung die Antwort auf Anforderungen an die Wandelbarkeit industrieller Produktionsanlagen. Die Orchestrierung von Modulen wird dabei meist in einer vertikalen, hierarchischen Linie durch höher liegende Systeme gelöst. In der Praxis stellt sich jedoch heraus, dass horizontale Kommunikationswege notwendig sind, wie dieser...

Im Rahmen von Industrie 4.0 gilt das Konzept der Verwaltungsschale als eines der zentralen Ergebnisse. In diesem Beitrag wird das vom Lehrstuhl für Informations- und Automatisierungssysteme für die Prozess- und Werkstofftechnik der RWTH Aachen University entwickelte Python-SDK PyI40AAS zwei Jahre nach Beginn der Arbeiten vorgestellt. Es ist eine Re...

Machine learning and particularly reinforcement learning methods may be applied to control tasks ranging from single control loops to the operation of whole production plants. However, their utilization in industrial contexts lacks understandability and requires suitable levels of operability and maintainability. In order to asses different applica...

Inhalt Vorwort . . . . . . .1 Fertigungsautomation – Digitaler Zwilling: Vom Konzept zur Anwendung Anwendungsfälle und Ansatz zur Erstellung des Digitalen Zwillings aus Sicht eines Komponentenherstellers . . . . . . 5 Interaktion zwischen Steuerungen auf der Basis von OPC UA FX und deren Konfiguration durch Verwaltungsschalen . . . . . . . . . . 19...

Inhalt Vorwort . . . . . . .1 Fertigungsautomation – Digitaler Zwilling: Vom Konzept zur Anwendung Anwendungsfälle und Ansatz zur Erstellung des Digitalen Zwillings aus Sicht eines Komponentenherstellers . . . . . . 5 Interaktion zwischen Steuerungen auf der Basis von OPC UA FX und deren Konfiguration durch Verwaltungsschalen . . . . . . . . . . 19...

Der von der OPC-Foundation entwickelte Kommunikationsstandard für industrielle Automation, OPC UA, ist eine der wichtigsten Basistechnologien im Umfeld von Industrie 4.0. Die Handhabung der zahlreichen branchenspezifischen OPC UA Companion Specifications stellt Systemintegratoren jedoch vor neue Herausforderungen. Der vorliegende Beitrag beschreibt...

Digitalization is a driving force for new applications of artificial intelligence in the industrial context. In the last decade new and optimized machine learning methods, tools and corresponding Hardware became available. But their utilization in industrial applications is very challenging, due to different requirements and conditions. In order to...

In unserer Fachdisziplin bezeichnen wir komplexe technische Systeme als resilient, wenn sie auch beim Auftreten innerer und äußerer Ausfälle und Störungen die angeforderten Systemleistungen aufrechterhalten. Hier sind alle Ingenieurdisziplinen und insbesondere die Automation gefragt, denn eines ist offensichtlich: Die Herausforderungen können wir n...

Während des Betriebs einer prozesstechnischen Anlage fallen in zunehmendem Maß umfangreiche und heterogene Datenmengen an. Damit diese schnell und effizient in Erkenntnisse und Handlungen umgewandelt werden können, bedarf es einer informationstechnisch effizienten und effektiven Datenaufbereitung. Ein wesentlicher und grundlegender Schritt dazu ist...

Recently, Flat Hybrid Automata (FHA) were introduced as a new model class of hybrid systems. In order to answer the evident question of an optimal operation of the new class of FHA, a well-posed optimization problem defnition for FHA is presented. This problem formulation also includes costs on discrete{state transitions and switching actions. We p...

Authors: Tobias Kleinert, Frederik Zahn, Veit Hagenmeyer The class of hybrid systems describes most technical systems in great detail. However, the respective models and their behavior tend to be very complex. Recently, a new subclass of hybrid automata has been introduced, the Flat Hybrid Automata (FHA) that relies on the concepts of differential...

Recently, Flat Hybrid Automata (FHA) were introduced as a new model class of hybrid systems. In order to answer the evident question of an optimal operation of the new class of FHA, a well-posed optimization problem definition for FHA is presented. This problem formulation also includes costs on discrete–state transitions and switching actions. We...

Methods of systematic control structure design are adapted to suit industrial workflow of plant design and engineering in the chemical and process industry. The applied methods include a systematic step-wise design methodology and the concept of self-optimizing control. Implementation of these methods is performed in a commercial software framework...

Die Durchführung von Softwaretests für PLT-Sicherheitsfunktionen stellt häufig eine zeitaufwändige, sich stark wiederholende und fehleranfällige Aufgabe dar. Demnach birgt eine Automatisierung von Teilbereichen der Softwareprüfung erwartungsgemäß ein beträchtliches Potenzial zur Steigerung von für Qualität und Effizienz. Dieser Beitrag präsentiert...

Kurzfassung Die vorausschauende Instandhaltung (engl. Predictive Maintenance) gewinnt für die produzierende Industrie weltweit an Bedeutung, da Produktionsmodernisierungen im Rahmen der Industrie 4.0 sowie die zunehmende Verwendung von heterogenen Sensoreinheiten die Instandhaltungsplanung immer komplexer gestalten. Darüber hinaus ist das ServiceKo...

Mit Inkrafttreten der IEC 61511 Ed. 2.0 werden Risiko-Analysen für Safety Instrumented Systems (SIS) gefordert, das wirft folgende Fragen auf: Wie wird eine Risiko-Analyse durchgeführt und wie oft muss sie erfolgen? Welche Werkzeuge gibt es, um die Analyse zu unterstützen? Gibt es Beispiele und Best Practices? Müssen auch Systeme im Bestand analysi...

14.0 Service Infrastrukturen Cyber-physische Systeme (CPS) besitzen hohe nicht-funktionale Anforderungen (NFA) in Bezug auf einen sicheren, fehlertoleranten, resilienten, effizienten, selbst-organisierenden und störungsfreien Betrieb. NFA sind daher notwendigerweise in der detaillierten Ausgestaltung und Spezifikation einer Service-Infrastruktur fü...

In industrial practice, the operation of chemical units makes to a considerable extent use of basic control elements like PID controllers and sequence control. However, the need for highly flexible and reliable operation of chemical units makes life-cycle engineering of the basic control layer increasingly challenging. This article presents a dynam...

Neue und anspruchsvolle Strategien in der Prozessführung chemischer Produktionsanlagen erfordern, dass neben klassischen Prozessparametern (Druck, Temperatur, Durchfluss) auch stoffspezifische Informationen online im Prozess gemessen werden. Die moderne Prozessanalysentechnik (PAT) eröffnet hier vielfältige Möglichkeiten mit spezifischen und unspez...

Simple structures and robustness against disturbances are important attributes of chemical productions controllers. The present contribution considers these aspects for seeded batch cooling crystallisations. A new cascaded control scheme is presented. It combines consistent feedforward control with classic feedback control of the main physical proc...

The behaviour of chromatographic simulated moving bed processes is described by the movement of concentration profiles through a circle of separation columns. A closed-loop control manipulates the profiles in order to meet demands concerning specified product purity and disturbance attenuation. If steep wave fronts of the concentration profiles occ...

Advances in Process Analytical Technology (PAT) have significantly improved online measurements of material properties. Integrated in closed-loop quality control, PAT contributes to economising chemical production, e.g. by automated control of material properties, the solution of specific control problems, reduced reactant and energy consumption or...

This paper proposes a method for the on-line determination of the concentration profiles in a Simulated Moving Bed (SMB) process in terms of discrete measurement values. A direct solution of this state observation problem is very complex because the physical SMB model exhibits the infinite state dimension of distributed-parameter systems with switc...

This report deals with a model reduction approach applied to Simulated Moving Bed processes (SMB) for the solution of the SMB observation task. The modelling purpose is to represent the distributed concentration profiles of SMB processes by simple explicit functional form descriptions. The model shall provide the basis for the observation of the SM...

Simulated Moving Bed (SMB) chromatographic separation processes show typical hybrid phenomena: discrete state jumps and switching dynamics. The SMB principle and two modelling approaches based on hybrid automaton are presented and discussed within the context of hybrid systems theory. It is shown, how these models are affected by open-loop and clos...

Simulated Moving Bed (SMB) chromatographic separation processes show typical hybrid phe- nomena: Discrete state jumps and switching dynamics. The SMB principle and two modelling approaches based on hybrid automaton are presented and discussed within the context of hybrid systems theory. It is shown how these models are affected by open-loop and clo...

Simulated counterflow chromatographic separation processes, so called Simulated Moving Bed or SMB processes, are complex continuous separation units based on the chromatographic separation principle. A characteristic issue of these processes is the superposition of continuous mass transfer and temporally and spatially discretised switching of suppl...

This report deals with a model reduction approach applied to Simulated Moving Bed processes (SMB) for the solution of the SMB observation task. The modelling purpose is to represent the distributed concentration profiles of SMB processes by simple explicit functional form descriptions. The model shall provide the basis for the observation of the SM...

This is a conference paper. It was presented at ISIC 17: http://www.ti.kviv.be/conf/isic17/ and is under review for publication in the journal, Chemical Engineering Research and Design [© Institution of Chemical Engineers]. The paper presents a novel methodology for the estimation of the shape of crystal size distribution (CSD) during crystallizati...