myJoghurt - TELI | Journalistenvereinigung für technisch...

Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder

Lehrstuhl für Automatisierung und Informationssysteme (AIS)

Fakultät für Maschinenwesen, Technische Universität München

Was sich hinter dem Hype um Industrie 4.0 versteckt

©A

IS

„myJoghurt“

Joghurtproduktion mit cyber-physischen Produktionssystemen

.at

Vorstellung des Lehrstuhls

Mitarbeiter

• 20 wissenschaftliche Mitarbeiter

• 9 Mitarbeiter Technik und Administration

Lehrveranstaltungen

• Grundlagen Informationstechnik

(1. und 2. Sem., 8 ECTS)

• Modellbildung und Simulation (ab 5. Sem., 5 ECTS)

zuzüglich Praktikum (4 ECTS)

• Automatisierungstechnik I, II

(I B.Sc. ab 5. Sem., II M.Sc., 5 ECTS)


• Industrielle Software-Entwicklung für Ingenieure I, II

(I B.Sc. ab 5. Sem./ II M.Sc., 5 ECTS) zuzüglich

Praktikum (4 ECTS)

• Entwicklung intelligenter verteilter eingebetteter

Systeme in der Mechatronik (ab 5. Sem., 5 ECTS)


Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder 2

Forschungsgebiete des Lehrstuhls


Agent

Diagnose-

modul

Steuerungs-

modul

Umwelt-

modul

Rekonfigura-

tionsmodul

Anlagenkomponente/ -modul

Operationsbe-

reitstellung

Interaktion

AusführungRedundanz

Verfeinerung

Evaluation

Sensoren Aktoren

CoDeSys 2.3

CoDeSys 3.4

IEC 61131-3 Editor

ASFBS

ST

AWLLD r1SINMUL 1000.0ST sinus

CFC

CFC/ST (TwinCAT)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

0

0,0

2

0,0

4

0,0

6

0,0

8

0,1

0,1

2

0,1

4

0,1

6

0,1

8

t

Codegenerator

Constant1Constant2

fbTransfer_Fcn

Transfer_Fcn

LRIn LROut

Gain Sum

Out11MUL MUL ADD

0 Product2 3

41

SFC/ST (TwinCAT)

Zu

sta

nd

t

Blockdiagramm

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

0

0,0

2

0,0

4

0,0

6

0,0

8

0,1

0,1

2

0,1

4

0,1

6

0,1

8

t

Simulink

1

Out1

1

z

Unit Delay

1

Constant2

Gain

1X

Product

0.00995017

Z-0.99005

TransferFcn

1

Constant1

++

Stateflow

Step1/

Move_To(destination);

Stop

function

Move_To(Queue)

[destination==0]

[destination==1]

Zu

sta

nd

t

MATLAB/Simulink

UML-Editor (CoDeSys 3.4)

AktivitätenManufacturing Marketing and Sales Acquisition

Offer

Market prognosis

Purchase

Manufacture

Delivery

Marketing

Selling

Request

Negotiation

Offer

Product planning

Product design

Product implementation

Further development

Product maintenance

Spare parts maintenance

Customer’s needs

Product(planned)

Product(designed)

Product(in product set)

Product(closed down)

Zustände

Initialize

Crane 2

Stamp 1

homing crane_initializedP1homing_done

P1

true

P1

Initialize stamp_initializedP1

stamp_

init_done

P1true

P1

stamp_error_occured crane_error_occured

P1

start_pressed

P1

stamp_error

P1

start_pressed

P2

crane_error

ready_for_autoP3

automatic

sort_light

P2

WP_light

P1

ready

sort_non_light

P2

not_WP_

light

P1

ready

P1

P1

mode=auto

<<InCycle>

EmergencyStop

P1

start_pressed

P1

Estop_pressed

resolveEstop()

Wait_for_Start

ENTRY()

P1

P1

start_

pressed

true

P1

Klassen

Customer

Shipment

Vendor

Shipment

Customer

Shipment

Order

0..*

1..*

delivers

order

nr.

1..* 0..*

placesLineItem

1 1..*

serial

no.

Product

Product

Location

0..*

1..*

0..*

1

Custom

Product

Vendor

Product

0..1 2..*

Codegenerierung

Mapping

Human Factors

Rekonfigurierbare verteilte SystemeModell-basierte Entwicklung

Qualitätsmanagement /Safety

Kontinuierliche thermo-hydraulische

Presse in der Holzindustrie

Distanz

Druck

R&I-Fließbild

3

1. Motivation: Cyber-Physische Produktionssysteme

2. Fallstudie I: Verteilte Rekonfiguration der Produktion in myJoghurt

3. Fallstudie II: Roboterkooperation mit Agentennetzwerk RIAN

4. Unterstützung des Menschen in Cyber-Physical Systems

5. Lessons Learned – Industrie 4.0- Agentenbasierte Migration

6. Ausblick und Zusammenfassung



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„myJoghurt“


4

Zeitleiste der „industriellen Revolutionen“

Von Industrie 1.0 bis Industrie 4.0


Gegenüberstellung

Cyber-Physical Systems und Automatisierungstechnik

Quelle (links): M. Broy: Das Internet – Innovation ohne Grenzen. Vortrag in: Netzdialog Bayern, München, 2001.

Quelle (rechts): B. Vogel-Heuser, G. Kegel, K. Bender und K. Wucherer: Global Information Architecture for Industrial Automation. In:

Automatisierungstechnische Praxis (atp), Jahrgang 51 (2009), Heft 1, S. 108-115.

Cyber-Physical

Systems

Intelligente

Embedded Systems

Intelligente und

Kooperative Embedded

Systems

Systems of Systems

Embedded Systems

Informationsmodell

Produktionsprozess

Enterprise Resource Planning (ERP)

Automatisierungstechnik

Cyber-Physical Systems


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IS

weltweit verfügbare Daten und Dienste nutzen

6

• Cyber-Physical Systems (CPS) umfassen typischerweise eingebettete

Systeme (als Teil von Geräten, Gebäuden, Verkehrsmitteln,

Verkehrswegen, Produktionsanlagen, Logistik- und

Managementprozessen, etc.), die

– mittels Sensoren und Aktoren unmittelbar physikalische Daten

erfassen und auf physikalische Vorgänge einwirken,

– mit digitalen Netzen verbunden sind (drahtlos, drahtgebunden, lokal,

global),

– weltweit verfügbare Daten und Dienste nutzen

– und über eine Reihe multimodaler Mensch-Maschine-Schnittstellen

(dediziert in Geräten, unspezifisch etwa über Browser, etc.)

verfügen.

Begriffsklärung Cyber-Physical Systems

Quelle: M. Broy (Hrsg.): Cyber-Physical Systems. Innovation durch Software-Intensive Eingebettete Systeme. acatech diskutiert. Springer-Verlag, Berlin,

Heidelberg 2010


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7

Datenaufbereitung,

Datenintegration für den

Menschen

Assistenzsysteme für das

Engineering

Datenanalyse von Prozess- und

Alarmdaten und Verknüpfung mit

Engineeringdaten

Bereitstellung notwendiger Daten

für Konfiguration, Produktion,

Verhandlung

Technische Merkmale von CPS für die Produktion (ProCPS)

Datendurchgängigkeit über verschiedene

„Stakeholder“ in verschiedenen

Engineeringphasen und -gewerken

Architekturmodelle

(Referenzarchitektur) für eine Klasse von

Aggregaten/Modulen in Bezug auf

Eigenschaften, Fähigkeiten, Schnittstellen…

Beschreibung von Produkt- und

Betriebsmitteln, z.B. Ontologien, zur

eigenständigen Analyse, Darstellung, Organisation

und Ausführung eines Produktionsablaufes

Produktionseinheiten mit inhärenten

Fähigkeiten

Digitale Netze und Schnittstellen für die

Kommunikation (zwischen Geräten, Mensch und

Anlage, Anlage und Anlage)

Weltweite Verteilung von Daten, hohe

Verfügbarkeit, Zugriffsschutz Flexible Produktionseinheiten,

adaptierbar auf geänderte

Produktanforderungen, erlauben auch

strukturelle Änderungen

CPS

Marktplatz

der

Produktions-

einheiten

In Anlehnung: B. Vogel-Heuser, G. Bayrak, U. Frank: Forschungsfragen in "Produktautomatisierung der Zukunft". acatech Materialien. 2012.

Kommunikation und

Datendurchgängigkeit

Intelligente Produkte und

Produktionseinheiten

Datenaufbereitung für den Menschen


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8









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„myJoghurt“


9

Offener Demonstrator für die individuelle Joghurtproduktion

„myJoghurt“

Produktionsanlage

Simulierte Produktion

Joghurtherstellung

Joghurtveredelung

Deckelgravierung

Abfüllung

Beschreibung der Symbole

CPS

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IS,IF

AK

,IF

AT

,IA

S

Customer Agent

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 10

Offener Demonstrator für die individuelle Joghurtproduktion

„myJoghurt“

CPS

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IS,IF

AK

,IF

AT

,IA

S

Customer Agent

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 11

Produktionsanlage

Simulierte Produktion

Joghurtherstellung

Joghurtveredelung

Deckelgravierung

Abfüllung

Beschreibung der Symbole

Kundenportal „my joghurt“

Individuelle Joghurtkonfiguration,

z.B. hinsichtlich:

• Geschmack

• Menge

• Topping

• Verpackung

• Versand

• …

• Konfiguration über Web-App

• über Desktop-PC und mobile

Endgeräte

(plattformunabhängig)

• Einholen von Angeboten und

anschließende Auswahl

möglich

• Individuell anpass- und

erweiterbar

CPS

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IS,IF

AK

,IF

AT

,IA

S


Ablauf der Produktionssteuerung

Ablaufplan (neu) erstellen

Kosten und Termine für Teilaufträge von Anlagen einholen

Teilaufträge (neu) vergeben

Produktion beobachten (Operator und Kunde)

Automatische Störungsbehandlung

Statusinformationen versenden

z.B.

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AK

,IF

AT

,IA

S

CPS


Kunde erteilt Auftrag

Auftrag in Teilaufträge aufteilen

13

Anbieter-Agent

Demonstrator B

Anlagenagent

Demonstrator A

Anlagenagent

Demonstrator C

Anlagenagent

Agentenverzeichnis

Agent A: Adresse AAgent B: Adresse B

Diensteverzeichnis

Agent A: Fähigkeit 1, Fähigkeit 2Agent B: Fähigkeit 2, Fähigkeit 3

Lokales Netzwerk oder Internet

Koordinations-Agent

Fähigkeit 1: Botschaft A, B, C, D, EFähigkeit 2: Botschaft X, Y, Z

Botschaftsverzeichnis (ACL)

I4.0 Cloud

CP

PS

A

CP

PS

B

CP

PS

C

I4.0 Agentensystem

z.B

. OP

C

z.B

. C++

Kunden-Agent

Agent Management System (AMS) Directory Facilitator (DF)

Message Transport System (MTS)

z.B. C# z.B. C++

z.B. IEC 6113-3

Kommunikation zwischen mehreren CPPS mittels Agenten


Quelle: D. Pantförder, F. Mayer, C. Diedrich, P. Göhner, M. Weyrich, B. Vogel-Heuser: Agentenbasierte dynamische Rekonfiguration von vernetzten intelligenten

Produktionsanlagen – Evolution statt Revolution. In: Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik, Springer, 2014.

Kunden-Agent

CPS

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IS,IF

AK

,IF

AT

,IA

S

14

Szenario: Selbstadaption in einer Produktionsanlage

Auslagern

Transportieren

Befüllen1

Transportieren

Befüllen2

Einlagern

Transportieren

Anbieter-

Agent

Kunden-

Agent

Agent Management System (AMS)

Agent B

Agentenverzeichnis

Agent A: Adresse A

Lokales Netzwerk

oder Internet

Plattform B

Helle Schokolade

Kunden-

Agent

Directory Facilitator (DF)

Diensteverzeichnis

Agent A: Fähigkeit 1, Fähigkeit 2

Message Transport System (MTS)

Fähigkeit 1: Botschaft A, B, C, D, E

Botschaftsverzeichnis (ACL)

Plattform A

Dunkle Schokolade

Agent A

Service-

Agent


Quelle: B. Vogel-Heuser: Herausforderungen und Anforderungen aus Sicht der IT und der Automatisierungstechnik. In: Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik, Springer, 2014.

CPS

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15

Modelle zur Klassifizierung von Produkten & Prozessen

B13

B11

B12

B14

JoghurtherstellungO11

DeckelgravierungO13

P1 P2

P7

P8

P3

GäranlageT11

MischanlageT12

FräsanlageT13

P4

JoghurtveredelungO12

AbfüllungO14

P5

P9

P6

AbfüllanlageT14

P10

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IS,IF

AK

,IF

AT

,IA

S

Gravierter Deckel

Caps or Tops

Bottles

Packing materials

Handling and Conditioning,

…

Product

CPS

z.B. nach UNSPSC

Quelle: Diedrich C, Fay A, Grützner J, Göhner P, Vogel-Heuser B, Weyrich M, Wollschlaeger M (2013) Automatisierungstechnischer

Forschungsanlagenverbund für Industrie 4.0. Markt&Technik. Summit Industrie 4.0, München


Multi-Agenten basierte CPPS-Architektur


CPPS Agent Management System

Agent A: Adresse AAgent B: Adresse B

CPPS Compound (Multi-Agent System)Customer

Agent

CPPS Directory Facilitator

Agent A: Cap1, Cap2Agent B: Cap2, Cap3

CPPS Cloud (Infrastructure)

CPPS A (PLC)

SysAgent

CommAgent

PLC Interface

ProcAgent A

MAS ITF

Plant Agent

CPPS D (C)

C

CPPS C (JADE)

Plant Agent B

AMS

MTS

DF

CPPS ITF

JADE InterfaceJULE Interface

AMS

MTS

DF

MES Agent

CPPS ITF

PLC ITF

CPS B (C#)

Module Agent n

Module Agent 1

DeviceAgent

CPS E (C)„Smart Device“

Prod. System A Prod. System DProd. System CService Provider

Demonstrator A Demonstrator B Demonstrator C

CoordinationAgent

CPPS Message Transport System

Agent A, Message AAgent 3, Message D

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IS,IF

AK

,IF

AT

,IA

S

CPS

17









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„myJoghurt“


18

Robot Integrated Agent Network (RIAN)


• Nutzung der Synergien und Kernkompetenzen mehrerer

Unternehmen zur Herstellung eines individualisierten

Flaschenöffners

• Gemeinsame Live-Produktion mit heterogenen

Steuerungsarchitekturen

– unterschiedlichster Steuerungshardware

– Verschiedene Betriebssysteme (Windows, Fanuc-OS,

Linux)

– Herstellung verschiedenster Produkte

• Robot Integrated Agent Network (RIAN) vernetzt

Anlagen auf Steuerungsebene

– Verknüpfung verschiedener Produktionsschritte

– Auftragsmanagement durch Agentennetzwerk

– Vernetzung der Messestände über Intranet und Roboter-

Transportsystem

Mobiler AIS-Roboter

Individualisierter

Flaschenöffner

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IS

19

Adaption der Architektur für Roboterkooperation


Laser-bearbeitung

Spritz-gießen Verpack-

ung

Lager Laser-Gravieren

Me

sse

stän

de

/Be

ar-

be

itu

ngs

sch

ritt

e

Mein Text

Kunde

Stat

us

Au

ftra

g

An

frag

e

An

geb

ot

Koor-dinator

Schunk Reis Fanuc Fanuc Beckhoff/AIS

Stat

us

Au

ftra

g

CPSCPSCPS

Anlage Anlage Anlage Anlage AnlageRoboter

CPS

Datenaufbereitung

für den MenschenKommunikation und

Datendurchgängigkeit

Intelligente Produkte

und Produktionseinheiten

Architekturmodell

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20

Aufbereitung für den Menschen

22Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder

• Integration der unterschiedlichen Daten zu

nutzbringenden Informationen auf Basis von Wissen

und Erfahrung

Hohe Belastung des Anlagenbedieners

Steigende Fehlerrate bei der Prozessbedienung

Wie kann der Mensch besser unterstützt werden?

• Steigende Flexibilität in der Produktion

• Steigende vertikale und horizontale Vernetzung

• Intelligente Gerätetechnik

• Weltweit und jederzeit verfügbare Daten

Flut von Prozessinformationen

Verbesserte

ProzessvisualisierungTraining

Situation durch CPS

Handlungsempfehlungen

Szenario: Informationsaggregation für die Wartung

Rolle-Kontext-Individuum HMI mit AR und Touch

• Touch-Interaktionsgestützte

Gestensteuerung auf mobilen

Endgeräten

• Augmented Reality zur

Unterstützung bei Wartung,

Optimierung und

Instandhaltung von

industriellen Anlagen


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CPS

23

• Kein direkter Eingriff in den Anlagenablauf

• Konfiguration der Schnittstelle durch Anlagenbetreiber

ermöglicht Anbindung aller nachgelagerten

Steuerungen

• Agenten-Starterkit bietet Möglichkeit zur Anbindung

eigener Anlage

– Verbindung von zentralisierter und dezentralisierter

Kommunikation

– Implementierung direkt auf Steuerungsebene ermöglicht

Echtzeitkommunikation bei entsprechendem Feldbus

– Kapselung der Steuerungs- und Prozessdaten

• Schnittstelle zum Agentennetzwerk sichert das

Unternehmens-Know-How

• Schnittstelle kann durch Unternehmen selbst angepasst

werden

• neue Potentiale zur kooperativen Produktion komplexer

Produkte

• Kontakt: [email protected]

Offene Plattform für Agentenbasierte Migration zu I 4.0


http://i40d.ais.mw.tum.de

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27

• Feldmann, S.; Loskyll, M.; Rösch, S.; Schlick, J.; Zühlke, D.; Vogel-Heuser, B.: Increasing Agility in Engineering and Runtime of Automated Manufacturing Systems. In: IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT),

Kapstadt, Südafrika, 2013.

• Schütz, D.; Wannagat, A.; Legat, C.; Vogel-Heuser, B..: Development of PLC-based software for increasing the

dependability of production automation systems. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2013, no. 9, pp. 2397-2406.

• Legat, C.; Vogel-Heuser, B.: A Multi-agent Architecture for Compensating Unforeseen Failures on Field Control Level. In:

International Workshop on Service Orientation in Holonic and Multi-Agent Manufacturing and Robotics (SOHOMA),

Valenciennes, Frankreich, 2013.

• Li, F.; Bayrak, G.; Kernschmidt, K.; Vogel-Heuser, B.: Specification of the Requirements to Support Information Technology-Cycles in the Machine and Plant Manufacturing Industry. In: 14th IFAC Symposium on Information Control

Problems in Manufacturing (INCOM), Bukarest, Rumänien, 2012.

• Ulewicz, S.; Schütz, D.; Vogel-Heuser, B.: Design, Implementation and Evaluation of a Hybrid Approach for Software Agents in Automation. In: 17th IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA), 2012,

Krakau, Polen.

• Vogel-Heuser, B.; Bayrak, G.; Frank, U.: Forschungsfragen in „Produktautomatisierung der Zukunft“, acatech

MATERIALIEN. 2012.

• Vogel-Heuser, B., Folmer, J., Legat, C.: Anforderungen an die Softwareevolution in der Automatisierung des Maschinen-

und Anlagenbaus, angenommener Beitrag, at – Automatisierungstechnik, 2013

• Vogel-Heuser, B.; Schütz, D.; Frank, T.; Legat, C.: Model-driven Engineering of Manufacturing Automation Software

Projects - A SysML-based Approach. Mechatronics, 2014, DOI:10.1016/j.mechatronics.2014.05.003• Vogel-Heuser, B.; Diedrich, C.; Pantförder, D.; Göhner, P.: Coupling heterogeneous production systems by a multi-agent

based cyber-physical production system. IEEE International Conference on Industrial Informatics (INDIN), 2014

• Pantförder, D.; Mayer, F.; Diedrich, C.; Göhner, P.; Weyrich, M.; Vogel-Heuser, B.: Agentenbasierte dynamische

Rekonfiguration von vernetzten intelligenten Produktionsanlagen – Evolution statt Revolution. In T. Bauernhansl, M. ten

Hompel, & B. Vogel-Heuser (Eds.), Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik (pp. 145–158). Springer

Fachmedien Wiesbaden. 2014

Literatur


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