Probleme der modellprädiktiven Regelung in der Praxis · 21 MPC in der Praxis J¨urgen Pannek 1...

Probleme der modellpradiktiven Regelung in der Praxis

Jurgen Pannek

Fachbereich Produktionstechnik, Universitat Bremen

12. Elgersburg Workshop26.02. – 01.03.2018

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

1 Produktionssysteme

ModellpradiktiveRegelung

TechnischeEinflussfaktoren

MenschlicheEinflussfaktoren

Produktions- und Logistiksysteme

E. Gutenberg: Grundlagen der Betriebswirtschaftslehre (1983)

Produktionsfaktoren

Elementarfaktoren

Repetierfaktoren PotentialfaktorenDispositive Faktoren

Werkstoffe Betriebsmittel

trolle

Maschine

trolle

Mensch

Quelle: www.oscarberg.net

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionsfaktoren

Elementarfaktoren

trolle

Maschine

trolle

Mensch

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionsfaktoren

Elementarfaktoren

trolle

Maschine

trolle

Mensch

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Gegenwartiger Stand

Quelle: www.rheinvernetzt.de Quelle: www.volkswagen.de

Produktion heute

I Einsatz von Mikroelektronik und Informationstechnologie

I Komplexe Automatisierungslosungen und weltweite Vernetzung

I Raumliche / zeitliche Trennung zwischen Mensch und Maschine

I Zuordnung Fertigungstypen zu Organisationstypen

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Zukunftige Ziele

Quelle: www.mobilegeeks.de Quelle: www.seas.upenn.edu

Produktion morgen

I Intelligente und selbstkonfigurierende Fertigungsanlagen

I Dezentrale Planungs- und Steuerungssysteme

I Effizienter und nachhaltiger Einsatz von Ressourcen

I Ergonomisch angepasste Arbeitsbedingungen

I Integration von Kunden und Geschaftspartnern in Wertschopfung

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

4 ModellpradiktiveRegelung

Modellpradiktive Regelung: Idee

B. Kern, OVG Universitat Magdeburg

Regelung mittels “wiederholter” Pradiktion & Optimierung

1. Messe aktuellen Zustand

2. Pradiziere & berechne opt. Steuerung

3. Wende “optimale” Stellgroße an

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

Modellpradiktive Regelung

Vor- und Nachteile

+ Wahl des Kostenfunktion ; Regelgute

+ Direkte Berucksichtigung von Prozessbedingungen

+ Nichtlineare Systeme mit mehreren Ein- und Ausgangen

- Modell fur die Vorhersage benotigt

- Losung von Optimalsteuerungsproblemen in Echtzeit

FrageWas ist zu tun, damit MPC ein Potentialfaktor furProduktions- und Logistiksysteme wird?

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

Vor- und Nachteile

+ Wahl des Kostenfunktion ; Regelgute

+ Direkte Berucksichtigung von Prozessbedingungen

+ Nichtlineare Systeme mit mehreren Ein- und Ausgangen

- Modell fur die Vorhersage benotigt

- Losung von Optimalsteuerungsproblemen in Echtzeit

FrageWas ist zu tun, damit MPC ein Potentialfaktor furProduktions- und Logistiksysteme wird?

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

Ubersicht

Produktionssysteme

Technische EinflussfaktorenStellgliedRedundanz bei MessgliedernKommunikation

Menschliche EinflussfaktorenMensch–Maschine RelationVerstandnis, Kompetenz und Akzeptanz

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

Projekt InSAIntegrierte Sicherheits- und Schutzkonzepte fur CPS

I Verbesserung Arbeitstakt

I Kollaboration statt Trennung

I Kontext orientierte Dienste

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

Produktionsfaktoren

Elementarfaktoren

trolle

Maschine

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

9 Stellglied

Redundanz beiMessgliedern

Kommunikation

Framework

GrundlagenI IEC 61508I IEC 61496I ISO 10218-1/2I ISO 15026I ISO 15066I ISO 15408I ISO 27005I . . .

Programmierbare Systeme

Maschinensicherheit

Integration von Industrierobotern

Software und Systems Engineering

Roboterkollaboration

IT Sicherheit

Risikomanagement

S. Brending, M. Lawo, J. Pannek, T. Sprodowski, P. Zeising, D. Zimmermann: Certifiable Software Architecture for

Human Robot Collaboration in Industrial Production Environments, IFAC-PapersOnLine, vol. 50(1), pp. 1983–1990(2017).

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

9 Stellglied

Kommunikation

Framework

GrundlagenI IEC 61508I IEC 61496I ISO 10218-1/2I ISO 15026I ISO 15066I ISO 15408I ISO 27005I . . .

S. Brending, M. Lawo, J. Pannek, T. Sprodowski, P. Zeising, D. Zimmermann: Certifiable Software Architecture for

Human Robot Collaboration in Industrial Production Environments, IFAC-PapersOnLine, vol. 50(1), pp. 1983–1990(2017).

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

10 Stellglied

Kommunikation

Stellglied

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

11 Stellglied

Kommunikation

Stellglied

ProblematikI Elektronik nicht direkt ansteuerbarI Zugriff nur uber SPSI Koordinaten-/

GeschwindigkeitssteuerungI Schnittstelle digitale E/A AnschlusseI Simulation uber Tools notwendig

FragenI Wie kann man MPC sinnvoll

integrieren?I Lohnt sich das?

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

11 Stellglied

Kommunikation

Stellglied

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

11 Stellglied

Kommunikation

Stellglied

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

TechnischeEinflussfaktorenStellglied

12 Redundanz beiMessgliedern

Kommunikation

MessgliederSicherheit

I Typen (optisch, resistiv . . . )I TaktratenI SchnittstellenI UbertragungsratenI RedundanzI (Fusionsmethoden)

FrageWelche Messfuhler/-kombinationensind hinreichend/notwendig?

A. Khalid, P. Kirisci, Z. Ghrairi, K.-D. Thoben, J. Pannek: A Methodology to Develop Collaborative Robotic Cyber

Physical Systems for Production Environments, Logistics Research (2016), vol.9(24): pp. 1-22.

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

Kommunikation

MessgliederSicherheit

I Typen (optisch, resistiv . . . )I TaktratenI SchnittstellenI UbertragungsratenI RedundanzI (Fusionsmethoden)

FrageWelche Messfuhler/-kombinationensind hinreichend/notwendig?

A. Khalid, P. Kirisci, Z. Ghrairi, K.-D. Thoben, J. Pannek: A Methodology to Develop Collaborative Robotic Cyber

Physical Systems for Production Environments, Logistics Research (2016), vol.9(24): pp. 1-22.

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

Kommunikation

MessgliederAngreifbarkeit

A. Khalid, P. Kirisci, Z. Ghrairi, K.-D. Thoben, J. Pannek: Security Framework for Industrial Collaborative Robotic Cyber

Physical Systems, akzeptiert fur Computers in Industry (2018).

N.R. Siddiqui, K.A. Khaliq, J. Pannek: VANET Security Analysis on the Basis of Attacks in Authentication, Proceedings

of the 5th International Conference on Dynamics in Logistics (2016), pp. 491–502.

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

Kommunikation

FrageMit welchen Messfuhlerkombinationenkann ein Cyberangriff physischdetektiert werden?

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

Kommunikation

FrageWie nutzt man MHE Fehlerdiagnosefur Auswahl der Messfuhler?

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

14 Kommunikation

Verringerung der Ubertragungsdaten

I Quantisierung der KommunikationI Integration in kontinuierliches

Optimierungsproblem

FrageWann ist MPC Regelkreis mitquantisierter Kommunikation stabil?

T. Sprodowski, M.W. Mehrez, K. Worthmann, G.K.I. Mann, R.G. Gosine, J.K. Sagawa, J. Pannek: Differential

Communication with Distributed MPC based on an Occupancy Grid, eingereicht bei Information Sciences (2017).

M.W. Mehrez, T. Sprodowski, K. Worthmann, G.K.I. Mann, R.G. Gosine, J.K. Sagawa, J. Pannek: Occupancy Grid

based Distributed Model Predictive Control of Mobile Robots, 2017 IEEE/RSJ International Conference on IntelligentRobots and Systems (IROS), pp. 4842–4847 (2017).

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

14 Kommunikation

Optimierungsproblem

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

14 Kommunikation

Optimierungsproblem

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

14 Kommunikation

Optimierungsproblem

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

15 Kommunikation

Anpassung der Protokolle

Konzepte:I FloodingI Routing

FrageWie integriert man MPCmit CSMA/CA?

K. Khaliq, O. Chughtai, A. Qayyum, J. Pannek: Mathematical Model Based Design of Multi-hop Routing Protocol for

VANET, eingereicht bei IEEE Transactions on Communications (2018).

K. Khaliq, S.M. Raza, O. Chughtai, A. Qayyum, J. Pannek: Intelligent Flooding Mechanism for Safety Applications in

V2V Environment using VANET, eingereicht bei COMNET (2018).

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

15 Kommunikation

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

15 Kommunikation

MPC in der Praxis

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Produktionssysteme

16 Mensch–MaschineRelation

Verstandnis, Kompetenzund Akzeptanz

Produktionsfaktoren

Elementarfaktoren

trolle

Mensch

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

Situation

Mensch alsI ProblemloserI Innovator

CPS alsI WegbereiterI Durchgriff

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

Situation

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

Situation

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

MenschlicheEinflussfaktorenMensch–MaschineRelation

18 Verstandnis, Kompetenzund Akzeptanz

Mensch und Maschine

Mogliche Szenarien

I CPS als Werkzeug zur Unterstutzung des Arbeiters

(Werkzeug Szenario)I Kooperation zu Kontroll- und Steuerungsaufgaben

(Hybrid Szenario)

I Steuerung durch CPS und Ausfuhrung durch Arbeiter

(Automatisierungsszenario)

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

Mensch und Maschine

Mogliche Szenarien

I CPS als Werkzeug zur Unterstutzung des Arbeiters

(Werkzeug Szenario)I Kooperation zu Kontroll- und Steuerungsaufgaben

(Hybrid Szenario)

I Steuerung durch CPS und Ausfuhrung durch Arbeiter

(Automatisierungsszenario)

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

Rolle des MenschenBeispielhaft am Werkzeug Szenario

Socio-Cyber-Physical Systems (Treiber Mensch)

I Integration individuellen Verhaltens

I Anpassung auf Organisation

I Berucksichtigung des Kontext

Cyber-Physical-Social Systems (Treiber CPS)

I Modellierung und Nutzung des Menschen

I Anpassung der Organisation

I Befahigung zu Parallelitat und Selbstsynchronisation

Was macht der da?

Wir haben dasschon immer sogemacht.

Kontrolliert der mich?

Bin ich meinen Job los?

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

Was macht der da?

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

Was macht der da?

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

Was macht der da?

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

Was macht der da?

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

Was macht der da?

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

AuswirkungenBeispielhaft am Werkzeug Szenario

Belastungen:

I Reduktion schwere korperlicher Arbeit

I Zunahme der Interpretation der Technik

I Zunahme des Flexibilitatsdrucks

Belastung+−

Beanspruchung

Kompetenzen

Quelle: W. Laurig: Grundzuge der Ergonomie (1990)

FragenI Wie wird MPC intuitiv?I Wie konnen Beanspruchungsarten identifiziert werden?

M. Bernardo, J. Pannek: Robust Solution Approach for the Dynamic and Stochastic Vehicle Routing Problem,

akzeptiert fur Journal of Advanced Transportation (2018).

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

AuswirkungenBeispielhaft am Werkzeug Szenario

Belastungen:

I Reduktion schwere korperlicher Arbeit

I Zunahme der Interpretation der Technik

I Zunahme des Flexibilitatsdrucks

Belastung+−

Beanspruchung

Kompetenzen

Quelle: W. Laurig: Grundzuge der Ergonomie (1990)

FragenI Wie wird MPC intuitiv?I Wie konnen Beanspruchungsarten identifiziert werden?

M. Bernardo, J. Pannek: Robust Solution Approach for the Dynamic and Stochastic Vehicle Routing Problem,

akzeptiert fur Journal of Advanced Transportation (2018).

MPC in der Praxis

Jurgen Pannek

Produktionssysteme

Zusammenfassung

Technische Seite

I MPC fehlt Zertifizierbarkeit

I Problem Integration (D)MPC und Kommunikation

I Diagnoseeigenschaft fur Messfuhlerauswahl

Menschliche Seite

I Benutzung von MPC nicht intuitiv

I Wahl der Stellschrauben unklar

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