Agentenbasierte Kopplung als Basis für Industrie 4.0- ein Migrationskonzept

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1 AUTOMATICA 2014 Optimize your production Agentenbasierte Kopplung als Basis für Industrie 4.0- ein Migrationskonzept Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser Ordinaria Lehrstuhl für Automatisierung und Informationssysteme (AIS) Fakultät für Maschinenwesen, Technische Universität München

2 Gliederung Agentenbasierte Kopplung als Basis für Industrie 4.0- ein Migrationskonzept 1. CPS und Industrie 4.0- was ist das? 2. Agentennetzwerk für die verteilte Produktion 3. Agentennetzwerk RIAN für die Roboterkooperation 4. Lessons Learned Industrie 4.0- Agentenbasierte Migration Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 2

3 Gegenüberstellung Cyber-Physical Systems und Automatisierungstechnik AIS Cyber-Physical Systems Cyber-Physical Systems Systems of Systems Automatisierungstechnik Enterprise Resource Planning (ERP) Intelligente und Kooperative Embedded Systems Intelligente Embedded Systems Informationsmodell Embedded Systems Produktionsprozess Quelle (links): M. Broy: Das Internet Innovation ohne Grenzen. Vortrag in: Netzdialog Bayern, München, 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 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 3

4 Begriffsklärung Cyber-Physical Systems 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. Quelle: M. Broy (Hrsg.): Cyber-Physical Systems. Innovation durch Software-Intensive Eingebettete Systeme. acatech diskutiert. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 4

5 Technische Merkmale von CPS für die Produktion (ProCPS) Datenaufbereitung für den Menschen Kommunikation und Datendurchgängigkeit Assistenzsysteme für das Engineering Datenaufbereitung, Datenintegration für den Menschen Bereitstellung notwendiger Daten für Konfiguration, Produktion, Verhandlung Weltweite Verteilung von Daten, hohe Verfügbarkeit, Zugriffsschutz Datendurchgängigkeit über verschiedene Stakeholder in verschiedenen Engineeringphasen und -gewerken Digitale Netze und Schnittstellen für die Kommunikation (zwischen Geräten, Mensch und Anlage, Anlage und Anlage) CPS Marktplatz der Produktionseinheiten Architekturmodelle (Referenzarchitektur) für eine Klasse von Aggregaten/Modulen in Bezug auf Eigenschaften, Fähigkeiten, Schnittstellen Intelligente Produkte und Produktionseinheiten Produktionseinheiten mit inhärenten Fähigkeiten Datenanalyse von Prozess- und Alarmdaten und Verknüpfung mit Engineeringdaten Flexible Produktionseinheiten, adaptierbar auf geänderte Produktanforderungen, erlauben auch strukturelle Änderungen Beschreibung von Produkt- und Betriebsmitteln, z.b. Ontologien, zur eigenständigen Analyse, Darstellung, Organisation und Ausführung eines Produktionsablaufes In Anlehnung: B. Vogel-Heuser, G. Bayrak, U. Frank: Forschungsfragen in "Produktautomatisierung der Zukunft". acatech Materialien Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 5

6 Gliederung Agentenbasierte Kopplung als Basis für Industrie 4.0- ein Migrationskonzept 1. CPS und Industrie 4.0- was ist das? 2. Agentennetzwerk für die verteilte Produktion 3. Agentennetzwerk RIAN für die Roboterkooperation 4. Lessons Learned Industrie 4.0- Agentenbasierte Migration Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 6

7 , IFAK, IFAT, IAS Offener Demonstrator my joghurt Beschreibung der Symbole Anlagenproduktion CPS Simulierte Produktion Joghurterstellung Joghurtveredelung Deckelgravierung Abfüllung Kundenagent Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 7

8 , IFAK, IFAT, IAS Kundenportal my joghurt CPS 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 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 8

9 , IFAK, IFAT, IAS Ablauf der Produktionssteuerung CPS Kunde erteilt Auftrag Auftrag in Teilaufträge aufteilen Kosten und Termine für Teilaufträge von Anlagen einholen Ablaufplan (neu) erstellen Teilaufträge (neu) vergeben Produktion beobachten (Operator und Kunde) z.b. Automatische Störungsbehandlung Statusinformationen versenden Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 9

10 , IFAK, IFAT, IAS Modelle zur Klassifizierung von Produkten & Prozessen P1 P2 P5 CPS P3 Joghurtherstellung O11 P7 B11 Gäranlage T11 Deckelgravierung O13 Fräsanlage T13 Product P4 Joghurtveredelung O12 P8 B12 Mischanlage T12 P9 B13 Handling and Conditioning, P10 Abfüllung O14 Abfüllanlage T14 Packing materials P6 B14 0..* Produkt 1 0..* Merkmal Bottles Prozess 1 0..* Merkmal Caps or Tops * Ressource 1 0..* 1 0..* Merkmal Formalisierte Prozessbeschreibung 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 Gravierter Deckel nach UNSPSC Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 10

11 Szenario: Selbstadaption der Produktionsanlage Agent Management System (AMS) Agentenverzeichnis Agent A: Adresse A Directory Facilitator (DF) Diensteverzeichnis Agent A: Fähigkeit 1, Fähigkeit 2 CPS Message Transport System (MTS) Botschaftsverzeichnis (ACL) Fähigkeit 1: Botschaft A, B, C, D, E Kunden- Agent Agent Lokales Netzwerk oder Internet Agent A Agent B Service- Anbieter- Agent Agent Plattform A Dunkle Schokolade Plattform B Helle Schokolade Auslagern Einlagern Transportieren Transportieren Befüllen1 Befüllen2 Transportieren Quelle: B. Vogel-Heuser: Herausforderungen und Anforderungen aus Sicht der IT und der Automatisierungstechnik. In: Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik, Springer, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 11

12 CPPS A CPPS B CPPS C z.b. OPC z.b. C++ AIS, IFAK, IFAT, IAS Kommunikation innerhalb CPPS mittels Agenten CPS I4.0 Agentensystem I4.0 Cloud Agent Management System (AMS) Agentenverzeichnis Agent A: Adresse A Agent B: Adresse B Message Transport System (MTS) Botschaftsverzeichnis (ACL) Fähigkeit 1: Botschaft A, B, C, D, E Fähigkeit 2: Botschaft X, Y, Z Directory Facilitator (DF) Diensteverzeichnis Agent A: Fähigkeit 1, Fähigkeit 2 Agent B: Fähigkeit 2, Fähigkeit 3 Kunden- Kunden- Agent Agent Koordinations- Anbieter- Agent Agent z.b. C# Anlagenagent Lokales Netzwerk oder Internet Anlagenagent Anlagenagent z.b. C++ z.b. IEC Demonstrator A Demonstrator B Demonstrator C 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, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 12

13 , IFAK, IFAT, IAS Multi-Agenten basierte CPPS-Architektur CPPS Compound (Multi-Agent System) CPPS Cloud (Infrastructure) Customer Agent CPS CPPS Agent Management System Agent A: Adresse A Agent B: Adresse B CPPS Message Transport System Agent A, Message A Agent 3, Message D CPPS Directory Facilitator Agent A: Cap1, Cap2 Agent B: Cap2, Cap3 Coordination Agent PLC Interface JULE Interface JADE Interface C MAS ITF CommAgent SysAgent ProcAgent A CPPS ITF PLC ITF MTS AMS DF MES Agent CPPS ITF MTS AMS DF Plant Agent B Plant Agent Module Agent 1 Module Agent n Sensor Agent CPS E (C) Smart Sensor CPPS A (PLC) CPS B (C#) CPPS C (JADE) CPPS D (C) Prod. System A Service Provider Prod. System C Prod. System D Demonstrator A Demonstrator B Demonstrator C Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 13

14 Szenario: Informationsaggregation für die Wartung Rolle-Kontext-Individuum HMI mit AR und Touch AIS CPS Touch-Interaktionsgestützte Gestensteuerung auf mobilen Endgeräten Augmented Reality zur Unterstützung bei Wartung, Optimierung und Instandhaltung von industriellen Anlagen Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 14

15 Gliederung Agentenbasierte Kopplung als Basis für Industrie 4.0- ein Migrationskonzept 1. CPS und Industrie 4.0- was ist das? 2. Agentennetzwerk für die verteilte Produktion 3. Agentennetzwerk RIAN für die Roboterkooperation 4. Lessons Learned Industrie 4.0- Agentenbasierte Migration Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 15

16 Status Übertragung der Architektur für einen Messedemonstrator auf der Automatica Angebot Auftrag Anfrage Status Auftrag AIS Kunde Messestände/Bearbeitungsschritte Koordinator Anlage Anlage Anlage Roboter Anlage Anlage Schunk Lager Mein Text Laserbearbeitung Reis Fanuc Fanuc Beckhoff/ Spritzgießen Laser- AIS Gravieren Verpackung Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 16

17 Robot Integrated Agent Network (RIAN) Gemeinsame Live-Produktion vieler Unternehmen mit heterogenen Steuerungsarchitekturen Einsatz und Vorstellung unterschiedlichster Hardware Verschiedene Betriebssysteme (Windows, Fanuc-OS, Linux) und Plattformen Herstellung verschiedenster Produkte Robot Integrated Agent Network (RIAN) des Lst. AIS bietet die Möglichkeit Anlagen auf Steuerungsebene zu vernetzen Nutzung dieser Kompetenz zur Verknüpfung verschiedener Produktionsschritte Auftragsmanagement durch das Agentennetzwerk Vernetzung der Produktionsstandorte (Messestände) durch eine Netzwerkverbindung über das Internet und ein Roboter- Transportsystem Ergebnis Nutzung der Synergien und Kernkompetenzen mehrerer Unternehmen zur Herstellung eines individualisierten Flaschenöffners Mobiler AIS-Roboter Individualisierter Flaschenöffner Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 17

18 Szenario dynamisch vernetzte Produktion Ablauf Auftrag durch Kunden Auftragsverteilung Anfrage der Anlagen bzw. Roboter Scheduling der Reihenfolge und Zuordnung der Teilproduktherstellung Ausführung Begleitende Auftragssteuerung mit Beobachtung der Zustände Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 18

19 RIAN-Konzept Kommunikation Anlagenagent Mindestens vier Botschaften für Szenario 1 nötig: Angebote für Bearbeitung/ Transport Flaschenöffner anfordern (1) Angebot mit Produktions-/ Transportzeit zurück geben (2) Aufträge für Produktion/ Transport des Flaschenöffners vergeben (3) Auftrag bestätigen (4) Zusätzliche Botschaften für Verzeichnisse Anmeldung / Abmeldung Anfragen Plattformunabhängig in C (auch auf µc) Bibliothek für Agenten Ausschnitt der Nachrichtenspezifikation Grundlegender Aufbau Beispiel Anmerkung ACL Format JPP2 Sequenznummer 23 Conversation-id Header Nachrichtenlänge - Absender Sender Sender Aktion RETURN Performative Payload Daten; 123; Content Koordinator Anlagenagent Lasergravur Anlagenagent Laser Anlagenagent Spritzguss Anlagenagent Lager Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser Anlagenagent Verpackung (Verhaltes des Internets nicht-deterministisch) Roboteragent 1 7

20 Gliederung Agentenbasierte Kopplung als Basis für Industrie 4.0- ein Migrationskonzept 1. CPS und Industrie 4.0- was ist das? 2. Agentennetzwerk für die verteilte Produktion 3. Agentennetzwerk RIAN für die Roboterkooperation 4. Lessons Learned Industrie 4.0- Agentenbasierte Migration Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 20

21 Lessons Learned Industrie 4.0- Agentenbasierte Migration Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 21

22 Offene Plattform für Agentenbasierte Migration zu I 4.0 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: agents-automatica@ais.mw.tum.de Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 22

23 , IFAK, IFAT, IAS Literatur 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, Frank, U.; Papenfort, J.; Schütz, D.: Real-time capable software agents on IEC systems Developing a tool supported method. In: Proc. of 18th IFAC World Congress, Mailand, Italien, 2011, S 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, 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, 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 Wannagat, A.: Entwicklung und Evaluation agentenorientierter Automatisierungssysteme zur Erhöhung der Flexibilität und Zuverlässigkeit von Produktionsanlagen. Dissertation, Technische Universität München, Witsch, D.; Vogel-Heuser, B.: PLC-Statecharts: An Approach to Integrate UML-Statecharts in Open-Loop Control Engineering Aspects on Behavioral Semantics and Model-Checking. In: 18th World Congress of International Federation of Automation Control (IFAC), Mailand, Italien, Vogel-Heuser, B.; Kormann, B.; Tikhonov, D.; Rösch, S.: Automatisierter modellbasierter Applikationstest für SPS Steuerungsprogramme auf der Basis von UML. In: at - Automatisierungstechnik Methoden und Anwendungen der Steuerungs-, Regelungs- und Informationstechnik. Band 61, Heft 6, Seiten , ISSN (Print) , DOI: /auto , Juni 2013 Vogel-Heuser, B., Folmer, J., Legat, C.: Anforderungen an die Softwareevolution in der Automatisierung des Maschinenund Anlagenbaus, angenommener Beitrag, at Automatisierungstechnik, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 23