Kollaborative Fertigung mittels eines Multiagentensystems zur Vernetzung anlagenspezifischer Echtzeitsysteme

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1 Kollaborative Fertigung mittels eines Multiagentensystems zur Vernetzung anlagenspezifischer Echtzeitsysteme Daniel Regulin Lehrstuhl für Automatisierung und Informationssysteme (AIS) Fakultät für Maschinenwesen, Technische Universität München

2 Gliederung Kollaborative Fertigung mittels eines Multiagentensystems zur Vernetzung anlagenspezifischer Echtzeitsysteme 1. CPS- Multiagentensystem und Industrie 4.0- Bedeutung 2. Agentennetzwerk für die verteilte Produktion 3. Agentennetzwerk RIAN für die Roboterkooperation Aspekt Echtzeit 4. Lessons Learned Industrie 4.0- Agentenbasierte Migration Daniel Regulin 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 Daniel Regulin 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.) 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 Daniel Regulin 4

5 Technische Merkmale von CPS für die Produktion (ProCPS) Datenaufbereitung für den Menschen Assistenzsysteme für das Engineering Datenaufbereitung, Datenintegration für den Menschen Kommunikation und Datendurchgängigkeit 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 Produktions -einheiten 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 Daniel Regulin 5

6 Gliederung Kollaborative Fertigung mittels eines Multiagentensystems zur Vernetzung anlagenspezifischer Echtzeitsysteme 1. CPS- Multiagentensystem und Industrie 4.0- Bedeutung 2. Agentennetzwerk für die verteilte Produktion 3. Agentennetzwerk RIAN für die Roboterkooperation Aspekt Echtzeit 4. Lessons Learned Industrie 4.0- Agentenbasierte Migration Daniel Regulin 6

7 , IFAK, IFAT, IAS Offener Demonstrator my joghurt CPS Beschreibung der Symbole Anlagenproduktion Simulierte Produktion Joghurterstellung Joghurtveredelung Deckelgravierung Abfüllung Kundenagent Daniel Regulin 7

8 , 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 Daniel Regulin 8

9 Gliederung Kollaborative Fertigung mittels eines Multiagentensystems zur Vernetzung anlagenspezifischer Echtzeitsysteme 1. CPS- Multiagentensystem und Industrie 4.0- Bedeutung 2. Agentennetzwerk für die verteilte Produktion 3. Agentennetzwerk RIAN für die Roboterkooperation Aspekt Echtzeit 4. Lessons Learned Industrie 4.0- Agentenbasierte Migration Daniel Regulin 9

10 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 individueller Produkte Robot Integrated Agent Network (RIAN) vernetzt Anlagen auf Steuerungsebene Verknüpfung verschiedener Produktionsschritte Auftragsmanagement durch Agentennetzwerk Vernetzung der Messestände über Internet und Roboter- Transportsystem Mobiler AIS-Roboter Individualisierter Flaschenöffner Daniel Regulin 10

11 Produktionsprozess Industrie 4.0-Flaschenöffner Halle B4 Spritzgießen Halle A4 Anlagen ID: 3 Fanuc- Steuerung Garching bei München Halle A5 Lager Anlagen ID: 1 Anlagen ID: 2 Reis- Steuerung Laser Simulation Anlagen ID: 4 Verpacken Anlagen ID: 5 Fanuc- Steuerung Beckhoff-Steuerung Lasergravur & Verpackung Daniel Regulin 11

12 4.0 Mein Text Daniel Regulin 12

13 Netzwerkarchitektur Halle B4 Anlagen ID: 3 Fanuc- Steuerung Mobilfunk via Smart Devices Messenetzwerk mit Verbindung zum Internet Garching bei München Server Lst. AIS Halle A5 Spritzgießen Halle A4 WLAN WLAN WLAN Lager Anlagen ID: 1 Anlagen ID: 2 Fanuc- Steuerung Reis- Steuerung eigenes OS weitere Steuerungen WLAN WLAN WLAN WLAN Anlagen ID: 4 Lasergravieren Verpacken Anlagen ID: 5 Beckhoff-Steuerung Daniel Regulin 13

14 Anfrage Status Angebot Auftrag Auftrag Status Adaption der Architektur für Roboterkooperation CPS Kunde Messestände/Bearbeitungsschritte Koordinator Anlage Anlage Anlage Roboter Anlage Anlage Lager Mein Text Schunk Reis Fanuc Fanuc Beckhoff/ Laserbearbeitungießen Spritz- Laser- AIS Gravieren Verpackung Daniel Regulin 14

15 Multi-Agenten basierte CPPS-Architektur für RIAN CPPS Compound (Multi-Agent System) CPPS Cloud (Infrastructure) 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 Customer Agent Coordination Agent PLC Interface Robot Interface Plant Agent Plant Agent Plant Agent MAS ITF MAS ITF Operator Module Agent 1 Module Agent 1 Module Agent 1 CommAgent SysAgent CommAgent SysAgent Smart Device CPS B (C#) Module Agent n Module Agent n Module Agent n ProcAgent ProcAgent CPPS A (Linux) CPPS B (Fanuc-OS) CPPS C (Fanuc-OS) CPPS D (PLC) CPPS E (Linux) Prod. System Reis Prod. System Fanuc-SGM Prod. System Fanuc Laser Prod. System Beckhoff/ AIS Robot System AIS Daniel Regulin 15

16 Zeitliche Einordnung des Agentensystems CPPS Compound (Multi-Agent System) Customer Agent 5-10 Sekunden CPPS Cloud (Infrastructure) 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 1-5 Sekunden Anlagenagent Anlagenagent Roboteragent Agentensystem auf zusätzlicher Hardware (PC) Smart Device Millisekunden Proprietäre Schnittstelle Produktionssystem A Agentensystem auf SPS/ Anlagensteuerung Produktionssystem B Implementierung auf SPS (nicht I4.0-fähig) Mobile Transportroboter Agentensystem auf Embeddedsteuerung 1-10 Millisekunden Daniel Regulin 16

17 RIAN-Konzept Kommunikation Anlagenagent Zusammenfassung der Botschaften AIS/M-Roboter <ID> bereit zum Einfahren in Anlage <ID> Dock <ID> 1 AIS/M-Roboter Botschaften <ID> bereit für Übergabe in Anlage <ID> Dock <ID> 2 Koordinator Anlagenagent Anlagenagent Roboteragent AIS/M-Roboter <ID> hat 1. Endposition Angebote in für Anlage <ID> Dock <ID> erreicht 3 Laser Lager 1 7 Entlade Werkstück in Anlage Bearbeitung/ <ID> Dock <ID> aus Feld <ID> von AIS/M-Roboter Anlagenagent <ID> Anlagenagent Anlagenagent 4 Lasergravur Spritzguss Verpackung Status der Entlade Transport Anlagen Werkstück und <ID> in Anlage <ID> Dock <ID> aus Feld <ID> von AIS/M-Roboter <ID> 5 Roboter AIS/M-Roboter <ID> in Anlage <ID> Dock <ID> fertig entladen 6 1 AIS/M-Roboter <ID> aus Anlage anfordern <ID> Dock <ID> gefahren 7 Belade Realisierung Werkstück des <ID> aus Anlage <ID> Dock <ID> in Feld <ID> von AIS/M-Roboter <ID> 8 Werkstückaustauschs <ID> in Anlage <ID> Dock <ID> fertig beladen 9 AIS/M-Roboter 2. Angebot mit Produktions-/ Freigabe für Werkstück <ID> in Anlage <ID> Dock<ID> 2 10 Transportzeit zurück Merkmal(Text) für Werkstück <ID> anfordern 11 geben Merkmal(Text) Werkstück-auspezifikationen Werkstück <ID> lasern 3 12 Anlagenstatus Anlage <ID> 3. Aufträge für 13 Anlagenstatus Anlage <ID> Produktion/ Merkmal (OK/nOK) Transport 14 4 Auftrag <ID> anlegen mit Merkmal Angebot und des Flaschenöffners <Text> 15 Auftrag Aufträge <ID> stornieren vergeben 16 (Verhaltes des Internets nicht-deterministisch) Auftragsstatus<ID> 17 Auftrag <ID>, Merkmalsliste(an Anlage/ Roboter, Fortschritt, Lieferort, Lieferzeit) 18 Koordination/ Kundeninteraktion Beispiel Auftrag auslösen: Flaschenöffner 4. Auftrag bestätigen Daniel Regulin 17

18 Gliederung Kollaborative Fertigung mittels eines Multiagentensystems zur Vernetzung anlagenspezifischer Echtzeitsysteme 1. CPS- Multiagentensystem und Industrie 4.0- Bedeutung 2. Agentennetzwerk für die verteilte Produktion 3. Agentennetzwerk RIAN für die Roboterkooperation Aspekt Echtzeit 4. Lessons Learned Industrie Daniel Regulin 18

19 Lessons Learned Industrie Daniel Regulin 19

20 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 Daniel Regulin 20