Agentenbasierte Dynamische Rekonfiguration von vernetzten intelligenten Produktionsanlagen

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1 Agentenbasierte Dynamische Rekonfiguration von vernetzten intelligenten Produktionsanlagen Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser Ordinaria des Lehrstuhls für Automatisierung und Informationssysteme (AIS) Fakultät für Maschinenwesen, Technische Universität München

2 Agentenbasierte Dynamische Rekonfiguration von vernetzten intelligenten Produktionsanlagen 1. Begriffe und Definitionen 2. Smart Products in einer Smart Yoghurt Production mit CPS 3. Technologien und Ansätze zur Realisierung 4. Zusammenfassung und Ausblick Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser Ordinaria des Lehrstuhls für Automatisierung und Informationssysteme (AIS) Fakultät für Maschinenwesen, Technische Universität München

3 Was bedeutet Smart Production Ziele Lean Production Geringe Lagerbestände Flexible Reaktion auf wechselnde Gegebenheiten (Auftragsänderung) Selbstorganisierende Produktion Umsetzung Eigenintelligenz der Fertigungseinheiten durch Cyber-Physical Systems (CPS) Übernehmen dezentral Planung, Koordination und Ausführung der Produktion Selbstständiger Informationsaustausch zwischen Fertigungseinheiten und Werkstücken Produkt Werkstück als Informationsträger Verwendung von im Produkt hinterlegten Daten Qualitätssicherung, Wartung und Instandhaltung Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 3

4 Gegenüberstellung Cyber-Physical Systems und Automatisierungstechnik AIS Cyber-Physical Systems Cyber-Physical Systems Automatisierungstechnik Systems of Systems Enterprise Resource Planning (ERP) Intelligente und Kooperative Embedded Systems Intelligente Embedded Systems Embedded Systems Produktionsprozess Quelle (links): 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 Quelle (rechts): M. Broy: Das Internet Innovation ohne Grenzen. Vortrag in: Netzdialog Bayern, München, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 4

5 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 5

6 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 Produktionseinheiten Architekturmodelle (Referenzarchitektur) für eine Klasse von AggregatenModulen 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 6

7 Gliederung Industrie 4.0 Update: Welche neuen Fortschritte, Herausforderungen und Lösungsansätze gibt es? 1. Begriffe und Definitionen 2. Smart Products in einer Smart Yoghurt Production mit CPS 3. Technologien und Ansätze zur Realisierung 4. Zusammenfassung und Ausblick Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 7

8 Ausfall einer Produktionseinheit Erhitzen und Impfung mit Joghurtkultur 1. Einfüllen Joghurt 2. Einfüllen Kugeln Zubringen Logistik nach Produktionsnachfrage Transport Becher Produktionseinheit Schokokugeln Dunkel ProCPS Produktionseinheit Joghurt 1 Produktionseinheit Schokokugeln Weiß Plattform Produktionseinheit Joghurt 2 Produktionseinheit Becher Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 8

9 Ausgangssituation Anlagenkomponenten als Agenten AIS Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 9

10 Gliederung Industrie 4.0 Update: Welche neuen Fortschritte, Herausforderungen und Lösungsansätze gibt es? CPS 1. Begriffe und Definitionen 2. Smart Products in einer Smart Yoghurt Production mit CPS 3. Technologien und Ansätze zur Realisierung Intelligente Produkte und Produktionseinheiten Modellbasierte Entwicklung, Varianten- und Versionsmanagement Mittels Agentensystemen und Ontologien Self healing machine mit Datenanalyse zur Laufzeit Kommunikation und Datendurchgängigkeit intelligente Interfaces Mensch-Maschine-Schnittstelle 4. Zusammenfassung und Ausblick Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 10

11 Technologien Standard- Zugriff auf Prozessdaten Wirelesstechnologie auf Feldebene Quelle: [1] Data analysis Quelle: [2] Optimierungsalgorithmen Augmented Reality Agententechnologien Quelle: [1] Kiesbauer: NAMUR-Hauptsitzung 2012 Sponsor-Vortrag Von der Handdrossel zum smarten Stellgerät, [2] G. König: NAMUR-Hauptsitzung 2012 Sponsor-Workshop Smarte Stellgeräte zukunftssichere Investition heute, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 11

12 Selbstadaption der Produktionsanlage AIS Laufende Produktions -anlage Veränderte Produktanforderungen Hinzufügen von Komponenten zur Laufzeit Integration in Produktionsablauf durch Verhandlung der Agenten CPS Auslagern Transportieren Befüllen1 Transportieren Einlagern Befüllen2 Transportieren Einlagern Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 12

13 Wartungszenario mit Re-Engineering 1. Störungen während des Betriebs Analyse durch Wartungspersonal 2. Abfrage an Datenbank: Technische Dokumente für das Fertigungssystem Durchsatz(links) > Durchsatz(rechts) Fertigungssystem Produktionseinheit 1 Puffersystem Produktionseinheit 2 Wartungspersonal CPS- Plattform CPS Datenbank technische Dokumente 1 2 Stopper Applikationsingenieur Lieferanten Konfiguration Konfiguration 2 CPS-Plattform mit dieser Funktionalität bisher nicht Stand der Technik Erster Schritt zur Realisierung: Semantische Modulbibliothek 3. CPS-Plattform schlägt Puffersystem vor 4. Applikationsingenieur plant und modelliert mittels mcad Anpassung von ecad entsprechend der Änderungen Anpassung der Software entsprechend der Änderungen In Anlehnung: Feldmann, S.; Rösch, S.; Schütz, D.; Vogel-Heuser, B. In: IMS Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 13

14 Verfügbarkeitserhöhung durch Software-Agentenmodelliertes und gelerntes Wissen AIS x(p x1, d x1 ) Agent LB3 w(p w1, d w1 ) Strategie und Ziele Reasoner Wissensbasis Nachricht CPS M1 LB1 LB2 Element Norm wart Time en ieb Betr aler sens1 =tr ue sens3 out Bedi ng =tr ue Ma ßnah me ung einfahre WS ausf WS ahr Siche Fa n en and Zust rer ilsa ve Stempel _hoc out ti me runt Stem pel erf hochf Stem ahren pel a kei hgef n ahr en hren e kri Zust tisc ti me N Aus and her out ot pres >4s sen stempel 1 _ho chf ahr en Element Norm wart Time en ieb Betr aler sens1 =tr ue sens3 out Bedi ng =tr ue Ma ßnah me ung einfahre WS ausf WS ahr Siche Fa n en and Zust rer ilsa ve Stempel _hoc out ti me runt Stem pel erf hochf Stem ahren pel a kei hgef n ahr en hren e kri Zust tisc ti me N Aus and her out ot pres >4s sen 1 stempel chf ahr _ho en u(p u1) Element Norm wart Time en ieb Betr aler sens1 =tr ue sens3 out Bedi ng =tr ue Ma ßnah me ung einfahre WS ausf WS ahr Siche Fa n en and Zust rer ve ilsa Stempel _hoc out ti me runt Stem pel erf hochf Stem ahren pel a kei hgef n ahr en hren e Zust kri tisc me AN and her out us ot pres >4s sen 1 stempel chf ahr _ho en Modulare Architektur Analyse & Diagnose Online Prozess Daten Analyse und Lernen Dynamische Rekonfiguration basis Handlungsraum Wissens- Manuelle Entwicklung LB1 M1 ddt q LB2 dt q LB3 Analyse und Lernen Historischen Prozess Daten In Anlehnung: Wannagat, A.; Vogel-Heuser, B.; 2008a, 2008b, 2010, DFG Projekt AVE Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 14

15 Gliederung Industrie 4.0 Update: Welche neuen Fortschritte, Herausforderungen und Lösungsansätze gibt es? CPS 1. Begriffe und Definitionen 2. Smart Products in einer Smart Yoghurt Production mit CPS 3. Technologien und Ansätze zur Realisierung Intelligente Produkte und Produktionseinheiten Modellbasierte Entwicklung, Varianten- und Versionsmanagement Mittels Agentensystemen und Ontologien Self healing machine mit Datenanalyse zur Laufzeit Kommunikation und Datendurchgängigkeit intelligente Interfaces Mensch-Maschine-Schnittstelle 4. Zusammenfassung und Ausblick Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 15

16 Kommunikation und Datendurchgängigkeit mittels dienstorientierten Architekturmodellen Dienste Dienste Dienste AIS CPS Dienste Dienste Hamburg Aachen Datenbackbone Agenten VPN Magdeburg Dresden Dienste Stuttgart München Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 16

17 Datenaufbereitung für den Menschen Augmented Reality und Touch-Interaktion 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 17

18 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 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 18