Anforderungen wandlungsfähiger Produktionstechnik an die Automation

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1 Anforderungen wandlungsfähiger Produktionstechnik an die Automation Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jasperneite init - Institut Industrial IT Hochschule Ostwestfalen-Lippe Liebigstrasse 87, D Lemgo juergen.jasperneite@hs-owl.de Fraunhofer IOSB-INA Kompetenzzentrum Industrial Automation Langenbruch 6, D Lemgo juergen.jasperneite@iosb-ina.fraunhofer.de AiF/IHK Fachforum Automatisierung Mehr Intelligenz in der Produktion, 9. September, Lemgo / Institut Industrial IT, Hochschule OWL

2 CENTRUM INDUSTRIAL IT Gründung Mitte 2008 Einzigartiges Zentrum auf dem Gebiet der industriellen Informationstechnologien in NRW Offenes Partnernetzwerk aus Forschungseinrichtungen und Technologieunternehmen Verzahnung von Wissenschaft und Industrie Derzeit hochqualifizierte Spezialisten unter einem Dach

3 CENTRUM INDUSTRIAL IT: Ziele Gemeinsame Gestaltung des Zukunftsfeldes der Informationstechnologie in der industriellen Automatisierungstechnik Entwicklung der Innovationskraft in den erforderlichen Schlüsseltechnologien

4 CENTRUM INDUSTRIAL IT: Das Partnernetzw erk unter einem Dach Markt: Indus trielle Autom atis ierungs technik Systemintegration System-/ Komponentenhersteller OEM, Dienstleistung Forschung.

5 Anforderungen wandlungsfähiger Produktionstechnik an die Automation Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jasperneite init - Institut Industrial IT Hochschule Ostwestfalen-Lippe Liebigstrasse 87, D Lemgo juergen.jasperneite@hs-owl.de Fraunhofer IOSB-INA Kompetenzzentrum Industrial Automation Langenbruch 6, D Lemgo juergen.jasperneite@iosb-ina.fraunhofer.de AiF/IHK Fachforum Automatisierung Mehr Intelligenz in der Produktion, 9. September, Lemgo / Institut Industrial IT, Hochschule OWL

6 Turbulentes Um feld Kurze Produktlebenszyklen Hohe Innovationsgeschwindigkeit Schwankende Nachfrage Hoher Kostendruck Nachfrage kundenindividueller Anlagen Mitbewerber Aus Fernost Schwankende Rohstoffpreise Hohe Komplexität der Produkte Die Vielfalt der Einflußfaktoren, die auf Unternehmen einwirkt, kann bezogen auf die Produktionstechnik nicht mehr vorgedacht werden. Bild: In Anlehnung an: Süss, Wandlungsfähigkeit in der Mikroelektronik, Diskussionsforum Wandlungsfähige Produktionssysteme Garching

7 Ausgangssituation in der Produktion 1) Develop product A Current practice Manufacturing System Design & Build Ramp up Produce A for xxx years Leadtime Product A in market Produktentwicklungszeit durch CAx-Techniken deutlich verkürzt Äquivalent in der Produktionstechnik fehlt noch! 1) Y. Korena, U. Heiselb, F. Jovanec, T. Moriwakid, G. Pritschowb, G. Ulsoya and H. Van Brussele: Reconfigurable Manufacturing Systems, CIRP Annals - Manufacturing Technology, Volume 48, Issue 2, 1999, Pages

8 Zukünftige Vorgehensweise 1) Develop product C Future practice Develop product B Develop product A Reconfiguration Manuf. System Design & Build Ramp up Produce A R U Produce A & B R U Produce B & C Product A in market Anpassungsfähigkeit der Fertigungsausrüstungen an veränderte Fertigungsaufgaben; kürzeste Umrüst- und Inbetriebnahmezeiten 1) Y. Korena, U. Heiselb, F. Jovanec, T. Moriwakid, G. Pritschowb, G. Ulsoya and H. Van Brussele: Reconfigurable Manufacturing Systems, CIRP Annals - Manufacturing Technology, Volume 48, Issue 2, 1999, Pages

9 Wandlungs fähigkeit und Flex ibilität Flexibilität : Alle Handlungsoptionen sind vorausgedacht und eingebaut, vorgesehen Stand der Technik Maschine ist dann wandlungsfähig, wenn sich neue Funktionseinheiten integrieren lassen, die zum Zeitpunkt der Planung noch nicht vorhanden waren (BMBF 2009) Wandlungsfähigkeit = Flexibilität + hohe Reaktionsfähigkeit als Lösungsstrategie für turbulente Märkte [1] [1] P. Nyhuis, G. Reinhart, E. Abele (Hrsg.): Wandlungsfähige Produktionssysteme -Heute die Industrie von morgen gestalten, ISBN:

10 Modulare Mas chinenkonzepte Wandlungsbefähiger: Modulare Maschinenkonzepte (ab 1997 [1]) Konstruktion einer Maschine aus mechatronischen Prozessmodulen. Firmenspezifische Standardisierung von Schnittstellen für Mechanik Elektrik Energiezuführung Kommunikation Software Quelle: Teamtechnik Maschinen und Anlagen GmbH [1] G.Drunk: Wie viel Modularität braucht die Montage? Zehn Jahre modulare Plattformen für Montageanlagen, 2007

11 Dezentrale S teuerungs technik Unterstützt Modularisierung der Anlagenfunktionalität durch Kapselung Wichtige Bausteine, es fehlen jedoch noch Plug-and-Play Mechanismen zur Interaktion! Quelle: Beckhoff Quelle: Phoenix Contact Quelle: WAGO.. Quelle: Siemens Quelle: Lenze

12 CENTRUM INDUSTRIAL IT: Integrierte Lem goer Modellfabrik Versuchsfeld zur experimentellen Erprobung und zur Demonstration ITbasierter Automation Alle IT-Prozesse von der Leitwarte bis zum Sensor Multivendor-Umgebung Unterstützt durch:

13 Unser Verständnis von Wandlungs fähiger Produktions technik Lemgoer Modellfabrik

14 Wandlungs fähige Produktions technik Leitwarte Transport 2 Materiallager Transport 1 Dosieren, Wiegen Abfüllen Transport 3 Wo stehen wir heute? Produktions prozess Lagerung (Pick&Place) Produkt B Produkt A

15 Auswirkungen auf die Automation Herstellen der Netzwerkkonnektivität des neuen Prozessmoduls Hinzufügen oder Verlagern von SW-Modulen Anpassung der IEC Netzwerkvariablen Modulübergreifende Linienfunktionen (z.b. Not-Aus) OPC-Server, Anlagenvisualisierung, Prozessleitsystem.. Manuelle Engineeringaufwände an vielen Stellen notwendig ( X ), Anlage kann in der Zeit nicht produzieren! X X X X

16 Vertikale Integration Durchgängiger Datenaus taus ch s MByte Internet CEO, Administration FuE, Vertrieb Ethernet Ethernet TCP/IP TCP/IP Produktionssteuerung ERP-MES-PPS MES/Leitebene Ethernet TCP/IP Steuerungs-, Feldebene Produktion µs Bits Echtzeit-Ethernet Echtzeit-Ethernet Ind. Kommunikation Horizontale Integration

17 Vertikale Integration (S tand heute) Leit- und MES-Ebene OPC OPC Server Ethernet Nachricht 3 Nachricht 2 SPS Feldbus Nachricht 1 I/O

18 Netzw erkkonnektiv ität hers tellen (1) Quelle: H. Kirrmann, Industrial Networks the way out of the labyrinth, Keynote, IEEE WFCS 2010, Mai 2010, Nancy/Frankreich

19 Netzw erkkonnektiv ität hers tellen (2) Echtzeit-Ethernet ist ein Befähiger für wandlungsfähige Produktionssysteme bietet physikalische Durchgängigkeit Feldebene bis in die Leitebene Echtzeitübertragung im Sub-Millisekundenbereich und hohe Bandbreite für zeitunkritische Anwendungen gleichzeitig. Erlaubt neue Anwendungen und Integration neuer Funktionen, z.b. Bildverarbeitung. Jeder Ethernet-basierte Teilnehmer benötigt eine eindeutige MAC/IP-Adresse vor Start der Kommunikation. Autokonfiguration, z.b. [3] [3] Imtiaz, Jahanzaib; Jasperneite, Jürgen; Weber, Karl; Lessmann, Gunnar; Goetz, Franz-Josef: A Novel Method for Auto Configuration of Realtime Ethernet Networks. In: ETFA2008, Sep 2008

20 Netzw erkkonnektiv ität hers tellen (3) Derzeit 28 verschiedene RTE-Konzepte

21 The dream of one wire through the factory is over Quelle: H. Kirrmann, Industrial Networks the way out of the labyrinth, Keynote, IEEE WFCS 2010, Mai 2010, Nancy/Frankreich

22 Softwareentwicklung in verteilten Autom atis ierungs s trukturen SW-Entwickler von Softwaremodul 1 benötigt Informationen vom SW-Entwickler des Moduls 2 Variablen, Methoden (zentral) Netzwerkvariablen (dezentral) Bei Hinzufügen oder Verlagern von SW-Modulen problematisch. Einsatz einer Echtzeit-Middleware schafft Transparenz im Netzwerk Schnittstellen der anderen SW-Module müssen bekannt sein Wichtiger Schritt, reicht aber noch nicht aus!

23 Modellbas ierte Autom atis ierungs technik Nutzung eines Anlagenmodells als Referenz Programmierung der Steuerungen gegen Modellvariablen und Generierung der Middleware Änderungen an der Automatisierungstechnik werden durch Modellvergleich automatisch ermittelt betroffene Stellen werden informiert

24 Modellbas ierte Autom atis ierungs technik erlaubt Offline-Simulation, Analysen und virtuelle Inbetriebnahme Aspekte einer Anlage werden mit unterschiedlichen Werkzeugen erstellt geeignete Beschreibungs- und Integrationsmittel (Modelica, AutomationML, FDCML.) notwendig Verlagerung des Engineeringaufwands von der Inbetriebnahme in die Entwurfsphase

25 Hightech.NRW Projekt initial Entwurf und Betrieb komplexer Maschinen und Anlagen Frühe formale Verifikation des Anlagenentwurfs (Zeit-Analysen, FMEA, etc.) Frühe Tests von SPS-Programmen (Restbussimulation, Offline Simulation) Verbesserte Diagnose komplexer Produktionsanlagen und technischer Prozesse

26 Zusammenfassung Konzept der Wandlungsfähigen Produktionstechnik wird durch die Automation derzeit noch nicht ausreichend unterstützt! Anforderungen/Lösungsansätze an die Automation: Durchgängiger Datenaustausch zwischen Leit- und Feldebene Kommunikationsstrukturen werden auf lange Zeit heterogen bleiben! Abstraktion von der Kommunikationstechnik und Mobilität von Softwarekomponenten durch z.b. Echtzeit-Middleware (!Standard!). Modellbasierte Automatisierungstechnik Zukünftige Produktionstechnik besteht aus der physikalischen Anlage und einem digitalen Anlagenmodell. Digitales Anlagenmodell ist künftig Quelle und Ziel aller Engineeringschritte.

27 in eigener Sache 10. und in Lemgo