Was sich hinter dem Hype um Industrie 4.0 versteckt. myjoghurt Joghurtproduktion mit cyber-physischen Produktionssystemen

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1 AIS Was sich hinter dem Hype um Industrie 4.0 versteckt myjoghurt Joghurtproduktion mit cyber-physischen Produktionssystemen.at Lehrstuhl für Automatisierung und Informationssysteme (AIS) Fakultät für Maschinenwesen, Technische Universität München

2 Vorstellung des Lehrstuhls Mitarbeiter 20 wissenschaftliche Mitarbeiter 9 Mitarbeiter Technik und Administration Lehrveranstaltungen Grundlagen Informationstechnik (1. und 2. Sem., 8 ECTS) Modellbildung und Simulation (ab 5. Sem., 5 ECTS) zuzüglich Praktikum (4 ECTS) Automatisierungstechnik I, II (I B.Sc. ab 5. Sem., II M.Sc., 5 ECTS) zuzüglich Praktikum (4 ECTS) Industrielle Software-Entwicklung für Ingenieure I, II (I B.Sc. ab 5. Sem./ II M.Sc., 5 ECTS) zuzüglich Praktikum (4 ECTS) Entwicklung intelligenter verteilter eingebetteter Systeme in der Mechatronik (ab 5. Sem., 5 ECTS) zuzüglich Praktikum (4 ECTS) 2

3 Manufacturing Marketing and Sales Acquisition Customer s needs Product planning Product(planned) Product design Product(designed) Product implementation Product(in product set) Further development Product maintenance Spare parts maintenance Product(closed down) 1 Constant Z TransferFcn 0,02 Marketing Request Selling Offer Negotiation 0,04 0,06 Offer X Product 1 z Unit Delay 0,08 Market prognosis Purchase Manufacture Delivery Customer Vendor Shipment 1 Gain 0,1 1 order nr. Shipment Constant2 0,12 1..* 0..* places + + 0,14 delivers 0..* Customer Shipment Step1/ Move_To(destination); Stop 0,16 Order function Move_To(Queue) 1..* Custom Product [destination==0] t 0,18 Wait_for_Start ENTRY() 1 1..* 1 Out1 1..* Product * Zustand start_ pressed LineItem 0..* serial no. 0..* Vendor Product start_pressed Initialize Crane 2 Stamp 1 Product Location 1 stamp_error_occured homing_done homing Initialize stamp_error true stamp_ init_done [destination==1] start_pressed crane_error_occured crane_initialized stamp_initialized start_pressed <<InCycle> EmergencyStop P2 crane_error true true Estop_pressed resolveestop() P3 automatic ready_for_auto ready P2 not_wp_ light P2 WP_light ready sort_non_light mode=auto sort_light t Constant Transfer_Fcn 0 Product Gain Sum fbtransfer_fcn LRIn LROut MUL 1 MUL ADD Constant2 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 t 4 Out1 Zustand t Forschungsgebiete des Lehrstuhls Modell-basierte Entwicklung Rekonfigurierbare verteilte Systeme UML-Editor (CoDeSys 3.4) CoDeSys 3.4 Agent Aktivitäten Klassen Zustände Codegenerierung IEC Editor ST FBS AS AWL LD r1 CFC SIN MUL ST sinus Redundanz Verfeinerung Diagnosemodul Steuerungsmodul Ausführung Operationsbereitstellung MATLAB/Simulink Blockdiagramm Mapping CoDeSys 2.3 CFC/ST (TwinCAT) Evaluation Umweltmodul Rekonfigurationsmodul Interaktion Stateflow Simulink SFC/ST (TwinCAT) Codegenerator Sensoren Anlagenkomponente/ -modul Aktoren Kontinuierliche thermo-hydraulische Presse in der Holzindustrie Druck Distanz R&I-Fließbild Human Factors Qualitätsmanagement /Safety 3

4 AIS Was sich hinter dem Hype um Industrie 4.0 versteckt myjoghurt Joghurtproduktion mit cyber-physischen Produktionssystemen 1. Motivation: Cyber-Physische Produktionssysteme 2. Fallstudie I: Verteilte Rekonfiguration der Produktion in myjoghurt 3. Fallstudie II: Roboterkooperation mit Agentennetzwerk RIAN 4. Unterstützung des Menschen in Cyber-Physical Systems 5. Lessons Learned Industrie 4.0- Agentenbasierte Migration 6. Ausblick und Zusammenfassung 4

5 Von Industrie 1.0 bis Industrie 4.0 Zeitleiste der industriellen Revolutionen 5

6 Gegenüberstellung Cyber-Physical Systems und Automatisierungstechnik AIS Cyber-Physical Systems weltweit verfügbare Daten und Dienste nutzen 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

7 AIS 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

8 AIS 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 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

9 AIS Was sich hinter dem Hype um Industrie 4.0 versteckt myjoghurt Joghurtproduktion mit cyber-physischen Produktionssystemen 1. Motivation: Cyber-Physische Produktionssysteme 2. Fallstudie I: Verteilte Rekonfiguration der Produktion in myjoghurt 3. Fallstudie II: Roboterkooperation mit Agentennetzwerk RIAN 4. Unterstützung des Menschen in Cyber-Physical Systems 5. Lessons Learned Industrie 4.0- Agentenbasierte Migration 6. Ausblick und Zusammenfassung 9

10 AIS, IFAK, IFAT, IAS Offener Demonstrator für die individuelle Joghurtproduktion myjoghurt Beschreibung der Symbole Produktionsanlage CPS Simulierte Produktion Joghurtherstellung Joghurtveredelung Deckelgravierung Abfüllung Customer Agent Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 10

11 AIS, IFAK, IFAT, IAS Offener Demonstrator für die individuelle Joghurtproduktion myjoghurt Beschreibung der Symbole Produktionsanlage CPS Simulierte Produktion Joghurtherstellung Joghurtveredelung Deckelgravierung Abfüllung Customer Agent Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 11

12 AIS, 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 12

13 AIS, IFAK, IFAT, IAS Ablauf der Produktionssteuerung Kunde erteilt Auftrag CPS 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 13

14 CPPS A CPPS B CPPS C z.b. OPC z.b. C++ AIS, IFAK, IFAT, IAS Kommunikation zwischen mehreren 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,

15 AIS Szenario: Selbstadaption in einer 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,

16 AIS, IFAK, IFAT, IAS Modelle zur Klassifizierung von Produkten & Prozessen P2 P5 CPS Joghurtherstellung O11 P7 B11 Gäranlage T11 Deckelgravierung O13 Fräsanlage T13 Product P3 Joghurtveredelung O12 P8 B12 Mischanlage T12 P9 B13 Handling and Conditioning, P4 0 Abfüllung O14 Abfüllanlage T14 Packing materials P6 B14 Bottles Caps or Tops Gravierter Deckel z.b. nach UNSPSC 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 16

17 AIS, 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 Device Agent CPS E (C) Smart Device 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 17

18 AIS Was sich hinter dem Hype um Industrie 4.0 versteckt myjoghurt Joghurtproduktion mit cyber-physischen Produktionssystemen 1. Motivation: Cyber-Physische Produktionssysteme 2. Fallstudie I: Verteilte Rekonfiguration der Produktion in myjoghurt 3. Fallstudie II: Roboterkooperation mit Agentennetzwerk RIAN 4. Unterstützung des Menschen in Cyber-Physical Systems 5. Lessons Learned Industrie 4.0- Agentenbasierte Migration 6. Ausblick und Zusammenfassung 18

19 AIS 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 verschiedenster Produkte Robot Integrated Agent Network (RIAN) vernetzt Anlagen auf Steuerungsebene Verknüpfung verschiedener Produktionsschritte Auftragsmanagement durch Agentennetzwerk Vernetzung der Messestände über Intranet und Roboter- Transportsystem Mobiler AIS-Roboter Individualisierter Flaschenöffner 19

20 AIS Anfrage Auftrag Status Angebot Auftrag Status Adaption der Architektur für Roboterkooperation CPS Kunde Intelligente Datenaufbereitung Kommunikation Architekturmodell Produkte und und für Datendurchgängigkeit den Produktionseinheiten Menschen Messestände/Bearbeitungsschritte Koordinator Anlage Anlage Anlage Roboter Anlage Anlage Lager Mein Text Schunk Reis Fanuc Fanuc Beckhoff/ Laserbearbeitungießen Spritz- Laser- AIS Gravieren Verpackung 20

21 AIS Was sich hinter dem Hype um Industrie 4.0 versteckt myjoghurt Joghurtproduktion mit cyber-physischen Produktionssystemen 1. Motivation: Cyber-Physische Produktionssysteme 2. Fallstudie I: Verteilte Rekonfiguration der Produktion in myjoghurt 3. Fallstudie II: Roboterkooperation mit Agentennetzwerk RIAN 4. Unterstützung des Menschen in Cyber-Physical Systems 5. Lessons Learned Industrie 4.0- Agentenbasierte Migration 6. Ausblick und Zusammenfassung 21

22 Aufbereitung für den Menschen Situation durch CPS Steigende Flexibilität in der Produktion Steigende vertikale und horizontale Vernetzung Intelligente Gerätetechnik Weltweit und jederzeit verfügbare Daten Flut von Prozessinformationen Integration der unterschiedlichen Daten zu nutzbringenden Informationen auf Basis von Wissen und Erfahrung Hohe Belastung des Anlagenbedieners Steigende Fehlerrate bei der Prozessbedienung Wie kann der Mensch besser unterstützt werden? Verbesserte Prozessvisualisierung Handlungsempfehlungen Training 22

23 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 23

24 AIS Was sich hinter dem Hype um Industrie 4.0 versteckt myjoghurt Joghurtproduktion mit cyber-physischen Produktionssystemen 1. Motivation: Cyber-Physische Produktionssysteme 2. Fallstudie I: Verteilte Rekonfiguration der Produktion in myjoghurt 3. Fallstudie II: Roboterkooperation mit Agentennetzwerk RIAN 4. Unterstützung des Menschen in Cyber-Physical Systems 5. Lessons Learned Industrie 4.0- Agentenbasierte Migration 6. Ausblick und Zusammenfassung 24

25 AIS Lessons Learned Industrie 4.0- Agentenbasierte Migration 25

26 AIS Was sich hinter dem Hype um Industrie 4.0 versteckt myjoghurt Joghurtproduktion mit cyber-physischen Produktionssystemen 1. Motivation: Cyber-Physische Produktionssysteme 2. Fallstudie I: Verteilte Rekonfiguration der Produktion in myjoghurt 3. Fallstudie II: Roboterkooperation mit Agentennetzwerk RIAN 4. Unterstützung des Menschen in Cyber-Physical Systems 5. Lessons Learned Industrie 4.0- Agentenbasierte Migration 6. Ausblick und Zusammenfassung 26

27 AIS 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: i40d@ais.mw.tum.de 27

28 AIS, 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, Schütz, D.; Wannagat, A.; Legat, C.; Vogel-Heuser, B..: Development of PLC-based software for increasing the dependability of production automation systems. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2013, no. 9, pp 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 Vogel-Heuser, B., Folmer, J., Legat, C.: Anforderungen an die Softwareevolution in der Automatisierung des Maschinenund Anlagenbaus, angenommener Beitrag, at Automatisierungstechnik, 2013 Vogel-Heuser, B.; Schütz, D.; Frank, T.; Legat, C.: Model-driven Engineering of Manufacturing Automation Software Projects - A SysML-based Approach. Mechatronics, 2014, DOI: /j.mechatronics Vogel-Heuser, B.; Diedrich, C.; Pantförder, D.; Göhner, P.: Coupling heterogeneous production systems by a multi-agent based cyber-physical production system. IEEE International Conference on Industrial Informatics (INDIN), 2014 Pantförder, D.; Mayer, F.; Diedrich, C.; Göhner, P.; Weyrich, M.; Vogel-Heuser, B.: Agentenbasierte dynamische Rekonfiguration von vernetzten intelligenten Produktionsanlagen Evolution statt Revolution. In T. Bauernhansl, M. ten Hompel, & B. Vogel-Heuser (Eds.), Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik (pp ). Springer Fachmedien Wiesbaden