Ein Kommunikationssystem für die Zellulare Fördertechnik

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1 Ein Kommunikationssystem für die Zellulare Fördertechnik Regionalgruppenveranstaltung Dipl.-Ing. Peter Tenerowicz Böblingen, fml - Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner Technische Universität München Campus Garching Fakultät Maschinenwesen Lehrstuhl fml fml Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. Willibald A. Günthner 48 Mitarbeiter 20 Planstellen 28 Drittmittelstellen Aufgaben Forschung Lehre Industrieprojekte Lehre Forschung Industrieprojekte 2 1

2 Forschungsprofil Arbeitsgebiete: Automatisierung & Identifikation Berechnung & Auslegungsverfahren Digitale Werkzeuge & Simulation Methoden & Konzepte Forschungsschwerpunkte: Wandelbare Materialflusssysteme Internet der Dinge RFID in der Logistik Virtual und Augmented Reality Logistikplanung Automobillogistik Baulogistik Fördermittel der Intralogistik Lager- & Komissioniersysteme Kranbau & Tragwerksberechnung FEM & MKS-Berechnungsverfahren Schüttgutförderung 3 Forschungsprofil Arbeitsgebiete: Automatisierung & Identifikation Berechnung & Auslegungsverfahren Digitale Werkzeuge & Simulation Methoden & Konzepte Forschungsschwerpunkt: Lager- & Kommissioniersysteme 4 2

3 Forschungsprofil Arbeitsgebiete: Automatisierung & Identifikation Berechnung & Auslegungsverfahren Digitale Werkzeuge & Simulation Methoden & Konzepte Forschungsschwerpunkt: Logistikplanung 5 Forschungsprofil Arbeitsgebiete: Automatisierung & Identifikation Berechnung & Auslegungsverfahren Digitale Werkzeuge & Simulation Methoden & Konzepte Forschungsschwerpunkt: Virtual und Augmented Reality 6 3

4 Forschungsprofil Arbeitsgebiete: Automatisierung & Identifikation Berechnung & Auslegungsverfahren Digitale Werkzeuge & Simulation Methoden & Konzepte Forschungsschwerpunkt: RFID in der Logistik 7 Forschungsprofil Arbeitsgebiete: Automatisierung & Identifikation Berechnung & Auslegungsverfahren Digitale Werkzeuge & Simulation Methoden & Konzepte Forschungsschwerpunkt: Internet der Dinge 8 4

5 Forschungsprofil Arbeitsgebiete: Automatisierung & Identifikation Berechnung & Auslegungsverfahren Digitale Werkzeuge & Simulation Methoden & Konzepte Forschungsschwerpunkt: Wandelbare Materialflusssysteme 9 Agenda Zellulare Fördertechnik Fahrzeug- und Sensormodelle Ausblick und Diskussion 10 5

6 Herausforderungen für die Intralogistik Die Märkte ändern sich Sinkende Produktlebenszyklen Steigende Variantenanzahl Kaum prognostizierbare Auftragseingänge Abnehmende Kundentreue Hohe Anforderungen an Qualität, Kosten und Zeit Immer komplexere Systeme Produktion und Logistik müssen dem gerecht werden Höhere Dynamik Höhere Flexibilität Höhere Transparenz Höhere Robustheit Wandlungsfähigkeit 11 Vorbilder aus der Natur? 12 6

7 Entsprechungen in der Intralogistik Trends zur Komplexitätsbeherrschung Modularisierung, Dezentralisierung Verteilung & Senkung von Komplexität (Teil-)Autonome Fördertechnik Einsatz & Wiederverwendung von Standardkomponenten Zahlreiche Forschungs- und Industrieprojekte 13 Zellulare Fördertechnik Eigenschaften einer zellularen Fördertechnik* Domäne RFID Intelligente Objekte Fördertechnikmodule Dienste-Set Objekte bzw. durch sie instanziierte Agenten fordern (Transport-)Dienste an Emergenz führen Verhandlungen/Auktionen durch verfolgen ein vorgegebenes Ziel ( Mission ) Topologieflexibilität Analogien zu zellularen Automaten organische Wachstumsmöglichkeiten * basierend auf Zellulare Fördertechnik, M. ten Hompel, Logistics Journal,

8 Forschungsprojekt Algorithmen und Kommunikationssysteme für die Zellulare Fördertechnik Dortmund fml - Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik München 15 Forschungsprojekt Vision Substitution klassischer Stetigfördersysteme durch ein Fahrzeugkollektiv, welches autonom oder kooperativ logistische Aufgaben erfüllt Nutzen Erhöhte Flexibilität und Skalierbarkeit durch kleinskalige Elemente Hohe Robustheit und gute Wartbarkeit durch redundante Förderelemente Theoretisch: Quelle-Senke-Verbindung auf kürzestem Weg Projektziele Praxisgerechte Algorithmen für fördertechnische Anlagen auf Basis eines kooperierenden Fahrzeugkollektivs inkl. Simulationsumgebung Entwicklung eines Kommunikationssystems für den schnellen und sicheren Datenaustausch zwischen den Einheiten 16 8

9 Forschungsprojekt Referenzszenario Distributionszentrum Bereichsübergreifender Fahrzeugeinsatz Fahrzeugschwarm realisiert die Prozesse Fördern Verteilen/Zusammenführen Puffern Sortieren Wareneingang Depalettieren/Umverpacken Warenlager Kommissionierzone Versand Warenausgang Logistische Prozesse Eignung ZFT Kommissionieren - Fördern ++ Handhaben o Lagern - Prüfen o Puffern + Sortieren + Transportieren* - Verpacken - Verteilen/Zusammenführen ++ *über weite Strecken in Anlehnung an VDI-Richtlinie Forschungsprojekt Potenzial eines bereichsübergreifenden Einsatzes Kapazitätsbetrachtung Menge [KLT] Zeit 18 9

10 Agenda Projektdarstellung Zellulare Fördertechnik Bisherige Fahrzeug-Ergebnisse und Sensormodelle Weiteres Kommunikation Vorgehen im Schwarm und offene Fragen Ausblick und Diskussion 19 Fahrzeug- und Sensormodelle Hardware-Abstraktion/Simulationsumgebung Player Device Server für Sensoren und Aktoren Hardware-Abstraktionsschicht für Roboter Implementiert ein Client-Server-Modell Programmiersprachen: C, C++, Python, (Java) Hindernis Hindernis Laserscanner Messwerte des Laserscanners Stage 2D, Multi-Roboter-Simulator Fahrzeug Sensormodelle Hallenwand geplante Bahn mit Hüllkurve Gazebo 3D, Multi-Roboter-Simulator Robot Hardware Player Server Player Client Library physikalisches Fahrzeugmodell Stage Simulator Gazebo Simulator Player Server Player Server C/C++ C# Java Tcl Python Ruby Lisp Octave User Program Algorithmen Quelle: Player TutorialCenter for Robotics and Embedded Systems 20 10

11 Fahrzeug- und Sensormodelle Algorithmen Bahnplanung Anfahren einer Zielpose Berechnung einer geeigneten Kurve Kein Ausweichen bei Hindernissen Abbruch bei hinreichend kleinem Winkel- und Distanzfehler Punktsequenzen Abfahren einer gegebenen Punktsequenz ohne Vorgabe einer Ausrichtung Regler für den Winkelfehler Regler für den Distanzfehler Abbruch bei hinreichender Annäherung an einen Zielpunkt Reaktion auf Hindernisse Kollisionsvermeidung Das Fahrzeug ist in Bewegung mit einem aktuellen Bahnradius In der Hüllkurve liegt mindestens ein Hindernis Es wird zunächst von einem Laserscanner ausgegangen Quelle: Player/Stage/Gazebo, CS 485/511, Drexel University 21 Agenda Zellulare Fördertechnik Fahrzeug- und Sensormodelle Ausblick und Diskussion 22 11

12 Kommunikation Kommunikation ist die Aufnahme, der Austausch und die Übermittlung von Informationen zwischen zwei oder mehreren Personen. Kommunikationsmodell nach Shannon/Weaver NACHRICHT SIGNAL EMPFANGENES SIGNAL NACHRICHT INFORMATIONS- QUELLE SENDER EMPFÄNGER ZIELPUNKT STÖRQUELLE 23 Anforderungen Steuerung der einzelnen Fahrzeuge benötigt zugeschnittene Informationen Informationen werden von einem Kommunikationssystem zur Verfügung gestellt Strukturelle Anforderungen: Skalierbarkeit, Topologie, (Energieeffizienz) Anforderungen hinsichtlich Durchsatz und Latenz (abhängig von benötigten Daten) Energie 1 Topologie Latenz 0 Skalierbarkeit Durchsatz 24 12

13 Weitere Herausforderungen für das Kommunikationssystem Leistungsanforderungen (Durchsatz, Auftragsdurchlaufzeit) Störsicherheit, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit Industrielles Umfeld Koexistenz mit anderen Kommunikationssystemen Kommunikationssystem Wirtschaftlichkeit, Anbieterunabhängigkeit Offene Struktur (keine proprietäre Lösung) Mobilität der Sende-/ Empfängereinheiten Drahtlose Kommunikation (überwiegend) 25 Bisherige Ergebnisse Kommunikationssystem Anforderungen Art der benötigten Informationen Kommunikationstechnologien Informationsübertragung Protokolle Kommunikationssystem 26 13

14 Art der benötigten Informationen Beispiel FTF Information Datentyp Datenmenge Transportauftrag/-änderung String/Integer 23 Byte Vollzugsmeldung (positiv oder negativ) Boolean 1 Bit Transportabbruch Boolean 1 Bit Meldung Abbruchart Boolean/Integer 1 Bit/1Byte Betriebsart setzen (an, aus) Boolean 1 Bit Statusmeldung (warte, beschäftigt etc.) Boolean/Integer 1 Bit/1Byte Störmeldung (Störung melden, Art der Störung) Boolean/Integer 1 Bit/1Byte Steuerungsparameter String 4 Byte Start-/Stoppsignal (z.b. für Antrieb und Lenkung) Boolean 1 Bit Soll-Wert (z.b. für Antrieb und Lenkung) Integer 1 Byte Zustandssignal (z.b. für Antrieb und Lenkung) Boolean 1 Bit Ist-Wert (z.b. für Antrieb und Lenkung) Integer 1 Byte Freigabe String 10 Byte Quelle: VDMA Dezentrale Steuerung (IdD): Zusätzlicher Kommunikationsbedarf für Navigation und Verhandlungen Matrix.xml: Byte Auftrag.xml: Byte 27 Dezentraler Steuerungsablauf Standardvorgehen 1.TE bestimmt den nächsten Workflowschritt 2.TE sucht Module, die diese Funktion anbieten 3.TE fordert von diesen Modulen ein Angebot an 4.TE sucht die günstigste Alternative aus 5.TE lässt sich zum neuen Ziel transportieren 28 14

15 Vergleich der Prinzipien Peer-to-Peer und Blackboard Peer-to-Peer Blackboard Statusmeldung Aufträge Quittierungen Status- und Fehlermeldungen Auftrag Gesprächspartner muss bekannt sein / gesucht werden Datenkonsistenz, Synchronisation schwer zu gewährleisten Globale Daten nur über Fluten des Netzwerks +Komplett dezentral: redundant, robust +Kommunikationslast auf alle Entitäten gleichmäßig verteilt + Sender und Empfänger müssen sich nicht kennen + Datenkonsistenz, Synchronisation implizit gegeben + Alle Daten zentral verfügbar Zentraler Ansatz: Single-Point-of-Failure Bottleneck 29 Kombination der zwei Prinzipien Peer-to-Peer Sender & Empfänger stehen fest Daten werden nicht für zentrale Aufgaben (Visualisierung, Optimierung, Systemüberwachung) benötigt Z.B. Schaltaufträge, Lastwechselkoordination, Auftragsverhandlungen Blackboard Empfänger unbekannt Zentrale Verfügbarkeit der Daten nötig Z.B. Topologie, Reservierungen, Status-/Fehlermeldungen, Transportaufträge (Auktion) 30 15

16 Informationsklassifizierung Blackboard (BB) Echtzeitkritisch* - Sensordaten - Navigation - Status-/Fehlermeldungen Nicht echtzeitkritisch - Transportaufträge - Visualisierungsdaten - Datalogging - Topologie - Reservierungen Anzahl Empfänger Peer-to-Peer - Kollisionsvermeidung - Lastwechselkoordination - Schaltaufträge - Auftragsverhandlungen * weiche Echtzeit 31 Bisherige Ergebnisse Kommunikationssystem Anforderungen Art der benötigten Informationen Kommunikationstechnologien Informationsübertragung Protokolle Kommunikationssystem 32 16

17 Bisherige Ergebnisse Datenanalyse & Kommunikationsinfrastruktur Funkstandards Frequenzband [MHz] Sendeleistung [mw] Bandbreite [MHz] Zugangsverfahren Datendurchsatz (nominell/effektiv) [kbit/s] parallele Funkstrecken adressierbare Teilnehmer IEEE IEEE IEEE WLAN Bluetooth ZigBee ZigBee WirelessHART ISA100.11a? SRD DECT GSM UMTS k. A. > , ,025 1 Zellulare 5 Fördertechnik CSMA/CA TDMA CSMA/CA CSMA/CA TDMA TDMA TDMA = Indoor-Anwendung WCDMA k. A. 20 k. A k.a. k.a. k.a ca herstellerabhängig unabhängig (EDGE) 53, (HSDPA) 384 Zeit Verbindungsaufbau[s] <1 3 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 3 Eignung mobile Teilnehmer ausgewählte ja Standards ja jadetailliert jahinsichtlich Eignung ja untersuchen nein ja ja ja etc.... für eigenen Anwendungsfall konfigurieren 33 Koexistenz von Funksystemen in der Automatisierungstechnik Funkplanung erforderlich Drahtlose Kommunikation auf ein sinnvolles Mindestmaß reduzieren Quelle: ZVEI 34 17

18 Weiterentwicklung Blackboard-Prinzip Problemstellungen Blackboard: - Zentraler Ansatz: Single-Point-of-Failure - Bottleneck Dezentralisierung durch den Einsatz mehrerer Blackboards Redundanz Spezialisierung der Blackboards (funktional, räumlich) geringeres Datenvolumen? zusätzliche Funktionen der Synchronisation (systemweite Datenkonsistenz) Entwicklung von Algorithmen zur automatisierten Duplizierung von Daten Zugriffs- und Auslastungsstatistik 35 Spezialisierte Blackboards Bereich 2 Bereich 1 Positionsdaten 36 18

19 Anbindung an übergeordnete Systeme Zusätzliche Anforderung: Anbindung der Materialflusssteuerung an externe Systeme (z.b. WMS, ERP) Blackboard kann als Gateway fungieren WMS Schnittstelle Gateway- Agent Lagerverwaltung Materialflusssteuerung Kommunikationssystem 37 Kommunikationssystem Leitsystem (z.b. WMS, ERP) Identifikation Blackboardsystem Aufträge RFID Intelligente Objekte Blackboard Agent auf PC auf Embedded PC am Behälter drahtlos Softwaredienste Peer-to-Peer Fördertechnikmodul Fahrzeug interne Kommunikation (Sensorik, Aktorik) externe Kommunikation (WLAN, ZigBee, WH) Peer-to-Peer drahtlos Fördertechnikmodul Peripherie 38 19

20 Agenda Zellulare Fördertechnik Fahrzeug- und Sensormodelle Ausblick und Diskussion 39 Ausblick und Diskussion Materialflusssysteme müssen dynamischer, robuster, flexibler und vor allem wandlungsfähig werden Das Internet der Dinge ist eine dezentrale, hierarchielose Materialflusssteuerung Es besteht aus standardisierten, intelligenten Entitäten Der Einsatz von Standardkomponenten ist mit der Umsetzung nicht standardisierbarer Abläufe vereinbar Bisher zentral umgesetzte Materialflussstrategien lassen sich auch dezentral umsetzen Mobile, autonome Module ersetzen in der Zellularen Fördertechnik starre, ortsfeste Stetigfördersysteme Die Zellulare Fördertechnik kann als wandlungsfähiges Fördertechnikmodul im Internet der Dinge eingesetzt werden Quelle: IML 40 20

21 Vielen Dank für das Interesse! Dipl.-Ing. Peter Tenerowicz Tel.: 089 / Fax.: 089 / tenerowicz@fml.mw.tum.de