ENTWURFSTECHNIKEN FÜR DIE FLEXIBLE VERNETZUNG VON PRODUKTIONSANLAGEN

Transkript

1 ENTWURFSTECHNIKEN FÜR DIE FLEXIBLE VERNETZUNG VON PRODUKTIONSANLAGEN , Jahrestagung der GI-Fachgruppe Architekturen Dr. Matthias Meyer Abteilungsleiter Softwaretechnik Folie 1

2 Standort Paderborn Start im März Mitarbeiter Unsere Herausforderung: Produktkomplexität Zu schließende Lücke Leistungsfähigkeit der Entwicklungsmethoden t Unsere Kompetenzen: Produktentstehung: Fachdisziplinübergreifende Produkt- & Produktionssystemkonzipierung (Systems Engineering), Virtual Prototyping & Simulation, MID Regelungstechnik: Modellbildung & Simulation mechatronischer Systeme, Regelungsentwurf, HiL-Prüfstände und Prototypen Softwaretechnik: Prozesse, Methoden, Tools für die Entwicklung und Qualitätssicherung eingebetteter Software Folie 2

3 Der Weg zu intelligenten technischen Systemen Handlungsbedarf: Entwurfstechnik Mechatronik Folie 3 ID_010

4 Cyber-Physical Systems (CPS) in der Produktion führen zu Industrie 4.0 Übergeordnete Merkmale von Industrie 4.0 Horizontale Integration der Wertschöpfungsnetzwerke Vertikale Integration und vernetzte Produktionssysteme Durchgängigkeit des Engineerings über den gesamten Lebenszyklus Hochgradige Flexibilität und Vernetzung einzelner Produktionsstätten zur Realisierung einer bedarfsorientierten Produktion Variantenreiche, kundenspezifisch individualisierte Produktion mit einem kontinuierlichen (virtuellen) Abbild Engineering bildet Verknüpfungspunkt zwischen Produkt und Produktionssystem und nutzt das Verschmelzen der realen und virtuellen Welt Quelle: Arbeitskreis Industrie 4.0 (2012) Folie 4

5 Luftfahrtcluster Hamburg Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe (it s OWL) Effizienz Cluster Logistik Ruhr Software Cluster BioEconomy Cluster Cool Silicon Saxony 15 Spitzencluster in Deutschland Cluster individualisierte Immunintervention CI3 Biotech-Cluster Rhein- Neckar BioRN Forum Organic Electronics Solarvalley Mitteldeutschland Medical Valley EMN Munich Biotech Cluster m4 MicroTec Südwest Elektromobilität Südwest MAI Carbon it s OWL Clustermanagement GmbH

6 Intelligente Technische Systeme interagieren mit dem Umfeld und passen sich diesem autonom an (adaptiv) bewältigen auch unerwartete und vom Entwickler nicht berücksichtigte Situationen in einem dynamischen Umfeld (robust) antizipieren auf Basis von Erfahrungswissen die künftigen Wirkungen von Einflüssen und mögliche Zustände (vorausschauend), berücksichtigen das spezifische Benutzerverhalten (benutzungsfreundlich). it s OWL Clustermanagement GmbH

7 Die grüne Wäscherei Durchgängiges Engineering durch integrative Modellierung von Produkt, Prozess und Produktionsmitteln Modellierung des Wäscheverarbeitungsprozesses Modellierung des Produkts Wäsche Ziel des Projekts ist die ganzheitliche Modellierung und Simulation einer Großwäscherei: Optimierung des Wäscheverarbeitungsprozesses (verkürzte Durchlaufzeit, Ressourceneinsparung) Optimale Auslegung einzelner Produktionsmittel auf Grundlage der spezifischen Belastungssituation durch die Gesamtanlage it s OWL Clustermanagement GmbH Modellierung einzelner Produktionsmittel

8 Dynamische Prozesse und intelligente Fertigung Die Industrie 4.0 Großwäscherei weitergedacht Sprühen Hohe Flexibilität der Anlage Definierte Waschen Schnittstellen für alle Maschinen Dynamische Prozesse leicht umsetzbar Kundenspezifische Reinigung Transport Falten Transport Folie 8

9 Entwicklung von flexibler Steuerungssoftware Herausforderungen Sicherheitskritische Umgebungen Harte Echtzeit-Anforderungen Interaktion mit der physikalischen Umgebung Koordination über asynchronen Nachrichtenaustausch Automatische Anpassung an eine sich ändernde Umgebung Heterogeneses, verteiltes System mit begrenzten Ressourcen Folie 9

10 Referenzarchitektur für Intelligente Technische Systeme Operator-Controller-Module Weiche Echtzeit Nachrichtenbasierte Kommunikation Harte Echtzeit Selbstoptimierung / Planung / Lernen Goal 1 Goal 2 Diskrete Echtzeitsoftware WashingMachine carriagereg Idle Wash Mathematiker Softwaretechniker Regelung Sensoren Aktoren Regelungstechniker Mechaniker Physikalisches System J. Gausemeier, F.-J. Rammig, W. Schäfer (eds.), Design Methodology for Intelligent Technical Systems, Springer, Lecture Notes in Mechanical Engineering, 2014 Folie 10

11 Methode und Werkzeug zur modellgetriebenen Softwareentwicklung Nachrichten-basierte Interaktion m1:washing Machine c1:carriage Echtzeitverhalten pc:plantctrl c2:carriage Systemelemente als Komponenten Rekonfiguration zur Laufzeit Folie 11

12 Methode und Werkzeug zur modellgetriebenen Softwareentwicklung Integration von Reglern m1:washing Machine Wash Controller Nachrichten-basierte Interaktion c1:carriage pc:plantctrl Registration Skalierbare Verifikation von Sicherheitseigenschaften Echtzeitkoordinationsprotokolle Echtzeitverhalten c2:carriage Systemelemente als Komponenten Rekonfiguration zur Laufzeit Folie 12

13 Komponentenbasierte Softwarearchitektur Spezifikation hierarchischer Softwarearchitektur mit Komponenten WashingMachine carriagereg carriagereg main : Machine_Main [1] action status dirtlevel action eff : EfficientWash [0..1] status temp rotation action hygiene : HygieneWash [0..1] status temp rotation Integration von Reglern mit ereignisdiskreter Software Folie 13

14 Echtzeitkoordination w1 : WashingMachine c1 : Carriage Folie 14

15 Echtzeitkoordination Registration machine1 : WashingMachine c1 : Carriage :station carriage station :carriagereg :carriagereg :action mm / main : Machine_Main :status :dirtlevel :action ctrl / eff : EfficientWash :status :temp :rotation S. Becker, S. Dziwok, C. Gerking, C. Heinzemann, S. Thiele, W. Schäfer, M. Meyer, U. Pohlmann, C. Priesterjahn, M. Tichy, The MechatronicUML Design Method Process and Language for Platform-Independent Modeling, Heinz Nixdorf Institute, University of Paderborn, number tr-ri , 2014 Folie 15

16 Echtzeitkoordination buffer size: 1 carriage Registration delay: 2 ms [1] [1] station buffer size: 5 CarriageSC StationSC Formale Spezifikation von zustandsbasiertem Echtzeitverhalten mit Uhren Folie 16

17 Verifikation von Koordinationsprotokollen Überprüfbar sichere Kommunikation Gegenbeispiel Registration buffer size: 1 member delay: 2 ms [1] [1] coordinator buffer size: 1 MemberSC Buffer + Connector CoordSC C. Gerking, Transparent Uppaal-based Verifcation of MechatronicUML Models, Master s Thesis, University of Paderborn, 2013 Model Checking Property Folie 17

18 Rekonfiguration der Komponentenarchitektur Registration machine1 : WashingMachine c1 : Carriage :station carriage station :carriagereg :carriagereg :action mm / main : Machine_Main :status :dirtlevel :action ctrl / eff : EfficientWash :status :temp :rotation S. Becker, S. Dziwok, C. Gerking, C. Heinzemann, S. Thiele, W. Schäfer, M. Meyer, U. Pohlmann, C. Priesterjahn, M. Tichy, The MechatronicUML Design Method Process and Language for Platform-Independent Modeling, Heinz Nixdorf Institute, University of Paderborn, number tr-ri , 2014 Folie 18

19 Rekonfiguration der Komponentenarchitektur WashingMachine::switchToHygiene() this m / main : Machine_Main :dirtlevel :action ew / eff : EfficientWash :action :status «destroy» «create» «destroy» «destroy» :status :temp :rotation «create» :action hw / hygiene : HygieneWash «create» :status :temp :rotation Formale Spezifikation von Rekonfiguration über In-Place Modelltransformationen basierend auf Graphtransformationen Folie 19

20 Hybride Systemsimulation pc: PlantCtrl :machine :plant machine1: WashingMachine :carriagereg :station c1: Carriage Environment Model Software interagiert mit physikalischer Umwelt Regler und Umgebung basieren auf zeitkontinuierlichen Werten Hybride Verifikation kann realistische Modelle nicht verifizieren Lösung: MIL-Simulation des Systems in COTS-Simulationswerkzeug MATLAB/Simulink, Dymola/Modelica plus Unterstützung für Rekonfiguration + Asynchrone Kommunikation Folie 20

21 Plattformspezifische Realisierung Herausforderungen Weitreichende Vernetzung von Systemen Rekonfigurierbarkeit und Echtzeitfähigkeit Dynamisches Verhalten Kommunikations -system Selbstoptimierung / Planung / Lernen Goal 1 Goal 2 Diskrete Echtzeitsoftware WashingMachine carriagereg Idle Wash Heutiger Stand Manuelle Implementierung Statische Vernetzung der Systeme Hoher manueller Implementierungs-, Portierungs- und Konfigurationsaufwand Regelung Sensoren Aktoren Physical System Folie 21

22 Plattformspezifische Realisierung Verbundprojekt Intelligente Vernetzung Konnektivität (Real-Time) Communication Channel 1..n Ad-hoc Configuration Channel Middleware Routing Discovery Security Information Model Selbstoptimierung/Planung/Lernen Diskrete Echtzeitsoftware Regelung Goal 1 Goal 2 WashingMachine carriagereg Idle Wash Sensoren Aktoren (Real-Time) Operating System Physikalisches System Folie 22

23 Zusammenfassung Die flexible Produktion von morgen setzt intelligente, vernetzte Anlagen voraus Kommunikation und hohe Dynamik müssen fehlerfrei umgesetzt werden Erfordert leistungsfähige Entwurfstechniken Referenzarchitektur Operator-Controler-Module MechatronicUML Plattformunabhängige Modellierung von Steuerungssoftware Fokus Echtzeitkoordination, Reglerintegration, Rekonfiguration Verifikation und Simulation zur frühen Validierung Plattformspezifische Realisierung Folie 23

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr. Matthias Meyer Abteilungsleiter Softwaretechnik Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie Projektgruppe Entwurfstechnik Mechatronik Zukunftsmeile Paderborn Telefon: Fax: matthias.meyer@ipt.fraunhofer.de Folie 24