Plug&Produce Von der Vision zur Realität Patrick Zimmermann
Unternehmensvorstellung Software Engineering Analyse Design Implementierung Test und Qualitätssicherung Software zur Steuerung (HMI, PLC, Embedded) zur Verarbeitung (PLM, MES, Fernwartung) Systems Engineering Mechatronische Organisationsberatung Benchmark von Technologien und Tools Mechatronische Modularisierung Projektmanagement Mechatronisches Systems Engineering Projekte in time, on budget Verkürzung von Inbetriebnahme Mechatronische Ausbildung Management Ingenieure Studenten Schüler Kinder 1
Hohe Rekonfigurationsaufwände hemmen die Wandlungsfähigkeit Trends in der Produktion 1,2,3 4,5,6,7 Status Quo WBK 2014 / VDA Massenhafte Fertigung kundenindividueller Produkte ( Mass Customization ) Dynamisierung der Produktlebenszyklen Steigende Anzahl der Produktvarianten Hohe Aufwände bei der Umstellung 90% der Inbetriebnahmezeit entfallen auf Elektrik und Steuerungstechnik Repetitiver Betrieb über lange Zeiträume Wunsch nach flexibler, anpassungsfähiger Produktion Vermeidung von Änderungen an der Anlage Quellen: 1 Abele & Reinhart 2011; 2 Wiendahl et al. 2007; 3 Schuh et al. 2004; 4 VDMA Roboter Statistik 2011; 5 Worlds Robotics 2013 Industrial Robots; 6 Meling 2012; 7 Heldmann & Spur 2014; Bildquelle: produktion.de 2
Hohe Rekonfigurationsaufwände hemmen die Wandlungsfähigkeit Trends in der Produktion 1,2,3 4,5,6,7 Status Quo WBK 2014 / VDA Massenhafte Fertigung kundenindividueller Produkte ( Mass Customization ) Dynamisierung der Produktlebenszyklen Steigende Anzahl der Produktvarianten Hohe Aufwände bei der Umstellung 90% der Inbetriebnahmezeit entfallen auf Elektrik und Steuerungstechnik Repetitiver Betrieb über lange Zeiträume Notwendigkeit eines Systems zur aufwandsarmen Rekonfiguration von Produktionssystemen Quellen: 1 Abele & Reinhart 2011; 2 Wiendahl et al. 2007; 3 Schuh et al. 2004; 4 VDMA Roboter Statistik 2011; 5 Worlds Robotics 2013 Industrial Robots; 6 Meling 2012; 7 Heldmann & Spur 2014; Bildquelle: produktion.de 3
Fähigkeiten Bereitstellung Industrielle Übertragbarkeit Vernetzung Zielsetzung im Forschungsprojekt AKOMI Automatisierte Rekonfiguration in der Mikrosystemtechnik Automatisierte Einbindung von Feldgeräten CPS-Befähigung (Retrofitting) bestehender Anlagen Bereitstellung einer virtuellen Repräsentanz der Anlage Kommunikation mit harten Echtzeitanforderungen möglich Verwendung von industrienahen (etablierten) Standards, Protokollen und vorhandenen Geräten Berücksichtigung der Heterogenität in der Automatisierungstechnik Lösungsneutrale Programmierung von Montageanlagen Austauschbarkeit von unterschiedlichen Produktionsmitteln ohne Anpassung des Steuerungscodes. Einheitliche Bereitstellung von Gerätefunktionalitäten (als Skills) und Geräteeigenschaften Roboter: KUKA AG 4
Forschungsdemonstrator Am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften der TU-München 5
Automatisierte Synchronisation Automatisierte Generierung Grundkonzept einer automatisierten Rekonfiguration mittels CPS Verknüpfung von Produkt-, Prozess- und Maschinendaten Produkt Virtuelles Fabrikabbild CPS-basiertes Fabrikabbild 2 Montageaufgabe 1 Typ identifizieren Halten OT + Halten UT Abgleich-Software Automatisierte... Vernetzung Betriebsmittelauswahl Projektierung 3 Reale Fabrik Fügen: Einpressen Helligkeit messen 6
Betrachtete CPS Aspekte im Forschungsprojekt AKOMI Selbstvernetzung Selbst-Beschreibung (Digital Twin) Aufgabenorientierte Programmierung Selbsteinrichtung??? Cyber-physical System 7
Virtuelle Repräsentanz aller CPS zusammen ergeben virtuelles Fabrikabbild (Re-)Planning Control Visualization Big Data Digital Factory Twin OPC UA OPC UA OPC UA OPC UA PLC PLC Robotics PLC Vision Systems PLC Other CPS Digital Factory Twin H D D SD SD Digital Factory Twin H D D SD SD Digital Factory Twin H D D SD SD Drivers Plug & Produce Software Drivers Plug & Produce Software Drivers Plug & Produce Software Virt.Rep. Virt.Rep. Virt.Rep.? Host (e.g. PLC) CCD?? Host (e.g. PLC) CCD?? Host (e.g. PLC) CCD? CCD CCD CCD CCD CCD CCD Sub- Sub- Sub- Sub- Sub- Sub- 8
Vision I4.0: Auflösung der klassischen Automatisierungspyramide Heterogene Protokolle erfordern Gateway Quelle: B. Heinrich, P. Linke, M. Glöckler Grundlagen Automatisierung (2015) Aber im Rahmen von I4.0 Forderung nach horizontaler und vertikaler Vernetzung durch Verwendung einer einheitlicher Schnittstelle (sowohl Technologie als auch Metamodell) 9
Von der Automatisierungspyramide zur CPS-basierten Automation Betriebsleitebene Unternehmensleitebene Prozessleitebene Steuerungsebene Feldebene klassische Automatisierungspyramide Quelle: www.vdi.de Stellungnahme Cyber-Physical Systems CPS-basierte Automation mit verteilten Diensten 10
Aufgabenorientierte Programmierung durch CPS Selbstvernetzung Selbst-Beschreibung (Digital Twin) Aufgabenorientierte Programmierung Selbsteinrichtung??? Cyber-physical System 11
Aufgabenorientierte Programmierung auf Basis lösungsneutraler Prozessschritte Produkt (-Varianten) Lösungsneutrale Prozessschritte A B Typ identifizieren Halten OT Halten UT Fügen: Einpressen Abstand prüfen Helligkeit messen - Bestandteile Entwicklung eines Katalogs lösungsneutraler Prozessschritte Handhaben Fügen Kontrollieren Montieren Sonderoperationen Betriebsmittel Prozesse Softwaretool zur lösungsneutralen Programmierung von Montageaufgaben Grundlage für Abgleich zwischen Gerätediensten und Montageaufgabe Speichern Sichern Bewegen Menge verändern Einpressen Umformen Urformen Schweißen Kleben Prüfen Messen Geometrische Größen Mechanische Größen Elektrische Größen Erwärmen Reinigen Ölen Markieren Beleuchten Anzeigen haptisch visuell akustisch Informationsverarbeitung Information speichern Information abrufen 12
Betrachtete CPS Aspekte im Forschungsprojekt AKOMI Selbstvernetzung Selbst-Beschreibung (Digital Twin) Aufgabenorientierte Programmierung Selbsteinrichtung??? Cyber-physical System 13
Zusammenfassung des Gesamtkonzepts Weitere IT-Systeme User CAD-Systeme Virtuelle Repräsentanz der Anlage Modell der Montageaufgabe Repository Bereitstellung 1 der virtuellen Automatisierung (cyber-physichen) der Geräteauswahl 2 Repräsentanz als und Projektierung OPC-UA Server Plug&Produce-Software PLC Codegenerator Robotik OPC-UA Server OPC UA Bildverarbeitung OPC-UA Server Feldgeräte an SPS echtzeitfähig und proprietär Steuerung Bildquellen: Yaskawa.de, TheImagingSource.de, SensorTrade.com / Sick, DirectIndustry.de: 14
Die Anlagen(re-)konfiguration erfordert Vielzahl an Tätigkeiten in der Planung und Systemintegration 01 Tätigkeiten in der Systemplanung 1) Ermittlung der Montageablaufstruktur 1 A 2 B Auswahl geeigneter technischer Lösungen A Lagern A Fügen M Prüfen Materialflussplanung Lagern Fördern Puffern Fügen Prinzipanordnung Lager R Förderband QS 02 Tätigkeiten in der Systemintegration 2) Hardwareauswahl Programmierung des Ablaufs Projektierung der Steuerung Einrichtung der Geräte (Parametrierung)???! 1) [Bullinger et al. 1986] [Schenk et al. 2014] 2) [Krug 2012] [Hammerstingl 2015] 15