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Kognitive Produktionssysteme

Vernetzte Steuerung von Fördertechnik und Produktion

Eine individuelle Produktion zu schaffen, ist Teil des Zukunftsprojekts 'Industrie 4.0'. Neben der Optimierung von Herstellungs- und Lieferzeit steht auch der erhöhte Informationsfluss im Vordergrund. Ein Lösungsansatz basiert darauf, die kognitiven Eigenschaften des Menschen auf Produktionssysteme zu portieren.

Bild: ITA

Zu den Grundlagen der Anforderungen des Zukunftsprojekts Industrie 4.0 an eine individuelle Produktion zählt die Optimierung von Herstellungs- und Lieferzeiten genauso wie ein effizienter Informationsfluss im Shop Floor-Kontext. Ein Lösungsansatz, damit Produktionssysteme vor diesem Hintergrund Ansprüche wie Wandlungs-, Echtzeit-, und Netzwerkfähigkeit besser erfüllen können, besteht im Übertragen der kognitiven Eigenschaften des Menschen auf Produktionssysteme.

Herausforderung durch fehlende Vernetzung

Der Umsetzung dieses Ansatzes stehen im Wesentlichen zwei Hemmnisse gegenüber. Zum Einen ist die Vernetzung der Elemente eines Produktionssystems untereinander in der Regel nicht ausreichend, um eine umfassende Selbstregulierung zu unterstützen. Zudem erfolgt die Steuerung der Produktion üblicherweise zentral, die einzelne Elemente einer Anlage kommunizieren nicht direkt miteinander. Somit fehlt beispielsweise die Möglichkeit, dass ein direkter Informationsfluss zwischen Gabelstapler und Übergabestation stattfindet: Legt das Förderfahrzeug sein Gut ab, so übergibt er nur das physische Material. Dadurch entsteht eine Trennung von Material- und Informationsfluss. Die Hauptursache dafür ist das Fehlen standardisierter Schnittstellen. Diese sind jedoch Voraussetzung für die Umsetzung eines kognitiven Produktionssystems. Die zentrale Steuerung der Produktion stellt eine weitere Herausforderung für die Umsetzung vernetzter Produktionsprozesse dar: Produktionsanlagen bestehen meist aus komplexen, starren Systemen, die für einen spezifischen Anwendungsfall konzipiert wurden. Entsprechende beschränkt ist die Flexibilität des Gesamtsystems. Zukünftige Lösungen müssen jedoch eine individuelle Produktion mit hoher Variantenvielfalt und unterschiedlichen Losgrößen ermöglichen.

Produktionssysteme mit kognitiven Eigenschaften

Um dem zu begegnen, hat sich das Forschungsprojekt ‚Vernetzte, kognitive Produktionssysteme‘ (Netkops) die Entwicklung eines dezentral gesteuerten Materialflusses zum Ziel gesetzt. Maschinen, Handhabungs- und Transportsysteme sollen sich dabei an den kognitiven Fähigkeiten des Menschen orientieren: In Zukunft sollen Komponenten des Produktionsnetzwerks kommunizieren, Probleme erkennen, Schlussfolgerungen ziehen sowie Fähigkeiten zum Erlernen neuer Abläufe sowie zum selbstständigen Planen erhalten. Diese Zielsetzung konkretisieren drei Teilziele:

  • Vernetzung per Hardware: Das erste Teilziel stellt die intelligente Vernetzung innerhalb eines kognitiven Produktionssystems über ein systemübergreifend einsetzbares Vernetzungsmodul dar. Dazu ist unter anderem eine Hardwareentwicklung und die Entwicklung der formalen Sprache ‚Production Modelling Language‘ (Production ML) vorgesehen. Hinzu kommt die Definition von standardisierten Datenschnittstellen. Das Vernetzungsmodul soll die direkte Kommunikation zwischen den Elementen des Produktionssystems sicherstellen und so einen parallelen Material- und Informationsfluss ermöglichen. Im Rahmen des Projekts sollen Schnittstellen zu einem Stetigförderer, einem Flurförderzeug und einer Bearbeitungsmaschine ausgestaltet werden.
  • Dezentrale Steuerung: Die Entwicklung von Algorithmen für die dezentrale Steuerung und Selbstoptimierung von Transport- und Handhabungssystemen bildet das zweite Teilziel. Diese Aufgabe soll an der Auslegung agentenbasierter, dezentraler Routingalgorithmen für Stetigfördertechnik in Verbund mit Handhabungssystemen für den Einsatz in verketteten Produktionssystemen konkretisiert werden. Diese werden dann in einem Routingmodul implementiert.
  • Etablieren der Fördermatrix: Als drittes Teilziel fokussiert das Projekt die Gestaltung cyberphysischer Systemmodule. Dazu wird eine ‚entscheidungsfähige‘ Fördermatrix entwickelt: Durch das Zusammenspiel interaktionsfähiger, kleinskaliger Förderelemente in einem Matrixverbund sollen durch lokale Entscheidungsfindung und ein situationsabhängiges Routing die Funktionen ‚Sortieren‘, ‚Ausschleusen‘, ‚Orientieren‘, ‚Puffern‘ und ‚Vereinzeln‘ umsetzbar sein. Die Realisierung ist durch die Entwicklung einer kleinskaligen Antriebstechnik und intelligenter Steuerungshardware für die Fördermatrix geplant.

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