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Vernetzte Steuerung von Fördertechnik und Produktion

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:

Elemente in der Produktion organisieren sich selbst

Der strukturelle Aufbau der Produktionsanlage lässt sich dabei im Wesentlichen in zwei Komponententypen gliedern: Zum einen in ortsfeste Anlagenkomponenten, welche durch die Fördermatrizen, Förderbänder und die Bearbeitungsstationen repräsentiert werden. Zum anderen in Anlagenkomponenten die nicht ortsgebunden sind, wie etwa Gabelstapler. Damit eine Kommunikation benachbarter Komponenten erfolgen kann, werden diese mit einem Vernetzungs- und Routingmodul ausgestattet. Beim Initialisieren der Anlage verbindet sich jedes Vernetzungsmodul mit seinen Nachbarn. Durch die Gesamtheit der Vernetzungen ergibt sich der topologische Aufbau der Anlage. Da unterschiedliche Komponenten zum Einsatz kommen, unterstützt das Vernetzungsmodul die Kommunikation zu Protokollen wie Ethernet, Canbus oder Profibus. Dadurch entsteht Zugriff auf Sensorik und Aktorik jeder Komponente.

Um eine Vereinheitlichung im Kommunikationsfluss unter den Vernetzungsmodulen zu schaffen, kommunizieren diese über Production ML. Das Vernetzungsmodul steht zudem in direkter Verbindung mit dem Routingmodul. Hierdurch besteht unter anderem im Störungsfall die Möglichkeit, eine neue Route für ein Produkt festzulegen. Neben der grundlegenden Funktion ein Produkt zu fördern, kann die Fördermatrix zudem mehre Produkte gleichzeitig sortieren, ausschleusen, orientieren, puffern und vereinzeln. Daraus ergibt sich, dass sie flexibler als starre Förderbänder eingesetzt werden kann. So illustriert das Projekt die Umsetzung des des Anspruchs, dass ein Produktionssystem der Zukunft aus einer Vielzahl intelligenter Elementen besteht, die Entscheidungen auf Basis eines parallelisierten Informations- und Materialfluss treffen können. Zusätzlich können sie sich optimieren und ermöglichen durch den strukturellen Aufbau hohe Flexibilität.

 

Forschungsprojekt für vernetzte und kognitive Systeme

Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt ‘Netkops’ wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Rahmenkonzepts ‘Industrie 4.0’ (02PJ2685) gefördert und vom Projektträger Karlsruhe, Bereich Produktion und Fertigungstechnologien (PTKA-PFT), betreut. An der Routenführung arbeiten Projektpartner unter Federführung der Lenze SE. Die Antriebstechnik entwickelt ebenfalls die Lenze SE. Das Institut für Transport- und Automatisierungstechnik (ITA) der Leibniz Universität Hannover schreibt die Algorithmen, die zur Routenführung nötig sind, und die Dream Chip Technologies GmbH implementiert diese in die Hardware. Die Transnorm System GmbH baut einen Prototypen der Fördermatrix, der bei Anwendungspartnern getestet werden soll – unter anderem bei der Continental Automotive GmbH. Das Forschungsprojekt ist zum 1. November 2013 gestartet und läuft drei Jahre.