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01 Die von der TU München entwickelte mobile Roboterplattform des Messedemonstrators

Industrie 4.0 für die Roboterkooperation

02 Der Produktionsablauf des Demonstrators, der auf der Automatica einen individualisierbaren Flaschenöffner fertigt

Der Begriff Industrie 4.0 ist aktuell in aller Munde und wird auch stark diskutiert. Die von der Bundesregierung gestartete Initiative soll den Industriestandort Deutschland zukunftssicher und konkurrenzfähig halten. Viele Firmen und Forschungsinstitute beschäftigen sich aktuell mit dem Thema und entwickeln neue Ansätze, welche mithilfe von Demonstratoren veranschaulicht werden sollen. Der Begriff Industrie 4.0 wird dabei oft mit unterschiedlicher Bedeutung verwendet und ist deshalb schwer greifbar.

Der vom Lehrstuhl für Automatisierung und Informationssysteme (AIS) der TU München in Zusammenarbeit mit den Industrieunternehmen Beckhoff, Fanuc, Martinmechanic, Reis und Schunk für die Automatica 2014 entwickelte Messedemonstrator zeigt, welche Möglichkeiten für die Automatisierungstechnik durch Industrie 4.0 entstehen und wie diese umgesetzt werden können. Industrie 4.0 eröffnet dabei diverse Potenziale und Lösungen, welche der Demonstrator anschaulich präsentiert. Dabei wird ersichtlich, dass der Einsatz von modernen Technologien nicht nur bedeutet, dass alle bisher eingesetzten Komponenten oder Anlagen, ersetzt werden müssen. Der Demonstrator, der auf der Messe einen per Handy-Browser bestellbaren und mit persönlichem Schriftzug individualisierbaren Flaschenöffner fertigt, zeigt die Kopplung und Vernetzung bereits vorhandener lokaler und räumlich getrennter, zum Beispiel über eine Cloud vernetzter, Produktionsanlagen exemplarisch auf. Diese Kopplung geschieht weitestgehend automatisch, dynamisch und kann auch bei einer bestehenden Anlage einfach nachgerüstet werden. Zwischen den Produktionsstandorten befördern unterschiedliche Roboter die Werkstücke von einer Bearbeitungsstation zur Nächsten (Bild 2). Ein Teil der Roboter, wie die am AIS entwickelte mobile Roboterplattform (Bild 1) kann von den Messebesuchern selbst gesteuert werden.

Vernetzung mittels Agenten
Als Basis für diese dynamische Vernetzung der Produktionsanlagen zwischen den beteiligten Unternehmen dient ein sogenanntes Agentennetzwerk. Anders als in Spionagethrillern sollen diese als Softwarebausteine realisierten Agenten Verhandlungen zur Verbesserung von Produktionsprozessen führen. Ein Agent vertritt dabei eine Anlage oder ein ganzes Unternehmen gegenüber dem Netzwerk. Dem Agentennetzwerk können beliebige Unternehmen beitreten und sich darin mit ihren Produktionsmöglichkeiten anmelden. Über das Netzwerk sind dann zum Beispiel der aktuelle Produktionsfortschritt und ein Liefertermin abrufbar oder es können Aufträge an einzelne Unternehmen verteilt werden. Trotzdem kann das Unternehmen selbst entscheiden, welche Informationen es nach außen freigeben möchte und welche nicht. Besonders für kleine Unternehmen besteht in einem solchen Netzwerk eine große Chance, da der Kontakt zu potenziellen Kunden oder Zulieferern einfacher und schneller möglich wird. Zusätzlich können Unternehmen ihre Produktionsmöglichkeiten auf einem „Marktplatz“ zur Verfügung stellen.

Bei dem Industrie-4.0-Demonstrator auf der Automatica oder über die Webseite des Agentennetzwerks kann man jederzeit den Produktionsfortschritt, den Status der Produktionsanlagen oder die Position der Roboter beobachten. Um auch bestehende Anlagen anbinden zu können, ist eine leichtgewichtige aber mächtige Plattform nötig. Jeder einzelne Agent innerhalb eines solchen Netzwerks kommuniziert mittels anwendungsspezifischer Nachrichten (ASM) und anwendungsspezifischer Protokolle (ASP) um das gewünschte Verhalten zu erzielen. Die Wissensdatenbank der Agenten beinhaltet, unter anderem, die Bedeutung des Nachrichteninhalts. Die ASP sind in plattformspezifische Nachrichten eingebettet, welche beispielsweise Metadaten enthalten. Sie lassen sich über ein plattformspezifisches Protokoll versenden, um zum Beispiel mit dem Directory Facilitator (DF) zu kommunizieren. Dieser ermöglicht mithilfe von yellow und white pages eine Names- und Fähigkeitenauflösung aller Agenten. Hierfür besitzt der DF eine plattformspezifische Datenbank. Im Gegensatz zu anderen Protokollen, wie FIPA ACL, setzt dieser Ansatz auf einem schlanken Protokoll mit einem geringen Overhead auf. Zusätzlich zu dem bis zu 96 Bytes kleineren Overhead kann durch einen definierten Protokollaufbau auf ein aufwendiges Parsing verzichtet werden. Dies führt dazu, dass der Agentenansatz auch auf sehr leistungsschwachen Controllern verwendet werden kann. Das Produktions-Know-how, sowie die Maschinen- und Prozessdaten bleiben durch die Repräsentation sowie die Kapselung der Maschinensoftware mittels eines Agenten unangetastet. Der Demonstrator zeigt die Fähigkeit des Agentenansatzes zur flexiblen und fehlertoleranten Vernetzung von Produktionsanlagen verschiedener Produzenten, Steuerungen und Hardwareschnittstellen. Auf diese Weise ist es möglich, den gesamten Produktionsprozess, dargestellt am Beispiel der Produktion eines Flaschenöffners, zu steuern und nutzerspezifische Aufträge zu Laufzeit zu berücksichtigen. (no)

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Autoren:
M.Sc. Daniel Regulin ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Automatisierung und Informationssysteme an der TU München.
regulin@ais.mw.tum.de

Prof. Dr. Ing. Brigit Vogel-Heuser ist Ordinaria des Lehrstuhls für Automatisierung und Informationssysteme an der TU München.
vogel-heuser@ais.mw.tum.de