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Einmal modellieren statt wiederholt programmieren

01  Der Aufbau und die Integration von Automatisierungsanlagen, wie hier das „Belt Picking“ beim Kommissionieren, werden durch die „ReApp“-Lösungen deutlich effizienter

01  Der Aufbau und die Integration von Automatisierungsanlagen, wie hier das „Belt Picking“ beim Kommissionieren, werden durch die „ReApp“-Lösungen deutlich effizienter

02  Die drei Arbeitsschritte Greifen vom Band, Ablegen in die vorgesehene Form und Greifen für die Sortierung können mit den „ReApp“-Lösungen leichter kundenspezifisch angepasst werden

02  Die drei Arbeitsschritte Greifen vom Band, Ablegen in die vorgesehene Form und Greifen für die Sortierung können mit den „ReApp“-Lösungen leichter kundenspezifisch angepasst werden

03  Das Konzept bei „ReApp“: Einmal modellierte Lösungen, wie der hardwareunab­hängige Skill „Belt Picking“ (oben), lassen sich wiederverwenden und schnell anlagenspezifisch zu einer Solution anpassen (unten)

03  Das Konzept bei „ReApp“: Einmal modellierte Lösungen, wie der hardwareunab­hängige Skill „Belt Picking“ (oben), lassen sich wiederverwenden und schnell anlagenspezifisch zu einer Solution anpassen (unten)

In dem Projekt „ReApp“ werden wiederverwendbare Apps für Roboter entwickelt. Diese verleihen ihnen beispielsweise Fähigkeiten für die Erkennung und das Greifen von Werkstücken bis hin zu kompletten Prozessabläufen. Mit den Apps lassen sich roboterbasierte Anwendungen schneller und effizienter als bisher entwickeln.

Um dem zunehmenden Trend einer „personalisierten Produktion“ und der dadurch bedingten Variantenvielfalt sowie kleineren Stückzahlen zu begegnen, ist es entscheidend, dass Produktionsprozesse an diese Marktdynamik anpassbar und Anlagenkomponenten für mehrere Produktlebenszyklen einsetzbar sind. Besonders für kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) wird es immer wichtiger, ihren Kostennachteil im Vergleich zu Großunternehmen durch mehr Automatisierung ausgleichen zu können. Nur mit flexiblen und zugleich wirtschaftlichen Systemen können sie auf die für KMU typischen schwankenden Produktzahlen reagieren und konkurrenzfähig bleiben.

Automatisierungsanlagen effizienter einrichten
Genau diese Bedürfnisse adressiert das Verbundprojekt „ReApp“. Es hat das Ziel den gesamten Entwicklungsprozess von roboterbasierten Automatisierungsanlagen grundlegend zu restrukturieren und deutlich effizienter zu machen. Das Fraunhofer IPA koordiniert das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderte Projekt und entwickelt sowohl Werkzeuge für die App-Erstellung als auch Apps selbst.
Die Projektpartner arbeiten hauptsächlich an zwei übergeordneten Zielen. Zum einen möchten sie erreichen, dass bei der Entwicklung und Einrichtung von automatisierten Anlagen eine klare Rollentrennung von Plattformexperten (Komponentenzulieferern), Domänenexperten (Anwendungsentwicklern), Systemintegratoren und Endanwendern möglich wird. Das soll die Komplexität der Anlage und der anwenderseitigen Prozesse auf die jeweiligen Experten verteilen. Weiterhin möchten sie den Integrationsaufwand von Komponenten reduzieren und auch neuen Lieferanten einen einfacheren Marktzugang für ihre Hard- und Softwarekomponenten eröffnen. Dies ermöglichen standardisierte Schnittstellen, wie sie zum Beispiel das Open-Source-Betriebssystem ROS-Industrial bietet.

Hohe Anforderungen an Systemintegratoren
Der komplette Lebenszyklus von industriellen Roboteranlagen wird heute typischerweise von Systemintegratoren bewerkstelligt: Konzeption, Entwicklung, Aufbau, Inbetriebnahme, Wartung und Änderung der Konfiguration kommen in der Regel aus einer Hand. Außerdem ist die Software in der ­Automatisierungstechnik und der industriellen Robotik durch proprietäre Schnittstellen sowie starke Bindungen an Hersteller (Vendor-Lock-Ins) gekennzeichnet. Die Herausforderung, ausreichend Spezialwissen eines Herstellers zu haben und gleichzeitig den diversen Kundenwünschen individuell gerecht zu werden, können Systemintegratoren kaum meistern. Überdies benötigen sie neben tiefen Kenntnissen der Robotik (Kinematiken, Taktzeiten, Nutzlasten etc.), einzelnen Automatisierungskomponenten sowie deren Eigenschaften auch Detailwissen bezüglich der Prozesse, die automatisiert werden sollen.
Sind die einzelnen Komponenten geliefert, soll die Anlage dann möglichst schnell funktionieren. Deshalb erfolgen die Integration und Inbetriebnahme der Anlage in der Regel unter hohem Zeitdruck, sodass kaum Zeit für eine modulare Strukturierung der Software bleibt. Dies aber würde die Wiederverwendbarkeit der Software deutlich verbessern. Die Folge: Meistens muss die Software für eine Anlage jedes Mal von Grund auf neu entwickelt werden.

Nutzen am Beispiel Systemintegrator
Das Verbundprojekt „ReApp“ adressiert mit seinen Entwicklungen verschiedene Zielgruppen. Am Beispiel des Systemintegrators zeigt sich, mit welchen neu entwickelten Funktionen der Entwicklungsprozess einer Automatisierungsanlage effizienter wird (Bild 1).
Um geeignete Hard- und Softwarekomponenten auszuwählen, konsultiert der Systemintegrator den App-Store, in dem er semantisch die Problemstellung, zum Beispiel das „Belt Picking“ (Greifen vom Band), sowie eventuelle Randbedingungen bzw. Anforderungen wie die Taktrate oder die Objektart eingibt. Der App-Store schlägt dann herstellerübergreifende Apps vor, die sich für die angegebene ­Problemstellung eignen. Apps können dabei sowohl einzelne Softwarekomponenten oder aus mehreren Softwarekomponenten zusammengesetzte, anwendungsspezifische Skills sein. Basis für diese computergestützte App-Auswahl ist die „ReApp“-Ontologie, welche Hard- und Softwaretypen sowie Fähigkeiten klassifiziert. Die Ontologie ist eine Art Katalog, in dem sich ausgehend von einer Grundkategorie immer weitere Verzweigungen ergeben. Das Beispiel der Fähigkeiten macht dies deutlich: Sie fächern sich unter anderem auf in Bewegen, Transportieren oder Wahrnehmen. Von der Fähigkeit Wahrnehmen wiederum differenzieren sich speziellere Fähigkeiten wie das Ablegen von Objekten oder die Kartenerstellung, bis schlussendlich beispielsweise die Kartenerstellung in 2D-, 3D- oder topologische Karten spezifizierbar ist.

Entwicklung und Aufbau der Anlage: Konfigurieren statt programmieren
Im Skill-Editor, einem Teil der „ReApp“-Entwicklungsumgebung, lassen sich die gewählten Softwarekomponenten bzw. Skills auf Modellebene anpassen, erweitern und parametrieren. So kann man beispielsweise den Skill „Belt Picking“, der bereits eine Lageerkennung des Werkstücks auf dem Band sowie das Greifen durch einen beliebigen Roboterarm enthält (Bild 2), zum Beispiel durch eine „Line Tracking“-Komponente erweitern, die die Bandgeschwindigkeit bestimmt. Skills enthalten auch einen Programmablauf, den sogenannten Koordinator, der im Skill syntaktisch wie eine normale Softwarekomponente eingebunden wird. Nachdem die Skills entsprechend der zu entwickelnden Anlage zusammengestellt wurden, erstellt der Systemintegrator die „ReApp“-Solution, in der die Skills für eine bestimmte Zielplattform, also konkrete Hardwarebausteine, konfiguriert werden.
Während Skills Platzhalter für bestimmte Komponenten enthalten können, um die Wiederverwendbarkeit zu erhöhen (zum Beispiel den 6-DOF-Manipulator statt dem Kuka KR16), ist eine „ReApp“-Solution für eine konkrete Automatisierungsanlage spezifiziert (Bild 3). Da alle Software­komponenten im „ReApp“-Store, die eine Schnittstelle zu einem Hardwarebaustein haben, auch Simulationsmodelle enthalten, kann die Solution vorab in der angebundenen cloud-basierten Simulationsumgebung auf Knopfdruck grundlegend geprüft werden. Dadurch gewinnt der Systemintegrator Sicherheit hinsichtlich der korrekten Auswahl der Anlagenbausteine und spart Zeit bei der späteren Inbetriebnahme vor Ort.

Effizientere Inbetriebnahme durch „Plug’n’-Produce“-Technologie
Der Systemintegrator kann nun die Anlage mit den Hardwarebausteinen entsprechend der entwickelten Solution mithilfe der „ReApp“-Integrationsplattform aufbauen. Dies ist ein intelligentes Steuerungssystem in der Roboterzelle, an das unterschiedliche Roboter, Sensoren und Steuerungen angeschlossen werden können. Die Erstellung des jeweils erforderliche Codes erfolgt automatisch („Plug’n’-Produce“-Technologie). Die Integrationsplattform ist sowohl an den „ReApp“-Store als auch an die Entwicklungsumgebung angebunden. Die Solution wird aus der Entwicklungsumgebung automatisch auf der Roboteranlage eingerichtet („­deployed“), wobei die einzelnen Komponenten direkt aus dem App-Store geladen werden.
Auch für den Hard- und Softwarehersteller stehen Programmierumgebungen zur Verfügung, die die Kompatibilität ihrer Produkte zur „ReApp“-Infrastruktur gewährleisten und entsprechende Apps im App-Store bereitstellen.

Praxistests für kontinuierliche ­Verbesserungen
Im Projekt arbeiten Forschungs- und Technologiepartner sowie Endanwender zusammen, ­sodass technische und wissenschaftliche ­Synergien genutzt und Lösungen direkt in der Praxis ­getestet werden können. Die Demonstratoren realisieren unterschiedliche Aufgaben der Endanwender. Dazu gehören das bereits beschriebene Kommissionieren bei einem Automobilzulieferer, das Löten für einen Elektronikhersteller und die Türfertigung für einen ­Autohersteller. Die ersten beiden Aufgaben ­werden bisher manuell ausgeführt, weil automatisierte Lösungen nicht ausreichend flexibel sind. Die Türfertigung führt bereits ein Robotersystem durch. Allerdings ist es sehr aufwendig, den einmal eingelernten Prozess an ein ­neues Produktmodell anzupassen.
Am Fraunhofer IPA entsteht der Demonstrator für das Kommissionieren als Beispiel für ­diese neue Art der Entwicklung, Inbetriebnahme und Betrieb von Anlagen auf App-Basis. Gestanzte Werkstücke werden auf einem Förderband transportiert. Ein Scanner erkennt Lage und Position der Teile, woraufhin ein Greifplaner dem Roboter Greifposition und -zeitpunkt mitteilt. Der Roboter greift das Werkstück und legt es in die entsprechend geformte Ablage, ­sodass es in eine definierte Position rutscht. Ein Kleinroboter greift schließlich das Werkstück, um es in eine Kiste einzusortieren (Bild 2). Ziel ist es, den Entwicklungsaufwand dieser Anlage mit und ohne „ReApp“-Technologien gegenüberzustellen und den Nachweis über den proklamierten Effizienzgewinn zu erbringen.

Fazit
Das Verbundprojekt „ReApp“ adressiert mit ­seinem Ziel, die Realisierung von Automatisierungsanlagen grundlegend neu zu gestalten, mehrere Zielgruppen. Es trägt insgesamt dazu bei, dass sich Anlagen schneller einrichten und flexibler anpassen lassen. Die Projektergebnisse sollen speziell Systemintegratoren dazu dienen, die Integrationszeiten zu verkürzen. Sie können einen bedeutenden Wettbewerbsvorteil erlangen, indem sie bereits existierende höherwertige Softwarekomponenten mit standardisierten Schnittstellen nutzen. Die angestrebte Rollentrennung bei der Anlagenumsetzung ist überdies eine Möglichkeit, perspektivisch eine Antwort auf das Fehlen von qualifizierten Fachkräften zu finden.
Sowohl für KMU als auch für Großunternehmen in der Fertigungsindustrie bieten die „ReApp“-Lösungen die Chance, vermehrt digitale Helfer zu nutzen. Bei Consumer-Produkten oder in der Automobilindustrie sind diese bereits vielfach im Einsatz und auch der Maschinen- sowie Anlagenbau sollte die damit verbundenen Chancen aufgreifen, um dauerhaft effizient am Standort Deutschland produzieren zu können. (no)

Dr.-Ing. Ulrich Reiser ist Gruppenleiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart. ulrich.reiser@ipa.fraunhofer.de

Dr.-Ing. Ulrich Reiser ist Gruppenleiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart. ulrich.reiser@ipa.fraunhofer.de