Cyber-physische Systeme (CPS) für eine flexible Transportlogistik

Im Zentrum Industrie 4.0 Potsdam (ZIP4.0) wird die Steuerung des Transportsystems dezentral realisiert. Die zentrale SPS ist durch mehrere Knoten ersetzt, welche als CPS die lokale Steuerung übernehmen und zur Lösung der Transportaufgaben kooperieren. Mit der Industrie-4.0-Box, die die Implementierung von CPS innerhalb eines Bestandssystems auf einfache und kostengünstige Weise realisiert, entstand ein anpassungsfähiges und robustes System nach dem Industrie-4.0-Prinzip.

Cyber-physische Systeme (CPS) prägen die Diskussion um Industrie 4.0 (I4.0). Um die Wettbewerbsfähigkeit produzierender Unternehmen zu sichern, werden in der Zukunftsvision cyber-physische Produktionssysteme (CPPS) als Kernbestandteil einer modernen Fabrik ausgemacht. Anpassungsfähigkeit und Komplexitätsbewältigung sind (unter anderem) Potenziale dieser neuen Generation des Produktionsmanagements.

Die erfolgreiche Umsetzung dieses theoretischen Konstrukts in die Praxis bietet das ZIP4.0 ein nützliches Werkzeug, Industrie 4.0-basierte Ideen ohne viel Aufwand zu prüfen und die zielführende Operationalisierung der theoretischen Potenziale für den konkreten Anwendungsfall vorzunehmen. Innerhalb seiner hybriden Simulationsumgebung können Komponenten aus dem Industrie 4.0-Instrumentarium in unterschiedliche Fertigungsszenarien eingebunden und deren Nutzen demonstriert und evaluiert werden.

Anpassungsfähigkeit durch CPS

Detaillierter betrachtet stellt die Simulationsumgebung des ZIP4.0 eine komplexe technische Anlage aus unterschiedlichen realen und simulierten Komponenten dar, die im Rahmen eines Fertigungsprozesses interagieren und typische Fabriksituationen abbilden. Die unterschiedlichen darzustellenden Produktionsprozesse implizieren eine anpassungsfähige Anlage. Eine hohe Anpassungsfähigkeit ist ebenso eine Anforderung an zukünftige Fabrikanlagen. Somit entstehen praxisrelevante Erkenntnisse aus Anwendung der Industrie  4.0-Konzepte bei der Implementierung des flexiblen Simulationssystems.

Im ZIP4.0 kommen diverse Konzepte und deren Implementierung zum Einsatz, um einerseits die nötige Flexibilität zu gewährleisten und andererseits die resultierende Komplexität der Steuerungsaufgabe zu beherrschen. Grundlage ist die dezentrale Steuerung mittels CPS, welche durch die lokale Informationsverarbeitung die Komplexität der Steuerungsaufgabe geeignet skaliert und beherrschbar macht. Die Realisierung der CPS-Eigenschaften geschieht mit Hilfe eines Gerätes, welches kostengünstig die CPS-Funktionen innerhalb industrieller Bestandssystem verfügbar macht – die Industrie-4.0-Box.

Implementierung mittels I4.0-Box

CPS sind durch umfangreiche Wahrnehmung ihrer Umgebung durch Sensoren und der dortigen Interaktion durch Aktoren gekennzeichnet. Die I4.0-Box beinhaltet dahingehend sowohl ein Hardwarekonzept (Recheneinheit und Ein- und Ausgabeschnittstellen) als auch eine Softwarearchitektur (Fabrikbetriebssystem) zum Betrieb des Gerätes bzw. des Geräteverbunds.

Aus dem Ziel einer einfachen Anwendbarkeit ergeben sich wesentliche Anforderungen: geringe technische Komplexität und eine kostengünstige Implementierung. Unkomplizierte Komponenten senken Gesamtkomplexität und Kostenaufwand. Mit Blick auf die weitreichende Vernetzung der Systemelemente als wesentlicher Bestandteil des I4.0-Konzepts und der resultierenden großen Anzahl von (CPS-)Elementen skaliert diese Tatsache beträchtlich.

Deshalb basiert die I4.0-Box auf dem Raspberry Pi, ergänzt um ein I/O-Board für die einfache fabrikspezifische Anwendung. Dieses Board stellt nicht nur industrietypische Anschlüsse zur Verfügung (u. a. Feldbusse), sondern erlaubt auch die Erweiterung um weitere Schnittstellen. Das verwendete Fabrikbetriebssystem gestattet die Programmierung sowohl auf Automationsebene als auch die Implementierung komplexer Algorithmen per Hochsprache. Ergänzt werden diese beiden Ebenen um Funktionen zur webbasierten Visualisierung und Interaktion [1]. Bild 1 zeigt die I4.0-Box. Die Funktion des Gesamtsystem wird somit durch mehrere kostengünstige Einheiten erbracht an Stelle eines teuren Einzelgerätes.

Anwendungsfall modulares Transportsystem

Die Anlage des ZIP4.0 nutzt eine klassische Rollenbahn für den Materialtransport. Diese setzt sich aus typischen Modulen zusammen: acht gerade Strecken, zwei Kurven und drei Transfere sowie einen Verteiler. Alle Module sind jeweils durch ihre Sensor- und Aktorsignale, die Anzahl der Ports (Ein- und Ausfahrt) und die internen Positionen der zu transportierenden Einheiten charakterisiert. Insgesamt ergeben sich für die Programmierung 110 Signale sowie 65 Variablen, die eine Konfiguration bzw. einen Zustand beschreiben (Ports und Positionen). Zusätzlich tragen Routenkriterien von den jeweiligen Start- und Endpunkten zur Komplexität bei.

Besondere Anforderung im Betrieb der Anlage ist die schnelle und unkomplizierte Realisierung von Layoutänderungen ohne umfangreiche und langwierige Installations- und Programmierarbeiten. Lösungsidee ist es, den Aufwand der notwendigen Systemänderungen durch den dezentralen Ansatz unter Anwendung von CPS zu reduzieren.

Dieser Idee folgend werden die Module steuerungstechnisch zu Segmenten mit zwei bis drei Modulen zusammengefasst und segmentweise durch eine CPS-Instanz kontrolliert.

Bild 2 zeigt ein mögliches Layout und die gewählte Segmentierung. Die Realisierung der CPS-Knoten geschieht auf einfache Weise mit der I4.0-Box.

Die Zeiteinsparungen für die Rekonfiguration der Anlage in der dezentralen Variante mit I4.0-Box  im Vergleich zu der klassischen Zentral-SPS führt zu signifikanten Effizienzsteigerungen bei Rekonfigurationsszenarien, die in den Phasen Hardware-Setup, Codierung und Deployment sowie abschließendem Test der Gesamtanlage entstehen.

Für das Szenario Modulausfall weist die dezentrale Variante gegenüber der zentralen Ausführung eine Verringerung des Gesamtaufwands von 87 Prozent auf. Ebenso ergibt sich für das Szenario Hinzufügen eines Moduls eine Zeiteinsparung von 80 Prozent. Im Szenario Layoutänderung mit Umbau der kompletten Anlage ergibt die verkürzte Zeit für die erforderlichen Anpassungen der CPS-basierten Variante um 32 Prozent.

Die Implementierung und Anwendung innerhalb der Testplattform des ZIP4.0 zeigt, wie die theoretischen Potenziale der dezentralen Steuerung und CPS auf praxisrelevante Weise genutzt werden können. Neben der komplexitätsreduzierenden Wirkung des dezentralen Steuerungskonzepts im Vergleich zur zentralen Variante zeigt das beschriebene Fallbeispiel, dass diese Art der Steuerung auch mit bestehenden Nicht-I4.0-Bestandssystemen möglich ist. Die I4.0-Box adressiert damit die typische Brownfield-Situation. Durch die geeignete Erweiterung bestehender Produktionseinheiten zu CPS lassen sich die Potenziale von I4.0 auch für bestehende Systeme nutzen.

Weitere Potenziale des dezentralen Ansatzes mit CPS sind die maschinenübergreifende Prozessüberwachung in heterogenen Systemlandschaften und die Etablierung von Realzeitregelkreisen mit Datenauswertung und Nutzung zum Zeitpunkt ihrer Entstehung. Beide Fälle sind Gegenstand weiterer Arbeiten im ZIP4.0.

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