Fördertechnik

Die Vision: Nach Eingang eines Auftrags gelangt dieser automatisiert und verschwendungsfrei direkt in die Fabrik und steuert dann seine Fertigung bis zur Auslieferung selbst –exakt nach Kundenwunsch.

Die Produktionsphilosophie Industrie 4.0 lässt künftig die reale und virtuelle Welt miteinander verschmelzen. Neu ist in diesem Ansatz, dass nicht nur Maschinen und integrierte Systeme untereinander kommunizieren, sondern im Rahmen von Industrie 4.0 alle Systeme untereinander intelligent vernetzt sind und sich mit den zu fertigenden Produkten echtzeitnah Informationen austauschen.

Die Maschine „denkt“ mit und bemerkt selbständig, wenn bei bestimmten Produktionsgütern Nachschub benötigt wird. Den Bedarf meldet sie selbstständig an weitere Systeme, die dann automatisiert die Bestellung auslösen. Das Prinzip einer zunehmenden intelligenten Vernetzung bringt erhebliche Kosten-, Zeit und Effizienzvorteile für die Unternehmen, die diesen Weg konsequent verfolgen.

Für die Umsetzung der Vision „Industrie 4.0“, in der Mensch und Maschine unter-und miteinander vernetzt sind, werden u. a. cyber-physische Systeme benötigt

Im Bereich der Intralogistik wurden in den letzten Jahren bereits mehrere Materialflusssysteme entwickelt, die diesen Ansprüchen zumindest teilweise entsprechen, indem sie modular aufgebaut und dezentral gesteuert sind

In diesem Artikel werden zuerst gewünschte Eigenschaften von Fördertechniksystemen identifiziert, aus denen Gestaltungsregeln abgeleitet werden

Daraufhin werden Beispielsysteme vorgestellt, die diese Gestaltungsregeln befolgen, und es wird untersucht, inwieweit die gewünschten Eigenschaften erfüllt sind

WYSIWYG

„What you see is what you get“, Nutzer übernimmt lediglich mechanischen Aufbau der Fördertechnikanlage, mit der er seine Förderaufgabe beschreibt. Verkabeln oder die Programmierung einer passenden Steuerung entfällt.

Plug&Play-Fähigkeit

Elemente können mithilfe einfacher Steckverbindungen, die alle notwendigen Schnittstellen enthalten, hinzugefügt oder entfernt werden.

Skalierbarkeit

Das System kann vergrößert oder verkleinert werden, um veränderten Leistungsanforderungen zu entsprechen.

Rekonfigurierbarkeit

Der Nutzer kann die Fördertechnikanlage eigenständig in relativ kurzer Zeit auf-und umbauen, ohne auf die Hilfe von Elektrikernund Programmierern angewiesen zu sein.

1. Modularität

Prinzip Modulbaukasten, System besteht aus vollständig handlungsfähigen Modulen, die gemeinsam eine intralogistische Aufgabe erfüllen können:

• Module werden physisch verbunden und etablieren Datenverbindung

• Gleiche oder spezialisierte Module (Funktion vs. Preis, z.B. überall Umsetzermodule)

2. Funktionsintegration

Grundfunktionen der Materialflusssyst.: Fördern, Verzweigen, Zusammenführen, Warten& Bedienen. Koordination untereinander ermöglicht komplexe intralogistische Aufgaben:

• Kommissionieren

• Sortieren

• Sequenzieren.

Sensorik und Aktorikbefähigt das System, Fördereinheiten zu erkennen und deren Transport zu steuern.

3. Dezentrale Steuerung

Abgeschlossene Module besitzen eigene Steuerung

Mithilfe dieser Steuerung werden Materialflussentscheidungen getroffen

Topologie vom Nutzer muss automatisiert erkannt werden

Sobald ein Transportauftrag ins System eingeschleust wird, muss eine Routenfindung durchgeführt werden. Nach Routing-Entscheidung müssen Transportvorgänge koordiniert durchgeführt werden

Topologie-Erkennung erfolgt durch Internet-Routing-Algorithmen (z.B. Distance-Vector Routing, Link-State Routing). Die Herausforderung ist dabei die Vermeidung bzw. Verhinderung von Deadlocks (Abb. 1)

• Deadlock-und Livelockvermeidung

4. Interaktion zwischen Modulen

• Koordination von Transportvorgängen -> nur Kommunikation und Koordination mit direkten Nachbarn

• Ziel bei Koordinationsmechanismen: möglichst einfache und intuitive Entscheidungsregeln

• Das resultierende Systemverhalten kann trotz einfacher Regeln passend auf unterschiedliche Anforderungen reagieren.

5. Standardisierte physikalische und Informationsschnittstellen

• Einfacher physischer Aufbau des Systems durch standardisierte, von den Funktionen der Module unabhängigen Schnittstellen

• Verbund mehrerer Materialflusssysteme

  • Transportauftrag generisch definieren

  • Beschreibung aller möglichen intralogistischen Anforderungen (z. B. Start-und Zielort, Ankunftszeit, Reihenfolge und Ausrichtung der Fördereinheiten)

  • Die sich daraus ergebenden Aufgaben werden von den Modulen untereinander koordiniert

Livelock: Fördereinheiten werden zwar transportiert, kommen aber aufgrund gegen Behinderungen nicht an

Möglichkeiten für die Routenfindung:

• Schrittweise Routing-Entscheidung nach jedem Transportvorgang -> Vermeidung von gegenläufigen Routen auf einer Einheit

• (teilw.) Reservierung der Route und daraufhin Deadlock-Vermeidung vor jedem Transportvorgang

• Vor jedem Schritt müssten so theoretisch unbegrenzt viele Anfragen an alle Module gestellt werden —> ABER Komplexitätsproblem; Anzahl der Möglichkeiten sehr hoch

• zeitfensterbasierte Routenreservierung (logische Zeit)

Deadlock: System fährt sich fest; Pakete wollen alle in eine richtung und kommen nicht mehr weiter --> vermeiden (Wenn keinn Paket programiert zum platz machen problem)

Livelock: mann ist blockiert aber es bewegt sich noch alles: systeme die sich festfahren, aber es fällt nicht so schnell auf, bewegt sich noch alles

1. Modularität

Prinzip Modulbaukasten, System besteht aus vollständig handlungsfähigen Modulen, die gemeinsam eine intralogistische Aufgabe erfüllen können:

• Module werden physisch verbunden und etablieren Datenverbindung

• Gleiche oder spezialisierte Module (Funktion vs. Preis, z.B. überall Umsetzermodule)

Grundfunktionen der Materialflusssyst.: Fördern, Verzweigen, Zusammenführen, Warten& Bedienen. Koordination untereinander ermöglicht komplexe intralogistische Aufgaben:

• Kommissionieren

• Sortieren

• Sequenzieren.

Sensorik und Aktorikbefähigt das System, Fördereinheiten zu erkennen und deren Transport zu steuern.

3. Dezentrale Steuerung

Abgeschlossene Module besitzen eigene Steuerung

Mithilfe dieser Steuerung werden Materialflussentscheidungen getroffen

Topologie vom Nutzer muss automatisiert erkannt werden

Sobald ein Transportauftrag ins System eingeschleust wird, muss eine Routenfindung durchgeführt werden. Nach Routing-Entscheidung müssen Transportvorgänge koordiniert durchgeführt werden

Topologie-Erkennung erfolgt durch Internet-Routing-Algorithmen (z.B. Distance-Vector Routing, Link-State Routing). Die Herausforderung ist dabei die Vermeidung bzw. Verhinderung von Deadlocks (Abb. 1)

• Deadlock-und Livelockvermeidung

4. Interaktion zwischen Modulen

• Koordination von Transportvorgängen -> nur Kommunikation und Koordination mit direkten Nachbarn

• Ziel bei Koordinationsmechanismen: möglichst einfache und intuitive Entscheidungsregeln

• Das resultierende Systemverhalten kann trotz einfacher Regeln passend auf unterschiedliche Anforderungen reagieren.

5. Standardisierte physikalische und Informationsschnittstellen

• Einfacher physischer Aufbau des Systems durch standardisierte, von den Funktionen der Module unabhängigen Schnittstellen

• Verbund mehrerer Materialflusssysteme

  • Transportauftrag generisch definieren

  • Beschreibung aller möglichen intralogistischen Anforderungen (z. B. Start-und Zielort, Ankunftszeit, Reihenfolge und Ausrichtung der Fördereinheiten)

  • Die sich daraus ergebenden Aufgaben werden von den Modulen untereinander koordiniert

Bekommt Sensorinformationen und dann wird entscheidung getroffen; Summe der Inofs

„Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile.“ -Aristoteles (384 –322 v. Chr.)

Im Bereich der verteilten künstlichen Intelligenz werden im Wesentlichen drei Varianten von Emergenz unterschieden

• Als Emergent Properties definiert z.B. Axelrod [Axe97] Emergenz als das Erscheinen von Eigenschaften, die als globale Effekte von lokal interagierenden Agenten auftreten

• Ferber [Fer98] fokussiert auf die Auswirkungen in der internen Organisation von Agentensystemen und definiert Emergent Organization als eine dynamische Organisation, die durch lokale Interaktion dynamisch realisiert wird.

• Weiterführend ist die Formulierung von Wooldridge[Woo09], die das Auftreten von intelligenten Verhalten durch Interaktion von zahlreichen einfachen Verhaltendiskutiert (Emergent Intelligence).

Die hier angeführten Definitionen von Emergenz sind für ihre softwaretechnische Realisation auf eine effiziente, adaptive Kommunikation von lokalen, autonomen Entscheidungssystemen angewiesen.

Für uns relevant: Wooldridge

--> Wir wolle ndurch softwarerealisierung; einzelne systeme so schlau machen, module verbinden, am ende aufgabe gelöst;

Insgesamt läuft materialfluss durch system

Reale Systeme aus der Forschung und Entwicklung

• Celluveyor

• FlexFörderer

• GridSorter

• GridFlowaus Fördermodulen

• CognitiveConveyors

Celluveyor - Das von DHL Innovation cennter ( Verschiedene Systeme; erste ist am markt; reifensystem was ohne achsen funktioniert)

Haben Performance und höhere Flexibilität:

Manuelle prozesse - flexibel aber ineffizient

Maschinelles/Fließbännder: Effizienter aber nicht flexibel

FLEXIBLE PROZESSE TROTZ AUTOMATISIERUNG

Künstliche Inteligenz

Fördertechnik

Robotik

Flexibilität als Schlüsselanforderung für zukünftige technische Logistiksysteme

1. Steigerung der Effizienz und Wirtschaftlichkeit

2. Investitionssicherheit für Logistikdienstleister

Robotik als aktuelles Beispiel in der Kommissionierung

Flexible Fördertechnik für die Beladung von Containern

• Sequenzieren, Vereinzeln, Sortieren von Paketen

• Zellulare Fördertechnik –Multi Shuttles

• Kleinskaliges Design –CognitiveConveyor

Konzeptionierung des Celluveyoranalog zur Fahrweise von mobilen Robotern

Teildezentrale Steuerung

1. Verkabelung entfällt

2. Automatische Erkennung des Layouts

3. Automatische Fehlererkennung

4. Umfahren von defekten Modulen

   
   

5. Verbindung der Module mittels Schnellspanner

6. Ergonomisch

7. Einfache Änderung des Layouts (Erweiterbar)

8. Schnelles Ersetzen von defekten Modulen

   
   

9. Modulares Beinsystem (bei Bedarf mit Rollen)

10. Rahmenlos

Schnelle Layoutanpassung durch zellulare Bauweise

Multifunktionale Fördertechnik durch Omnidirektionalitätund teildezentrale Steuerung

Robustheit durch einfaches, mechanisches Konzept

Ausfallsicherheit durch Redundanz

Energieeffizienz durch Antriebs-Einzelsteuerung

Schnelle Wartung

Reduktion des Ersatzteillagers auf ~1 Position

Funktionsanpassungen je nach Auftragslage

CELLUVEYOR - Vorteile:

• Modular aufgebaut und dezentral gesteuert

• Verfügt über Sensorik und Aktorik

• Module auf Rollen zur besseren Mobilität

• Kommunikation per Ethernet

Einsatzgebiet:

• Transport von Fördereinheiten über Förderstrecken beliebigen Layouts durch unterschiedliche Module wie z. B. langen, geraden Strecken oder Kurven.

Routing:

• Kürzeste Route, die bestehenden Reservierungen nicht entgegensteht

• Emergenz: z.B. bei ringförmiger Strecke wird ab einer bestimmten Auslastung auf „Kreisverkehr-Betrieb“ umgeschaltet.

Das "Count-to-infinity"-Problem trat aufgrund von Routing-Schleifen des Distance Vector Routing Protocol auf, da dieses den Bellman-Ford-Algorithmus verwendet und Routing-Schleifen nicht verhindern kann. Routing-Schleifen im Netz können durch einen Ausfall der Schnittstelle oder der Verbindung zwischen zwei Routern im Netz entstehen

• Basiert auf der Idee des FlexFörderers

• Verwendung einer einzigen Art von Modulen (hohe Wiederverwendbarkeit und Multifunktionalität)

• Die Anpassung der Steuerung realisiert unterschiedliche intralogistische Aufgaben wie Sortieren, Puffern, Sequenzieren und der Transport größerer Fördereinheiten

• Beliebige Topologien möglich

Für die Leistung und Robustheit ist ein sehr engmaschiges Netz (engl. grid) vorteilhaft.

Hoher Durchsatz bei vielen Fördereinheiten gleichzeitig erhöht das Risiko von Deadlocks durch Kreisschlüsse.

Vorteile gegenüber FlexFörderer:

Robuster gegenü. Ausfällen einzelner Module; wegen engmaschigen Topologie viele redundante Routen

Nachteile gegenüber FlexFörderer:

Höhere Umbaudauer da Module in festem Rahmengestell. Hilfswerkzeuge werden benötigt

Sortiert Pakete Links und Rechts; Pakete sind genau angepasst auf die Zellen und Quadrate

• Basiert ebenfalls auf der Idee von FlexFörderer

• Rechteckige Module, aufgebaut in vorzugsweise rechteckigen Topologien

• In der Lage Fördereinheiten zu puffern und bereitzustellen

• Hoher Belegungsgrad, da pro Zeile nur eine Leerstelle (nicht belegt) benötigt wird

• hoher Durchsatz durch Parallelisierung mehrerer Fördereinheiten

3 Arten zur Nutzung des Systems:

GridSequence= Reihenfolge im Warenstrom

GridPick= Dynamische Warenbereitstellung

GridFlow= Fokus auf hohen Belegungsgrad der Förderfläche

Amazon Ansatz: Roboter unterm Regal und fährt von A nach B

3 Arten zur Nutzung des Systems:

GridSequence= Reihenfolge im Warenstrom

GridPick= Dynamische Warenbereitstellung

GridFlow= Fokus auf hohen Belegungsgrad der Förderfläche

− Alleinstellungsmerkmal die besondere Kleinskaligkeit der Module (eine Fördereinheit wird von vielen Modulen gemeinsam getragen)

− Hochfunktionale Intralogistikknoten für omnidirektionale Bewegung der Fördereinheiten

• Keine Einschränkung auf die 4 Kardinalrichtungen

−Routenreservierung vor dem Transport zur Verhinderung von Deadlocks (Weg wird für andere blokiert; andere pakete zurückhalten ; Pakete warten)

−Keine physikalische Verbindung der Module.Verbindung inkl. Energieversorgung erfolgt über Bodenplatte

−Kommunikation der Module untereinander über eine drahtlose,optische Datenschnittstelle

(Kommunizieren über drahtlose oprische Dstenschnittstelle und über Hot Plug)

- Hot - Plug - fähig ( Wechsel während des Betriebs)

• Bei der Stetigfördertechnik kommunizieren die statischen Objekte miteinander unnd treffen Entscheidungen. Nachbarschaften und die Topologie sind nach dem Aufbau konstant

• Bei der Unstetigfördertechnik kommunizieren mobile Objekte miteinander und treffen Entscheidungen. Die Definition eines benachbarten Moduls ist hinfällig; die Fahrzeuge müssen fähig sein, über unterschiedliche Entfernung hinweg miteinander zu kommunizieren.

• Die dezentralen Koordinationsmechanismen unterscheiden sich dementsprechend von denen der Stetigförderer

• Die Modularität der Systeme ist vonn NAtur aus gegeben (jedes Fahrzeug einzeln)

• Qualität der dezentralen Steuerung bemisst sich daran, wie viele Fahrzeuge sich in einem System bewegen können (ohne gegenseitige Behinderung)

• SEW

• KARIS PRO

• GridFlow mit Transportfahrzeugen

• Shuttle-Systeme mit erweiterten Bewegungsdimensionen

Unter Berücksichtigung der Wertschöpfungsprinzipien One-Piece-Flow (Wenig Puffer; Einzelne Teile dort hin wo sie hinsollen) und Small-Factory-Unit hat SEW-EURODRIVE begonnen die Vision von Industrie 4.0 im unternehmenseigenen Werk in Graben-Neudorf umzusetzen und Konzepte für Aufgaben in der Logistik, Montage und Fertigung entwickelt.

Im Bereich der Getriebemontage in Graben-Neudorf hat SEW-EURODRIVE bereits ein Konzept mit mobilen Logistik-und Montageassistenten implementiert.

Autonome, intelligente, selbstorganisierende Logistikassistenten, wie in Abb. 7, übernehmen die logistische Andienung von Material für die Arbeitsplätze Just-in-Time. Auf diese Weise erfolgt die Verkettung der Small-Factory-Units, der Fabriken in der Fabrik.

Erzielte Vorteile:

− Generierung maximaler Flexibilität

− Ehem. sequenzielle durch parallele Abläufe ersetzt

− Verfügbarkeit des Gesamtsystems gesteigert

− Warentransport kompakter, flexiblere Anpassung an Auslastung

− Kernbereiche der Montage sind modular aufgebaute U-förmige Montagezellen

− Flexible Strukturen, insbesondere für Nachfrage nach neuen Produkten

− Veränderte Prozesse können zeitnah angepasst werden

− Werker und Montageassistenten teilen ihren Arbeitslatz

− Mit Hilfe von mobilen Montageassistenten werden bereits Getriebe montiert, Motoren angebaut, mit Öl befüllt, Antriebe geprüft und zur Lackieranlage transportiert. (Abb. 8 zeigt eine solche Montageinsel)

Innerhalb modular aufgebauter Montageinseln fungieren die Montageassistenten als mobile Werkbank

− Anfahrt der einzelnen Arbeitsstationen (Abb. 9)

− Einstellung auf die ideale Arbeitshöhe

− Montageassistent wird zum Cyber-Physical System.

− Mit dem Auftrag verheiratet, führt dies alle Auftragsdaten mit sich, unterstützt den Montierer bei seiner Tätigkeit und übermittelt ihm wichtige Informationen zu jeder Montagesequenz.

− Durch die Kollaboration Mensch-Assistent lassen sich völlig neue Produktionskonzepte realisieren

—> Ca. 30 % gegenüber den konventionellen Produktionsmethoden Ersparnis. Produkte und Assistenz-systeme werden Cyber-PhysicalSystems, führen auftragsrelevante Daten mit sich, reduzieren so Fehler

Die Basis sind Lean-Prinzipien–perfekt gestaltete, störungs-und fehlerfreie Prozesse; Handlings-,

Bewegungs-und ergonomieoptimierteMaterial-und Werkzeugbereitstellung.

--> Gewinnbringende Verknüpfung von Mensch und Technik im gesamten Montageablauf

− Kleinskaliges Redundantes Intralogistik-System in der Produktion

− Modulares, dezentral gesteuertes Fahrerloses Transportsystem

− Navigation und Lokalisierung der Fahrzeuge wird über Laserscanner realisiert

− Position der Übergabestellen, also der Start-und Zielpunkte von Fördereinheiten, ist vom Nutzer veränderbar.

− Verteilung der Transportaufträge durch Auktionen

− Koordinierung durch lokales reaktives Verhalten zur Vermeidung von Kollisionen und Deadlocks

− Fahrzeugausfälle werden von anderen Fahrzeugen wahrgenommen und dem Nutzer gemeldet

− Flexible Ausführung verschiedener Aufgaben durch Basismodul und einem wechselbaren Aufsatzmodul.

− Ist weniger Durchsatz gefordert, bietet es sich an, ein GridFlow-System mithilfe von Fahrerlosen Transportsystemen anstelle von Fördermodulen zu realisieren (siehe Abb. 7).

siehe Amazon

− Da die Fahrzeuge nicht ortsfest sind, werden weniger Fahrzeuge als Fördermodule bei gleicher Systemgröße benötigt.

− Nobbe(2015) untersucht, in welchen Fällen welche der beidenVarianten ökonomisch sinnvoll ist.

− Schwab (2015) zeigt zudem, dassder dezentral implementierte „LivePath“-Algorithmus in der Lageist, die notwendigen Bewegungender Fahrzeuge dezentral zukoordinieren

− Fest installierte Infrastruktur(bestehendes Regalsystem)

− hohe Auf-und Umbaudauer.

− System konfiguriert sich eigenständig

− Fahrzeuge erkennen ohne manuelle Hilfe die Topologie des Regals

− Plug&Play-Fähigkeit für das Hinzufügens oder Entfernens von Fahrzeugen

− Idee der modularen, dezentralgesteuerten Fördertechnik verbreitet sich weiter

− 5 Gestaltungsregeln werden umgesetzt

Nachteile/Unterschiede: Preise, genau rechnen wann sich was lohnt

Ausblick

− Selbstanpassung der Topologie bei Stetigförderen schwierig, aber anpassungsfähige Steuerung mit lokalen Entscheidungsregeln kann auf Leistungsanforderungen reagieren

− Mensch-Maschine Schnittstelle in zukünftige Entwicklungen integrieren

− Schnittstellen zwischen Systemen definieren (Standards)

− Besseres Verständnis über dezentral gesteuerte Systeme (bisher nur Simulation)