Industrie 4.0:

·       Verschmelzung der physischen Welt der Produktion mit der virtuellen Welt der Informationstechnologie und des Internets.

·       Menschen, Maschinen, Objekte und Systeme sind über IKT und das Internet verbunden und kommunizieren in einer dynamischen, echtzeitoptimierten und selbstorganisierten Weise.

·       In diesen intelligenten Produktionssystemen werden alle Instanzen der Wertschöpfungskette vom Lieferanten über die Logistik bis zum Kunden unternehmensübergreifend verbunden.

·       Die industrielle Fertigung kann individualisierte Kundenwünsche auf dem bekannt hohen Qualitätsniveau Niveau umsetzen und erreicht dabei eine höhere Flexibilität und Robustheit sowie eine optimale Ressourcenverteilung.

CPS sind Systeme mit eingebetteter Software,

− die über Sensoren und Aktoren verfügen,

− erfasste Daten auswerten und speichern,

− mit Kommunikationseinrichtungen untereinander sowie in globalen Netzen

verbunden sind,

− weltweit verfügbare Daten und Dienste nutzen und

− über Mensch-Maschine-Schnittstellen verfügen. (HMI-Human machine interfaces) - Neue Aufg. Für den Menschen

Ein System das aus bekannten Informationen und aktuellen Sensordaten eine Reaktion ableitet. Z.B. zur Optimierung von Produktionsplanung und -steuerung. Besonders interessant sind Reihenfolgeplanung und Algorithmen zur Optimierung

·       Internet of Things (IoT) (dezentralgesteuerterMaterialfluss): -> selbststeuernde Produktion (Kein Leitstand)

·       Cyberphysical(Production) Systems (CPS, CPPS): / Echtzeitfähige Anlagen tauschen Infos aus - Ein System das aus bekannten Informationen und aktuellen Sensordaten eine Reaktion ableitet. Z.B. zur Optimierung von Produktionsplanung und -steuerung. Besonders interessant sind Reihenfolgeplanung und Algorithmen zur Optimierung

·       Big data / Data Science (predictive / self-scheduled maintenance): - Vorhersagen Prognosen - Die Auswertung und Analyse von großen Mengen an (Produktions-) Daten und die Bewertung der Ergebnisse führt zur Erkennung von Trends und kann Aufschluss über das zukünftige Verhalten (KI + ML)

·       FahrerloseTransportsysteme: - Kreuzende Materialflüsse möglich (weg von Stetigförderer -> flexibler) bei unterschiedlichen Produkten

·       Virtual reality / augmented reality: - Brillen und Modelle, AR- zusätzliche Infos/Einblendungen

·       Neue Produkte, Dienstleistungen und Geschäftsmodelle: Disruptive Märkte/Ideen, Bsp. Löcher in der Wand  / Auto leihen - andere Daten zur Verfügung (Dienstleistungen)

·       Vollkommene Vernetzung und Automatisierung der Produktion:  Neuer Automatisierungsgrad / Mensch geht eher in die Kommunikation mit den Anlagen - weniger in die einzelnen Arbeitsschritte

• Simulation: Ereignisdiskrete Materialfluss – Simulation für die

Prozessauslegung sowie die Optimierung und alternativen Bewertung von Prozessen und Strukturen. Stichwort Digitaler Zwilling.

• Robotics: Selbstlernende Systeme zur Prozess-automatisierung und zur Unterstützung des Menschen wie z.B. bei Materialtransport werden an der Leuphana erforscht. Aber auch Zusammenarbeit mit dem Menschen (Mensch-Maschine Wechselwirkung), sprich ein nächster Grad der Automatisierung.

• Additive Fertigung: Ein Paradigmenwechsel: Statt das Material abgetragen wird, wird Material additiv zusammengesetzt. Bietet die Möglichkeit neue Strukturen zu bauen oder z.B. Sensorik direkt mit dem Produkt zu verheiraten oder Serienwerkzeuge aus dem 3D-Druck

• Cloud Computing: Vernetzung und Auslagern von Daten

Gruppen gebildet: Acatech; Institute: DFKI + Klassischer Anlagenbau (große Firmen)

„Der Wirtschaftsstandort Deutschland ist von seiner starken Industrie geprägt -dem Maschinen- und Anlagenbau, dem Fahrzeugbau und auch der Energiewirtschaft. Die Umsetzung von Industrie 4.0 ist für die Weiterentwicklung ganz entscheidend, denn Stillstand können wir uns nicht leisten“

Deutschland als Leitmarkt als auch Leitanbieter (Produkte einsetzen und entwickeln)

Die 4. Industrielle Revolution bietet erhebliche Potenziale für die Industrie in Deutschland. Der verstärkte Einsatz von CPS in deutschen Fabriken stärkt den Produktionsstandort Deutschland durch Effizienzsteigerungen der heimischen Fertigung.

Technische Weiterentwicklung von CPS bietet substanzielle Chancen für den Export von Technologien und Produkten. Zielvorgabe bei der Umsetzung des Zukunftsprojekts Industrie 4.0 sollte daher sein, die Marktpotenziale für die deutsche produzierende Industrie mittels einer dualen Strategie zu heben:

− durch den Einsatz von CPS in der Produktion einerseits und

− den Verkauf von CPS-Technologie und -Produkten zur Stärkung der deutschen

Ausrüsterindustrie andererseits.

Die duale Strategie umfasst:

Die Zielsetzungen von Industrie 4.0 werden nur dann optimal erreicht, wenn sowohl

die Potenziale der Leitanbieterperspektive als auch jene der Leitmarktperspektive

aufeinander abgestimmt und in einer Symbiose zusammengeführt werden. Die

Strategie umfasst drei grundsätzliche Elemente

1. Den Aufbau von Wertschöpfungsketten und −netzwerkenüber Firmengrenzen hinweg auf Basis einer horizontalen Integration

2. Ein digital durchgängiges Engineering über die gesamte Wertschöpfungskette des Produkts und des zugehörigen Produktionssystems

3. Den Aufbau und die Realisierung flexibler und rekonfigurierbarer Produktionssysteme innerhalb eines Unternehmens und deren vertikale Integration

·       Günstige Sensoren verfügbar/ Sensorik wird immer günstiger

·       Rechenzeit günstig verfügbar/ Hohe Verügbarkeit und günstige rechenstarke CPUs (Cloud Computing). Preis im Schnitt von 2010 auf 2020 halbiert

·       Data mining/data science (predictive maintenance)/ Analyse von großen Datenmengen in nahezu Echtzeit

·       Dezentrale Netwerke -> Flexibilität

·       Internet überall günstig verfügbar

·       GPS / Lokalisierung weltweit

·       Arbeitsspeicher (Speichermedien) ist günstig verfügbar

·       Schnittstellen/ Steigende Benutzerfreundlichkeit von Soft- und Hardware

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

Ziel: Hohe Performance bei und hohe Flexibilität

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 Elektrikern und Programmierern angewiesen zu sein.

Robustheit

Robust gegenüber dem Ausfall einzelner Komponenten. Das System detektiert Ausfälle eigenständig und passt die Steuerung an um den Leistungsabfall möglichst gering zu halten.

Inhärente Sicherheit

Funktionen für die Sicherheit von Personen und Fördergut / Förderhilfsmittel.

Ressourceneffizienz

Durch intelligentes An- und Abschalten der Antriebe im Betrieb wird die Energie effizient genutzt.

Selbstanpassung

Das System passt sich an veränderte Leistungsanforderungen selbstständig an. Ist es in einer früheren Entwicklungsstufe nicht in der Lage, physische Änderungen eigenständig durchzuführen, unterbreitet es dem Nutzer Änderungsvorschläge.

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 Materialflusssystemen: Fördern, Verzweigen, Zusammenführen, Warten & Bedienen. Koordination untereinander ermöglicht komplexe intralogistische Aufgaben:

− Kommissionieren

− Sortieren

− Sequenzieren.

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

3. Dezentrale Steuerung

− Abgeschlossene Module besitzen eigene Steuerung (dezentrale Entscheidungen treffen)

− 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 (Pakete verklemmt/blockieren)

-       Livelock: Fördereinheiten werden zwar transportiert, kommen aber aufgrund gegens. Behinderungen nicht an (Gedanken über Auslösungsprizipien machen/Freigabe) LiveLock-da wo ich hin will ist voll

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

− zeitfensterbasierte Routenreservierung (logische Zeit)

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

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

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

• Die dezentralen Koordinationsmechanismen unterscheiden sich dementsprechend von denen der Stetigförderer

• Die Modularität der Systeme ist von 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)

Stetigfördertechnik

Celluveyor

FlexFörder

GridSorter

GridFlow aus Fördermodulen

Cognitive Conveyors

Unstetigfördertechnik

SEW

Karis Pro

GridFlow mit Transportfahrzeugen

Shuttle-Systeme mit erweiterten Bewegungsdimensionen

Flexibilität als Schlüsselanforderung für zukünftige technische Logistiksysteme

− Steigerung der Effizienz und Wirtschaftlichkeit

− 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 – Cognitive Conveyor

Konzeptionierung des Celluveyor analog zur Fahrweise von mobilen Robotern

Konzeptionierung analog zur Fahrweise von mobilen Robotern. Reifen-System wurde einfach umgedreht uns zum Transport von Gütern verwendet.

Vorteile:

• Schnelle Layoutanpassung durch zellulare Bauweise (Hoch flexibel)

• Multifunktionale Fördertechnik durch Omnidirektionalität und teildezentrale Steuerung

• Robustheit durch einfaches, mechanisches Konzept

• Ausfallsicherheit durch Redundanz. Wenn ein System ausfällt ausgetauscht oder umgesteckt werden.

• Energieeffizienz durch Antriebs-Einzelsteuerung & Leise

• Schnelle Wartung, da alle Teile gleich sind

• Reduktion des Ersatzteillagers auf ~1 Position

• Funktionsanpassungen je nach Auftragslage

• Skalierbarkeit

• Wirtschaftlichkeit

• Investitionssicher

Generierung start: Mögliche Lösung; Generierung zufälliger

Berechnung der Fitness zeigt die Lösungsqualität

Abbruchbedingungen erfüllt? 40000 Generationen durchlaufen

oder bestimmten wert generieren - meistens definiert man vorher anzahl, kann aber auch vorher aufhören wenn man sieht, dass es keine großen änderungen mehr gibt

Crossover: erzeugt kinder und tauscht teile

Mutation: zufallsbasiert kleine veränderungen

Erstellung und Bewertung der Initialpopulation

Solange bis maximale Anzahl an Generationenerreicht:

• Selektion 1:Elternselektion

• Crossover (Rekombination): Generieren derNachkommen

• Mutation (Kleine Änderungen auf zufälliger Basis um Eigenschaften hinzuzufügen)

• Bewertung der Nachkommen

• Selektion 2: Welche Individuen aus der Menge {AltePopulation}∪{Nachkommen}bilden dienächste Generation? (Alte Population vereinigt mit Nachkommen - Beste bleibt drin, schlehcte fliegen raus und es kommenn neue dazu)

Allgemein:

Evolutionäre Algorithmen können für (fast alle Problemstellungen) eingesetzt werden, stellen aber i.d.R. die zweitbeste Lösung dar, denn sie verwenden kein Domainwissen (spezifische Informationen der Problemstellung, sondern „probieren“ gezielt aus.

EAs sind ein zentrales Verfahren und können nur zur vorgelagerten Planung eingesetzt werden (oder müssen ständig eine neue Lösung berechnen, sobald es zu einer Änderung kommt)

Motivation für den Flexförderer

-       Modular aufgebaut und dezentral gesteuert

-       Verfügt über Sensorik und Aktorik

-       Module auf Rollen zur besseren Mobilität (klassisches System)

-       Kommunikation per Ethernet

Einsatzgebiet:

Transport von Fördereinheiten über Förderstrecken beliebigen Layouts durch unterschiedliche Module (unterschiedliche Preise) 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.

Stichwort Simulation: Zielkriterien: Wie lange haben die Pakete gebraucht, was ist in den  Peacks passiert, wie haben sich die Warteschlangen entwickelt usw.

Besitzt Unterschiedliche Module (anders als beim Cell..)

Mittels RFID wird erkannt wo das Paket hin muss

• 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 und Nachteile gegenüber FlexFörderer:

+ Robuster gegenüber Ausfällen einzelner Module; wegen engmaschigen Topologie viele redundante Routen

- Höhere Umbaudauer da Module in festem Rahmengestell. Hilfswerkzeuge werden benötigt

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

Arten zur Nutzung des Systems:

GridSequence = Reihenfolge im Warenstrom

GridPick = Dynamische Warenbereitstellung

GridFlow = Fokus auf hohen Belegungsgrad der Förderfläche

Innerhalb modular aufgebauter Montageinseln fungieren die Montageassistenten als mobile Werkbank

• Anfahrt der einzelnen Arbeitsstationen

• 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

− 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 vier Kardinalrichtungen

− Routenreservierung vor dem Transport zur Verhinderung von Deadlocks

− Keine physikalische Verbindung der Module.

Verbindung inkl. Energieversorgung erfolgt über eine Bodenplatte

− Kommunikation der Module untereinander über eine drahtlose, optische Datenschnittstelle

− Hot-Plug-fähig (Wechsel während des Betriebes)

Besser sortieren und drehen ohne Sondermodul

−

Idee der modularen, dezentralgesteuertenFördertechnikverbreitetsichweiter

−

5 Gestaltungsregelnwerdenumgesetzt

Ausblick

−

Selbstanpassungder TopologiebeiStetigförderenschwierig, aberanpassungsfähigeSteuerungmitlokalenEntscheidungsregelnkannauf Leistungsanforderungenreagieren

−

Mensch-MaschineSchnittstellein zukünftigeEntwicklungenintegrieren

−

SchnittstellenzwischenSystemendefinieren(Standards)

−

BesseresVerständnisüberdezentralgesteuerteSysteme(bishernurSimulation)

Wenn sich Topologie verändert (z.B. Ausfall oder Blockade), passen sich die Routing- Tabellen der einzelnen Knoten an. Die Kommunikationskette kann allerdings so groß sein, dass bis jeder Knoten sich aktualisiert hat, das Problem weshalb die Aktualisierung angestoßen wurden, bereits behoben ist

→ Grund wieso das in der Netzwerktechnologie nicht mehr eingesetzt wird.

Aktualisierung zu kompliziert, dauert zu lange und viel zu viele Pakete und Berechnungen müssen durchgeführt werden.

In der Logistik ist das allerding nicht ein so großes Problem (Flexförderer) wie in der Netzwerktechnik. Weil die Topologie hier nur alle paar Wochen/Monate verändert wird. Ein Fließbandsystem wird nur selten umgebaut und selbst wenn es mal Veränderungen gibt, ist die Berechnung deutlich schneller, da die Informationskommunikation zwischen den Knoten eine ganz andere ist als was das von verschicken von Paketen bedeutet.

Das Durchkommunizieren einer Aktualisierung der Routing-Tabelle ist erledigt bevor das Paket angekommen ist. Das Netz kann dann die nächste vernünftige Entscheidung treffen.

1. Sämtliche Restriktionen aufschreiben

2. In Formel runterbrechen

3. Vom Solver ausrechnen lassen

Die Optimale Lösung liegt stets auf einem der Eckpunkte (Grafische Darstellung)

Bezeichnet die Kunst, mit begrenztem Wissen und Zeit zu guten Lösungen zu kommen

• Dient zur Einschränkung des Lösungsraumes, können aber die Erreichung des optimalen Ergebnisses nicht garantieren

• Wird angewandt, wenn keine effektiven Algorithmen existieren

• Branch-and-Bound-Verfahren, dynamische Optimierungen und begrenzte Enumeration (alle Lösungen durch probieren) bei wachsender Problemgröße durch heuristische Verfahren.

• Klassische Algorithmen versuchen, einerseits die optimale Rechenzeit und anderseits die optimale Lösung zu garantieren. Heuristische Verfahren verwerfen einen oder beide dieser Ansprüche, um bei komplexen Aufgaben einen Kompromiss zwischen dem Rechenaufwand und der Güte der gefunden Lösung einzugehen. Dazu wird versucht mithilfe von Schätzungen, „Faustregeln“, intuitiv-intelligentem Raten oder unter zusätzlichen Hilfsannahmen eine gute Lösung zu erzeugen, ohne optimale Eigenschaften zu garantieren.

• Dezentrale Verfahren arbeiten nicht an zentraler Stelle (z.B. Leitstand oder Planungsbüro),

• Sondern die einzelnen Elemente (Maschinen oder Fahrzeuge) entscheiden sich lokal vor Ort selbst, für eine Alternative (z.B.: welche Aufträge als nächstes bearbeitet wird)

• An zentraler Stelle laufen alle Informationen zusammen und machen das Planungsproblem sehr komplex

• An dezentraler Stelle stehen nur die wichtigsten Informationen zur Verfügung

• Dezentrale Verfahren können keine Optimalität garantieren, sind aber robuster z.B.: gegenüber Ausfällen

Der evolutionäre Zyklus:

1. Erstellung und Bewertung der Initialpopulation

2. Solange bis maximale Anzahl an Generationen erreicht ist:

a. Selektion 1: Elternselektion

b. Crossover (Rekombination): Generieren der Nachkommen

c. Mutation

d. Bewertung der Nachkommen

e. Selektion 2: Welche Individuen aus der Menge (Alte Population und Nachkommen bilden die nächste Generation)

Evolutionäre Algorithmus Nachteile:

• Können für (fast alle Problemstellungen) eingesetzt werden, stellen ab i.d.R. die zweitbeste. Lösung dar, denn sie verwenden kein Domainwissen (spezifische Informationen der Problemstellung, sondern „probieren“ gezielt aus.)

• EAs sind ein zentrales Verfahren und können nur zur vorgelagerten Planung eingesetzt werden (oder müssen ständig eine neue Lösung berechnen, sobald es zu Änderungen kommt)

• Problemstellungen sind in der Praxis i.d.R. so komplex, dass optimale Abläufe nicht berechnet werden können

• Heuristiken berechnen gute Lösungen mit vernünftigen Rechenaufwand

• Weitere Potentiale werden erforscht und durch ML und KI entwickelt

• Durch die CPS und die Veränderungen der I4.0 werden dezentrale Lösungen möglich und führen zu erhöhter Robustheit

• Im Kontext von Industrie 4.0 stellen die Steuerungssysteme und deren Vernetzung mit Aktoren und Sensoren in Maschinen und Produktionssystemen eine der wichtigsten Basistechnologien dar.

• Insbesondere durch die Verschmelzung von Informationstechnologien und Steuerungsaufgaben sind neuartige Steuerungsarchitekturen möglich und sinnvoll.

• Mit den bestehenden starren Steuerungsarchitekturen und -systemen lassen sich innovative Konfigurations-, Planungs- und Optimierungsalgorithmen nicht umsetzen.

→ Die Steuerung aus der Cloud beschreibt also eine Steuerungsarchitektur, die die Fähigkeit besitzt, die komplexen Anforderungen der I.4.0 zu handhaben.

• Für eine wirtschaftliche Produktion in turbulenten Märkten sind ständig. Anpassungen der Produktion durch Rekonfiguration und Selbstoptimierung der komplexen Automatisierungslösungen zunehmend erforderlich.

• I4.0: CPPS nehmen Änderungen in Umgebungen wahr und passen sich selbstständig an

• Dazu Ist eine immer stärkere Integration von Intelligenz in Form komplexer Algorithmen in die Steuerung solcher Systeme notwendig. Bisherige Steuerungen bieten nicht die notwendigen Voraussetzungen und erfordern neue Architekturkonzepte.

• Steuerungsarchitektur ist eine Basis-Plattform und stellt Rechenleistung für Algorithmen zur Umsetzung von I.4.0 zur Verfügung.

• Zusätzlich erfordert die Organisation einer solchen intelligenten Produktion neben der Wahrnehmung der Umgebung mit Sensoren eine geeignete Vernetzung der CP(P)S

1. Jeder Maschine (Roboter etc.) besitzt eine eigene abgeschlossene Steuerung

2. Rechenleistung für aufwendige Algorithmen zu gering

3. Nicht skalierbar

4. Statisch konfigurierte Schnittstellen zum Informationsaustausch

5. Nicht Wandelbar noch rekonfigurierbar

6. Steuerung erfolgt top-down

7. Simulation auf separaten Rechnern nur über spezielle Schnittstellen

8. Mangelnde Sicherheit (Cyber-Security)

9. Bedienbarkeit (Verhalten nur vor Ort einsehbar)

10. Erschwerte Datenprotokollierung und Dokumentation

11. Hohe kosten der Steuerungstechnik (bis zu 10%)

1. Skalierbarkeit der Performance der Steuerung

2. Interaktion und Kooperation zwischen Steuerungsinstanzen

3. Keine Hardwareschnittstellen mehr --> mehr Flexibilität in der Produktion

4. Innovative Bedienkonzepte

5. Darstellbarkeit von Informationen

6. Fehlerdiagnose (Predictive Maintenence)

7. Transfer von fachbezogenem Know-how in vertikal- spezifischen Analyse Apps

8. Integrierte Betriebsdaten mit digitalem Zwilling zur Optimierung von Simulation und Engineering

9. Bessere Sicherheit

Echtzeitfähig, Verfügbarkeit und funktionale Sicherheit

Vorteile

• Weltweites Netzwerk aus Produkten (AT-Systeme, Smart Meter)

• Transfer von fachbezogenem Know-how in vertikal- spezifische Analyse-Apps

• Integrierte Betriebsdaten mit digitalem Zwilling zur Optimierung von Simulation und Engineering (modellbasierte Analyse)

• Plug-and-Play-Konnektivität zur schnellen Anbindung von Assets ohne Programmierung

• Ecosystem mit breit gefächerter Fachkompetenz und horizontalen IT-Fähigkeiten

Nachteile

• nada

Vorteile:

Hochentwickelte In-Memory-Verarbeitung ohne Latenzzeiten

• Erkenntnisgewinn in Echtzeit aus Big Data und dem Internet der Dinge

• Integriertes Datenmanagement für mehr Skalierbarkeit und weniger Komplexität

• Unterstützung moderner Anwendungen, die Geodaten und Streaming-Daten verarbeiten ohne die Daten in das ERP laden zu müssen.

• Echtzeit Interaktionen; schnellere Anpassungen im Betrieb führen zu Vorteilen im Wettbewerb.

• Einfachheit des Datenbanklayouts ermöglicht eine schnellere Datenerfassung und bringt erhebliche Verbesserungen im Berichtswesen mit sich.

• Vorausschauende Analysen und Simulationen gewähren ein Ausblick in die Zukunft. − Verringerung der IT-Landschaft reduziert die IT-Betriebskosten um 37 %.

Nachteile:

• Hohe Herstellerabhängigkeit

• Relativ hohe Lizenz- und Wartungsgebühren

• Relativ geringe Verbreitung und entsprechend geringe öffentlich zugängliche Wissens- und Erfahrungsbasis (Usergroups, Blogs, Communities) gegenüber klassischer Datenbanklösungen.

• Derzeitige Steuerungssysteme haben Defizite, insb. in Hinblick auf Vernetzung, Datenaustausch und Rechenkapazität

• Die Anforderungen an Stabilität, Sicherheit und Verfügbarkeit sind hoch

• Echtzeitanforderungen und breite Vernetzung müssen abgestimmt sein

ES (embedded systems) sind Computersysteme, die aus Hardware und Software bestehen und die in komplexen technischen Umgebungen eingebettet sind. Diese Umgebungen sind meist maschinelle Systeme, in denen das eingebettete System mit Interaktion durch einen Benutzer arbeitet oder auch vollautomatisch (autonom) agiert. Die eingebetteten Systeme übernehmen komplexe Steuerungs-, Regelungs- und Datenverarbeitungsaufgaben für bzw. in diesen technischen Systemen. Bsp.: Integrierte Uhr/Stoppuhr in einer Mikrowelle

Echtzeitbetrieb ist ein Betrieb eines Rechensystems, bei dem Programme zur Verarbeitung anfallender Daten ständig betriebsbereit sind, sodass die Verarbeitungsergebnisse innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne verfügbar sind.

Die Daten können je nach Anwendungsfall nach einer zeitlich zufälligen Verteilung oder zu vorbestimmten Zeitpunkten anfallen.

(Ereignis- oder zeitgesteuerte Programmverarbeitung) Ereignis: Sensor liefet ein Ereignis, eine Kamera erkennt ein Hindernis und das muss sofort abgearbeitet werden. Man schaut nur hin wenn etwas geschieht. Bsp.: Airbag im Auto Zeitgesteuert: Es wird in festen Zyklen, also periodisch z.B. eine Temperatur. überwacht. Wenn kritische Temperatur erreicht wird dann bspw. Die Heizung eingeschalter. Also kein Eingabeereignis

Ereignis- oder zeitgesteuerte Programmverarbeitung)

Ereignis: Sensor liefet ein Ereignis, eine Kamera erkennt ein Hindernis und das muss sofort abgearbeitet werden. Man schaut nur hin wenn etwas geschieht. Bsp.: Airbag im Auto

Zeitgesteuert: Es wird in festen Zyklen, also periodisch z.B. eine Temperatur. überwacht. Wenn kritische Temperatur erreicht wird dann bspw. Die Heizung eingeschalter. Also kein Eingabeereignis

Ein Echtzeitsystem (real-time system) ist ein System, bei dem der Zeitpunkt, zu dem Ausgaben vorliegen, bedeutend ist. Das liegt für gewöhnlich daran, dass die Eingabe mit einigen Änderungen der physikalischen Welt korrespondiert und die Ausgabe sich auf diese Änderungen beziehen muss.

Die Verzögerung zwischen der Zeit der Eingabe und der Zeit der Ausgabe muss ausreichend klein für eine akzeptable ”Rechtzeitigkeit“ (timeliness) sein.

• Echtzeitbetrieb bedeutet Rechtzeitigkeit

• Funktionale Korrektheit reicht für korrektes Systemverhalten nicht aus

• Rechtzeitige Bereitstellung der Ergebnisse ist entscheidend

  
  

• Den Rahmen stecken der Eintrittspunkt des Ereignisses und der entsprechende Termin ab

• Termine hängen dabei von der Anwendung ab:

• wenige Mikrosekunden z.B. Drehzahl- und Stromregelung bei der Ansteuerung von Elektromotoren

• einige Millisekunden z.B. Multimedia-Anwendungen (Übertragung von Ton- und Video)

• Sekunden, Minuten, Stunden z.B. Prozessanlagen (Erhitzen von Wasser)

• Ein ES arbeitet nur dann korrekt, wenn seine Reaktion bis zu einer spezifizierten Frist (Delta t max) erfolgt.

• Frist trennt korrektes von inkorrektem Verhalten

Weich (engl. soft) auch „schwach“

• Ergebnis verliert mit zunehmender Terminüberschreitung an Wert (z.B. Bildrate bei Multimediasystemen)

 Terminverletzung ist tolerierbar

Fest (engl. firm) auch „stark“

• Ergebnis wird durch eine Terminüberschreitung wertlos und wird verworfen (z.B. Abgabetermin einer Übungsaufgabe)

 Terminverletzung ist tolerierbar, führt zum Arbeitsabbruch

Hart (engl. hard) auch „strikt“

• Terminüberschreitung kann zum Systemversagen führen und eine „Katastrophe“ hervorrufen (z.B. Airbag, Fluglagerregelung)

 Terminverletzung ist keinesfalls tolerierbar

Hart:

• Nukleare Systeme

• Medizinische Anwendungenn wie Herzschrittmacher

• Airbag,

Fest:

• Fertigungssysteme mit Robotermontage - Frist nicht eingehalten; unsachgemäße Montage —> Qualitätskontrolle muss es erfassen; Unbrauchbar im nächsten Schritt, erst nachgearbeitet werden

Weich:

• Audio - Video -Streaming

• Temperaturregelungen im Raum (Verspätet aber wird gemacht; verminderung der Qualität)

Mikrowelle, Fluglageregelung, Hindernisserkennung (Robotino), Fahrrad Airbag aus Schweden, Feuermelder

Ereignisgesteuerte Systeme werden durch Unterbrechungen gesteuert: Liegt an einem Sensor ein Ereignis (was das ist, muss natürlich definiert sein) vor, dann kann er eine Unterbrechungsanforderung (interrupt request) an den Prozessor senden und damit auf seinen Bedienungswunsch aufmerksam machen.

Eine asynchrone Unterbrechung (Asynchronous Interrupt Request, IRQ) ist ein durch das Prozessor-externe Umfeld generiertes Signal, das einen Zustand anzeigt und/oder eine Behandlung durch den Prozessor anfordert. Dieses Signal ist nicht mit dem Programmlauf synchronisiert. Die Behandlung der Unterbrechung erfolgt im Rahmen der Interrupt Service Routine.

Bei zeitgesteuerten Systemen erfolgt keine Reaktion auf Eingabeereignisse, die Unterbrechungen werden lediglich durch einen, ggf. mehrere periodische Zeitgeber (Timer) ausgelöst. Sensoren werden dann vom Steuergerät aktiv abgefragt.

Dieses Verfahren hat den großen Vorteil, dass das Verhalten sämtlicher Systemaktivitäten zur Compilezeit vollständig planbar. Dies ist gerade für den Einsatz in Echtzeitsystemen ein erheblicher Vorteil, da á priori überprüft werden kann, ob Echtzeitanforderungen eingehalten werden.

→Besser planbar, da man weiß, wann der Aufwand auftritt und wie groß er ist (Rechtzeitigkeit)

• Verarbeitungsergebnisse innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne

• Echtzeitbetrieb bedeutet Rechtzeitigkeit

• Sämtliche Komponenten müssen echtzeitfähig sein

• Netzwerk (z.B.: Profinet)

• Betriebssystem (z.B.: Kithara etc.)

• Tasks (determinischtische [vorher bestimmtbar] Ausführungszeit, WCET (Worst Case Execution Time)

▪ Offenheit - Offene Architekturen. Offene Schnittstellen für den Datenaustausch. Service-orientierte Schnittstellen.

▪ Skalierbarkeit auf viele Anwender und Standorte.

▪ Anpassbarkeit. Funktionale Erweiterungen und Anwendungsentwicklung. Wandlungsfähigkeit zur Anpassung an neue Geschäftsanforderungen.

▪ Wartbarkeit. Einfache, kostengünstige Wartung bei gleichzeitig minimalen Ausfallzeiten. Unterstützung langer Systemlebenszyklen (>10 Jahre).

▪ Transparenz. Einsicht in Daten und Prozesse.

▪ Mehrsprachigkeit für globale Zusammenarbeit und Arbeit in Landessprache.

▪ Sicherheit. Schutz von IP (Intellectual Property). Schutz vor unerlaubten Zugriffen.

▪ Beherrschung von Branchenstandards. Abbildung von Fachlichkeit.

▪ Stabilität und Ausfallssicherheit.

Die Leistungsprobleme eines solchen CPPS, das eine stochastische Mischungsvariabilität zulässt, im Vergleich zu den derzeitigen reinen schlanken JiT TFL nach dem TPS bei vergleichbaren Kapazitätskosten werden jedoch höchstwahrscheinlich sein

- längere PLT (Prozessdurchlaufzeit)

- geringere PCE (Process Cycle Efficiency)

- variabel und daher im Allgemeinen niedriger ER (Exit Rate), d.h. Kapazitätsverlust

- geringere OEE'OEE' (korrigierte Gesamtanlageneffektivität, einschließlich der Nutzungsrate)

- geringere OTD (On Time Delivery) Die Folge der erhöhten Flexibilität, die ein solches automatisiertes System bietet, ist TFL Transferlinie TPS Toyota Produktionssystem JIT Just in time

Übersetzt mit www.DeepL.com/Translator (kostenlose Version)

Die BPS-Prinzipien bilden die Grundlage für das Handeln und die Zusammenarbeit der verschiedenen Funktionen bei der Gestaltung eines nachhaltig verschwendungsfreien und agilen Auftragsabwicklungsprozesses.

Pull-Prinzip - Wir produzieren und liefern nur das, was der Kunde will.

Fehlervermeidung - Wir vermeiden Fehler durch präventive Maßnahmen, um fehlerfreie Produkte an den Kunden zu liefern.

Prozessorientierung - Wir entwickeln und optimieren unsere Prozesse ganzheitlich.

Flexibilität - Wir passen unsere Produkte und Dienstleistungen schnell und effektiv an den aktuellen Kundenbedarf an.

Standardisierung - Wir standardisieren unsere Prozesse und implementieren Best-in-Class-Lösungen.

Transparenz - Unsere Abläufe sind selbsterklärend und einfach; Abweichungen vom Soll-Zustand sind sofort erkennbar.

Kontinuierliche Verbesserung - Wir entwickeln uns kontinuierlich und zielgerichtet weiter.

Eigenverantwortung - Wir kennen unsere Aufgaben, Kompetenzen und Verantwortungen und führen sie aktiv und selbständig aus.

The BPS principles form the basis for action and cooperation among the various functions in the design of a sustainably waste free and agile order fulfillment process.

Pull principle - We produce and supply only what the customer wants.

Fault prevention - We avoid errors by means of preventive measures in order to deliver flawless products to the customer.

Process orientation - We develop and optimize our processes holistically.

Flexibility .- We adapt our products and services quickly and effectively to current customer

Standardisation - We standardize our processes and implement best in class solutions.

Transparency - Our procedures are self explanatory straightforward; deviations from the target situation are immediately apparent.

Continuous improvement - We are developing continually and in a targeted way.

Personal responsibility - We know our tasks, competencies and responsibilities and carry them out actively & independently

Komplexität: NP-vollständig(Praxis)

->Optimale Lösungen können i.d.R. nicht berechnet werden

Weitere Aspekte:

1. Dynamikaspekt (Probleme / Situationen: Personen ausfälle ressouscenausfälle ect)

2. Informationsaspekt (Mit anderen Standorten; anderen Dienstleistern...es liegen nicht immer alle Infos vor)

3. Rechenzeit (Rechenzeit, hört ab 20,5 auf - Lösung: nimmt in kauf, dass qualität nicht mehr top ist - kann rechenzeit verkürzen

4. Lösungsqualität

Ansätze:

Internet-of-Things

Cyberphysische (Produktions-) Systeme

Industrie 4.0

Zentral —-> Dezentral (Anhand von Einheiten entscheiden: man fährt teilweise dezentral besser als zentral; Komplett Dezentral auch nicht möglich)

Ca  1 Stunde im Computer lösbar bei (20,5)

Wachstum, was anzahl der möglichkeiten beträgt: Unzählig viele mögliche Reihenfolgen --> Wachstum exponentiel

“the determination of the order in which a set of jobs (tasks) {i|i = 1, ..., n} is to be processed through a set of machines (processors, work stations) {k|k=1...m}.” [Haupt, 1982]

"die Festlegung der Reihenfolge, in der eine Menge von Aufträgen (Aufgaben) {i|i = 1, ..., n} durch eine Menge von Maschinen (Prozessoren, Arbeitsstationen) {k|k=1...m} zu bearbeiten ist." [Haupt, 1982]

Mit Standardsprioritätsreel (FIFO, LIFO; Short processin time)

--> Bei den Regeln hat man nie diese Optionen; Lassen keine Lücken

--> Komplexes problem

Gantt Chart: Reihenfolge bilden, die Aufträge verteilt

Abbildung zeigt Immer 2 Szenarien; Einer optimiert

Maschine 2 obere: In Optimierung zuerst den roten

Maschine 3: Anordnung der Reihenfolge verändert; Rote auftrag erst hinten fertig (unten) —> Veränderung in Maschine 2; kurze pause des grauens bewirkt, dass der Rote auftrag deutlich früher fertig ist

Die Regeln lassen sich klassifizieren, z.B. nach Single-Attribute und Multi-Attribute, Single Attribute Regeln treffen ihre Entscheidung auf Basis nur eines Kriteriums:

Zeitbasiert, bspw. zur Minimierung der Durchlaufzeit. Einfaches Beispiel: First-Come-First-Serve(FCFS) (Das freie FTS nimmt den Auftrag, der am längsten wartet).

Auslastungsbasierte Regeln (workload-based). Alle Maschinen sollen ausreichend (und möglichst gleichmäßig) mit Aufträgen versorgt werden: Die Regel wählt die Quelle aus, die am vollsten ist oder das Ziel, das am leersten ist.

Distanzbasierte Regeln versuchen die Fahrwege zu minimieren und wählen daher den räumlich nächsten Auftrag aus.

Diese einfachen Regeln (singleattribute) performen relativ gut für ein Zielkriterium, aber i.d.R. sehr schlecht bei anderen. Daher werden in der Praxis häufig zusammengesetzte Regeln oder komplexere Verfahren eingesetzt.

1. Arbeitsplan - CIM Datenbase

   Arbeitsplan – strukturierte Information, was ich auf welchem Arbeitsplatz mit welchem Werkzeug mache;

   -       Von Arbeitsplanern / Produktionsplanung erstellt

   -       Arbeitspläne gelten nur für gewisse Losgrößen

   -       Es entstehen Strukturen

2. Planung - CAPP / IPP

   —> Computer aided process planing / Integrated Process Planing

   • BOM Bill of Material - Stücklisten

   • WP - WorkPlan - Arbeitsplan

   • Simulation / Planung

     • Sequence, Times, Resources

3. CAD / CAM

   —> Computer aided design and manufacturing

   • Kann simuliert werden; hier sieht man was gut oder schlecht ist; zB zu viel Material abgetragen

   • Illustrationen in 3D

4. Execution / Ausführung - MoM / MES

   —> MoM Manufacturing Operation Management; MES Manufacturing Execution System

   • Siehe Ebenen @ Mitsubishi

   • IT System; Edge Computing und Shopfloor - Durch CONTACT Solution —> Offene konsistente Architektur auf allenn Ebenen

   • Digitaler Zwiling

   • CAD, BOM, EC, ERP, MES

-       Humanzentrisch, Nachhaltig, Resilient, KI anwendungen

Auf dem Weg zu einer nachhaltigen, auf den Menschen ausgerichteten und widerstandsfähigen europäischen Industrie Die Industrie 5.0 ergänzt das bestehende Paradigma der Industrie 4.0, indem sie Forschung und Innovation als Triebkräfte für den Übergang zu einer nachhaltigen, auf den Menschen ausgerichteten und widerstandsfähigen europäischen Industrie hervorhebt. Es verlagert den Schwerpunkt vom Shareholder Value auf den Stakeholder Value, was allen Beteiligten zugute kommt. Industrie 5.0 versucht, den Wert neuer Technologien zu nutzen und Wohlstand jenseits von Arbeitsplätzen und Wachstum zu schaffen, während gleichzeitig die planetarischen Grenzen respektiert werden und das Wohlergehen der Industriearbeiter in den Mittelpunkt des Produktionsprozesses gestellt wird.

▪ Standardsoftware: Branchensoftware mit vielen Standards.

▪ Individualsoftware: Für ein Unternehmen individuelle implementiert.

▪ Best of Breed / Best in Class: Integration oft vieler in ihrem Bereich führender Anwendungen über eine Plattform.

Anpassungen: Komplexe Business-Anwendungen werden in der Regel durch sog. Customizing angepasst, um die Standard-Verfahren der Software mit den individuellen, wettbewerbsdifferenzierenden Spezialitäten des Unternehmens zu verbinden. Customizing wird unterschieden nach Konfiguration (ohne manuelle Code- Generierung) und Programmierung. Heute wird Konfiguration vielfach bevorzugt, da dies oft geringere Kosten und bessere Wartbarkeit (Update-Sicherheit) bedeutet.

• Unternehmenssoftware ist Anwendungssoftware in Unternehmen oder anderen Organisationen, die zur Organisation und Durchführung betrieblicher Abläufe eingesetzt wird.

• Wesentlich ist die oft kritische (große) Bedeutung in wertschöpfenden Unternehmensprozessen (Entwicklung, Produktion).

• Unternehmenssoftware dient der Produktivitäts-/ Effizienzsteigerung. Sie unterstützt bei der Dokumentation, Einhaltung gesetzlicher Verpflichtungen, dient der Prozesssteuerung, …

• Sie zeichnet sich i.d.R. durch Abbildung von Branchen- und Fachwissen aus.

• Im Kontext von Globalisierung, Digitalisierung und Virtualisierung ist Business Software essentiell für den betrieblichen Erfolg und die globale Informationslogistik. („Daten sind das neue Öl.“)

  
  

• Anmerkung: Unternehmenssoftware ist kein trennscharfer Begriff, deutet aber deren Einsatzzwecke und damit verbundene Anforderungen / Merkmale an.

PLM = Produktlebenszyklusmanagement

MES = Mehrschichtiges Manufacturing Execution System

IIoT = Industrial Internnet of Things

ERP = Enterprise Resource Planing