Internet der Dinge

Ausgangssituation und Fragestellung

Steuerungssysteme für den innerbetrieblichen Materialfluss haben bereits heute einen Komplexitätsgrad erreicht, der mit herkömmlichen Systemarchitekturen kaum mehr zu beherrschen ist. Daher sind neue Konzepte zum Gestalten und Betreiben wandlungsfähiger Fabrikstrukturen notwendig.
Intelligente Softwareagenten sollen in Zukunft den Materialfluss dezentral steuern.

Projektziele

Im Rahmen dieses Forschungsverbundes soll die derzeit auf einem oder wenigen Zentralcomputern ablaufenden Steuerungs- und Entscheidungsprozesse, wie z.B. Ansteuerung von Motoren, Schalten von Weichen oder Wahl der zu befahrenden Routen, sinnvoll und strukturiert auf die einzelnen Materialflussgeräte und zu transportierenden Behälter verteilt werden. Kurz gesagt: Das Paket soll selbst entscheiden, wie es an sein Ziel gelangt und sich eigenständig durch den Materialfluss bewegen, ohne von einer Steuerungszentrale abhängig zu sein.

Vorgehensweise

An Stelle eines hochkomplexen und relativ fehleranfälligen zentralen Steuerungssystems treten einzelne und selbststeuernde Materialflussmodule. Diese werden soweit wie möglich standardisiert, können aber je nach technischen Gegebenheiten und anwendungsspezifischen Anforderungen durch spezielle Fähigkeiten erweitert werden. Mit Hilfe einer geeigneten Kommunikationsinfrastruktur stimmen sich die Module in ihrem individuellen Handeln untereinander ab und tauschen notwendige Informationen aus. Anders als bisher muss einem solchen System nur noch mitgeteilt werden, „WAS“ es zu tun hat, während sich das „WIE“ bzw. die dafür notwendigen Einzelschritte aus dem Zusammenspiel der individuellen Materialflussmodule ergeben. Diese Vision beruht auf verschiedenen technologischen Innovationen, wie z.B. RFID oder dezentralen Steuerungs- und Kommunikationsmechanismen, die gezielt vorangetrieben werden.

Ergebnisse

Ausgehend von einer Analyse verschiedener Materialflussanlagen aus dem Bereich der Lager-, Kommissionier- und Gepäckfördersysteme und deren Lebenszyklusphasen (Planung, Realisierung, Inbetriebnahme und Betrieb) wurden Optimierungspotenziale und technische Handlungsfelder identifiziert. Diese bildeten die Grundlage für die Entwicklung eines Modularisierungskonzeptes, das sich an leicht standardisierbaren und einfach wieder verwendbaren logistischen Funktionen orientiert. Die elementare, autonom agierende Einheit des "Internet der Dinge" wird dabei als Entität bezeichnet: Die Fördertechnik wird in Module gegliedert - beispielsweise Förderer, Weichen, Zusammenführungen oder Unstetigförderer - die in Zusammenarbeit mit intelligenten Transporteinheiten den Materialfluss steuern, ohne eine zentrale Instanz zu benötigen. Auch Softwaretools zum Überwachen und Visualisieren des Systems werden als autonome und gekapselte Einheiten betrachtet und realisiert, sodass sich ein Materialflusssystem durch die Kopplung dieser drei Arten von Einheiten realisieren lässt.

Dass auf eine zentrale Steuerung tatsächlich verzichtet werden kann, wurde zum einen durch die Untersuchung typischer Materialflussstrategien (Sortierung, Paarbildung, Koordination mehrerer Fahrzeuge / Querverschiebewägen in einem Bereich) und deren dezentrale Umsetzung gezeigt. Verschiedene Demonstratoren in der Versuchsanlage des Lehrstuhls und mehrere Emulationsszenarien wurden mittels eines auf JADE (Java Agent Development Framework) basierenden Agentensystems umgesetzt und belegen die Umsetzbarkeit auch komplexer Strategien und Koordinationsaufgaben mittels autonomer Intelligenzen. Zum anderen wurde ein Konzept entwickelt, um die (projektspezifische) Geschäftslogik eines Systems von den (standardisierbaren) Materialflusssteuerungsvorgängen zu trennen. Mit einer so genannten "Workflow Engine" - einem Mechanismus zum Modellieren und Abarbeiten beliebiger Arbeitsabläufe - ausgestattete Transporteinheiten sind in der Lage, sich selbst durch das System zu steuern und ihre eigene Aufgaben (z.B. das Kommissionieren mehrerer Artikel und anschließend der Versand) selbst wahrzunehmen.

Der Erfolg eines modularen Konzepts hängt stark vom Grad der Wiederverwendbarkeit seiner Komponenten ab. Um die Ebene der Materialfusssteuerung von hardwarespezifischen Besonderheiten zu trennen, wurde für Fördertechnikmodule eine Abstraktionsschicht bzw. Middleware entwickelt. Diese vermittelt zwischen den beiden Steuerungsebenen eines Moduls, was zum einen eine bessere Strukturierung der Aufgabenbereiche zwischen E/A-Ansteuerung und Logistikprozessen ermöglicht, zum anderen auch zwischen recht einfacher aber echtzeitkritischer und komplexer aber nicht echtzeitkritischer Funktionalität unterscheidet.

Es konnte gezeigt werden, dass das Internet der Dinge durch seine hohe Flexibilität, Robustheit und Rekonfigurierbarkeit zum einen technische Vorteile gegenüber heutigen Steuerungsarchitekturen hat. Zum anderen zu ist auch eine erhebliche Verringerung der Aufwände bei Planung, Realisierung, Inbetriebnahme und Umbau einer Anlage zu erwarten.

Forschungspartner

  • Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik, Dortmund

Projektpartner

  • J.Schmalz GmbH Förder- und Handhabungstechnik, Glatten
  • Lanfer Systemhaus GmbH, Borken
  • PSI AG, Berlin
  • Siemens AG CT, Nürnberg
  • Stöcklin Logistik GmbH, Siegen
  • Swisslog Deutschland GmbH, Puchheim
  • Viastore Systems GmbH, Stuttgart

Förderung

Die Forschungsarbeiten werden mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Rahmenkonzepts „Forschung für die Produktion von morgen“ gefördert und vom Projektträger Forschungszentrum Karlsruhe (PTKA), Bereich Produktion und Fertigungstechnologien (PFT) betreut.

Ansprechpartner

Kontakt zum Lehrstuhl

Weitere Informationen auf der Webseite des Fraunhofer IML