[vc_row][vc_column][vc_custom_heading text=“Die „BaSys“ für eine Industrie 4.0″ font_container=“tag:h2|font_size:38|text_align:left|color:%23e30613″ use_theme_fonts=“yes“ css=“.vc_custom_1545057103589{margin-top: -25px !important;}“][vc_custom_heading text=“Dienstplattform zur fähigkeitsbasierten Fertigungssteuerung in Industrie-4.0-Anwendungen“ font_container=“tag:h2|font_size:22|text_align:left|color:%23f07d00″ use_theme_fonts=“yes“][vc_column_text]Daniel Porta, Sönke Knoch, Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz, Susanne Becker, ZF Friedrichshafen AG[/vc_column_text][vc_custom_heading text=“Kurz und bündig:“ font_container=“tag:h3|font_size:17|text_align:left|color:%23ffffff“ use_theme_fonts=“yes“ css=“.vc_custom_1519747666609{padding-left: 15px !important;background-color: #f07d00 !important;}“][vc_column_text css=“.vc_custom_1545057190229{border-top-width: 1px !important;border-right-width: 1px !important;border-bottom-width: 1px !important;border-left-width: 1px !important;padding-top: 10px !important;padding-right: 10px !important;padding-bottom: 10px !important;padding-left: 10px !important;background-color: #eaeaea !important;border-left-color: #aaaaaa !important;border-left-style: solid !important;border-right-color: #aaaaaa !important;border-right-style: solid !important;border-top-color: #aaaaaa !important;border-top-style: solid !important;border-bottom-color: #aaaaaa !important;border-bottom-style: solid !important;border-radius: 1px !important;}“]

Die flexible Fertigung in wandelbaren Produktions­systemen im Zuge der Entwicklungen zur vierten in­dustriellen Revolution stellt viele Unternehmen vor große Herausforderungen. Im Forschungsprojekt BaSys 4.0 arbeitet das DFKI an Ansätzen für eine of­fene Softwareplattform, die diese Herausforderun­gen adressieren. Aus den Anforderungen wurden vier Grundprinzipien abgeleitet, die in eine erste Re­ferenzimplementierung für eine fähigkeitsbasierte Fertigungssteuerung eingeflossen sind und in ei­nem Demonstrator in enger Zusammenarbeit mit dem Automobilzulieferer ZF umgesetzt wurden.

[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row css=“.vc_custom_1519752670572{margin-top: -10px !important;}“][vc_column][vc_column_text]

Wesentliche Treiber der Industrie 4.0 sind die Notwendigkeit zur Flexibili­sierung und Wandelbarkeit der Produktion sowie die effiziente Nutzung von Produktionsressourcen – mit dem Ziel, der Unternehmung Wettbe­werbsvorteile zu verschaffen, etwa durch eine stärkere kundenindividuelle Auftragsfertigung nach dem Prinzip der Losgröße Eins. Die Umsetzung dieser durchaus gegensätzlichen Anforderungen verlangt ein steigendes Maß an Digitalisierung, welche nur durch Dienstplattformen erreicht wer­den kann, die gewisse Grundprinzipien konse­quent umsetzen.

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Dienstplattformen mit offenen Programmier­schnittstellen ermöglichen die Austauschbarkeit von Diensten, verhindern ein Lock-in und fördern die Schaffung eines Ökosystems. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und For­schung (BMBF) geförderten Verbundprojekts Ba­Sys 4.0 [1] forscht das DFKI an einer solchen offenen Softwareplattform für die vierte industrielle Revo­lution und hat eine erste Referenzimplementierung einer fähigkeitsbasierten Fertigungssteuerung zur Realisierung einer flexiblen und wandelbaren Fer­tigung auf GitHub [2] veröffentlicht. Vier essentielle Grundprinzipien bei deren Gestaltung werden im Folgenden erläutert.

[/vc_column_text][vc_custom_heading text=“1. Abstrakte Fertigungsprozesse“ font_container=“tag:h3|text_align:left“][vc_column_text]

Zur Erreichung einer flexiblen und wandelbaren Fertigung müssen auf operationaler Ebene Ferti­gungsprozesse ihre feste Kopplung zu konkreten Betriebsmitteln verlieren. Stattdessen definiert ein Fertigungsprozess einen produktionstechnischen Ablauf, der aus Sicht eines zu fertigenden Pro­dukts abstrakt beschreibt, was zur Herstellung ge­tan werden muss. Somit formuliert ein Ferti­gungsprozess lediglich eine Sequenz von Fähig­keitsanforderungen, die vor oder gar während der Ausführung auf die vorhandenen Betriebsmittel abgebildet werden müssen.

Das DFKI präferiert hier ein zweistufiges Verfahren. In einem ersten Schritt bestimmt ein lo­gischer Fähigkeitsabgleich rein auf Beschreibungs­ebene eine Menge von Betriebsmittelkandidaten, die für eine konkrete produktionstechnische Auf­gabe prinzipiell infrage kommen. Ist die Menge leer, muss eine Wandlung der Fertigungsanlage angestoßen werden, etwa durch Anlernen neuer Fähigkeiten oder Einbringen neuer Betriebsmittel. Anschließend kann im zweiten Schritt unter den Betriebsmittelkandidaten die kontextabhängige Verfügbarkeit der benötigten Fähigkeit sowie de­ren Ausführungskosten verglichen werden. Eine entsprechende Kostenfunktion kann hier etwa Be­triebsmittelzustand, Rüstzustand und notwendige Logistikaufwände berücksichtigen. Dies öffnet den Raum zum Einsatz fortschrittlicher Prozesspla­nungsverfahren zur optimalen und flexiblen Aus­nutzung von Produktionsressourcen.

[/vc_column_text][vc_custom_heading text=“2. Fähigkeitsbeschreibung aller produktions­relevanter Ressourcen“ font_container=“tag:h4|text_align:left“][vc_column_text]

Abstrakte Fertigungsprozesse setzen voraus, dass alle produktionsrelevanten Ressourcen über eine computerinterpretierbare Beschreibung ihrer Fähigkeiten verfügen. Hier unterscheidet man allgemein zwischen typgebundenen Grundfer­tigkeiten und daraus abgeleiteten instanzspezi­fischen Fähigkeiten eines Betriebsmittels im Kontext der Fertigungsanlage, den darauf gefer­tigten Produkten und den entsprechenden Fertigungsprozessen.

Zum effizienten automatischen Abgleich von Fähigkeitsanforderungen eines Fertigungs­prozesses gegen die Menge der konkreten Fähig­keitszusicherungen aller im Werk befindlichen Betriebsmittel zur Produktionszeit ist die Wahl des Formalismus und die Gestaltung der Modelle entscheidend. Das Spektrum reicht hier von fla­chen Merkmalslisten [3] mit skalaren Werten bis zur Verlinkung in Ontologien. Das DFKI geht in seiner Referenzimplementierung einen Mittelweg und überträgt zur Beschreibung und zum Ab­gleich von Fähigkeiten leichtgewichtige semanti­sche Verfahren aus dem Bereich der Dialogverar­beitung auf die Industriedomäne. Die technische Umsetzung fußt auf dem Eclipse Modeling Fra­mework [4] und bildet in einem Fähigkeitenmeta­modell unter anderem relevante Inhalte der DIN-Normen 8580 und 8593 ab.

[/vc_column_text][vc_custom_heading text=“3. Dienstbasiertheit und uniformes Komponentenmodell“ font_container=“tag:h3|text_align:left“][vc_column_text]

Auf technischer Ebene ist der Einsatz einer diens­torientierten Architektur zur Unterstützung von Flexibilität und Wandelbarkeit durch eine einfa­che vertikale und horizontale Integration uner­lässlich. Die Kommunikation erfolgt in der DF­KI-Implementierung lose gekoppelt über eine nachrichtenorientierte Middleware, die über eine eigens definierte und implementierte Program­mierschnittstelle relevante Kommunikationsmus­ter wie Publish-Subscribe oder Request-Response abbildet. Alle Dienste der Plattform registrieren sich an zentraler Stelle in einer Registratur und können darüber auch hinsichtlich der Erreichbar­keit ihres Hosts, ihrer Kommunikationskanäle und ihres Zustands abgefragt werden.

Neben reinen Softwarediensten enthält die Dienstplattform vor allem Gerätedienste. Ein Ge­rätedienst erfüllt zwei Funktionen. Einerseits bie­tet er durch die Umsetzung eines uniformen Kom­ponentenmodells bestehend aus einer definierten Menge an Betriebsmodi (zum Beispiel für reguläre Produktion und Simulation) und einem Zustands­automaten in Anlehnung an PackML [5] nach „oben“ eine einheitliche Schnittstelle an, um darüber einfach von einem Fertigungsprozess an­gesprochen werden zu können. Andererseits abs­trahiert der Gerätedienst in einer Integrations­schicht nach „unten“ von den vielfältigen, teils proprietären Kommunikationsprotokollen, die ein Betriebsmittel auf Controllerebene spricht. Die Implementierung unterstützt aktuell OPC-UA, ROS, MQTT und REST.

[/vc_column_text][vc_single_image image=“7874″ img_size=“large“ add_caption=“yes“ alignment=“center“][vc_custom_heading text=“4. Verwaltungsschalen“ font_container=“tag:h3|text_align:left“][vc_column_text]

Um Informationsfacetten einzelner Dienste zu ei­ner produktionsrelevanten Ressource in einer wo­möglich unternehmensübergreifenden verteilten Diensteplattform logisch zu einem Digitalen Zwilling zusammenzuführen, müssen sogenann­te Verwaltungsschalen [6] zu diesen Ressourcen über deren gesamten Lebenszyklus gepflegt wer­den. Hierfür wurde in BaSys 4.0 eine Referenzim­plementierung auf Grundlage des aktuellen Dis­kussionsstandes in der Plattform Industrie 4.0 [7] umgesetzt und im Rahmen eines Eclipse-Projekts veröffentlicht [8]. Dadurch wird ein uniformer Zu­griff auf verteilte Informationsfacetten einer Res­source über einen einzigen Zugangspunkt ge­währt. Dies wiederum vereinfacht die Entwick­lung weiterer Mehrwertdienste und Benutzer­schnittstellen, wie etwa das in Abbildung 1 (oben) gezeigte Management-Dashboard der DF­KI-Diensteplattform, drastisch.
Durch Einhaltung der beschriebenen Grundprinzipien der DFKI-Referenzimplementie­rung lassen sich vielfältige Anwendungen abbil­den. Zwei davon werden in den nächsten Ab­schnitten angerissen.

[/vc_column_text][vc_custom_heading text=“Simulation und virtuelle Inbetriebnahme“ font_container=“tag:h3|text_align:left“][vc_column_text]

Ein Gerätedienst kann im Betriebsmodus „Simula­tion“ das zugehörige Betriebsmittel auf Prozessebe­ne simulieren [9]. Hierbei werden über die Integrati­onsschicht keine Steuerbefehle an die echte Hardware abgesetzt. Das dazu notwendige Verhal­tensmodell für die Simulation wird über die Ver­waltungsschale bezogen. Dies ermöglicht die virtu­elle Inbetriebnahme von Komponenten im realen System auf Ebene des fähigkeitsbasierten Ferti­gungsprozesses und minimiert den IT-Integrati­onsaufwand bei der realen Inbetriebnahme. Nach erfolgreichem Test kann der Betriebsmodus eines Gerätedienstes zur Laufzeit von „Simulation“ in „Produktion“ gewechselt und fortan das Betriebs­mittel (wieder) real genutzt werden.

[/vc_column_text][vc_custom_heading text=“Sichere Flexibilisierung von Montageprozessen“ font_container=“tag:h3|text_align:left“][vc_column_text]

Die hohe Varianz an zu fertigenden Produkten bleibt nicht ohne Folgen für am Herstellungspro­zess beteiligte Menschen. Die höhere Flexibilität lässt Montagetätigkeiten herausfordernder und da­mit weniger monoton werden. Individuell auf den Werker angepasst, können dabei hybride Prozess­modelle zur abstrakten Beschreibung des Ferti­gungsprozesses eingesetzt werden. Diese gestehen dem Werker abhängig von seiner Erfahrung einen bestimmten Grad von Flexibilität zu. Sensoren in Kombination mit Aktivitätserkennung können eingesetzt werden, um manuelle Tätigkeiten in fle­xiblen Montageprozessen in Bezug auf die Art der Durchführung feingranular, etwa im Hinblick auf optimale Vorgehensweisen, zu analysieren [10] und eine neue Generation von Qualitätssicherung [11] und Werkerunterstützung [12] zu implementieren.

[/vc_column_text][vc_custom_heading text=“Hybride Teams in der wandelbaren Produktion“ font_container=“tag:h3|text_align:left“][vc_column_text]

Zur Illustration der beschriebenen Grundprinzipi­en und der Anwendungen hat das DFKI mit Part­nern wie der ZF Friedrichshafen AG und anderen einen gemeinsamen Demonstrator auf Basis der Diensteplattform entwickelt.

Besucher der CEBIT konnten 2018 auf dem Stand des BMBF den Demonstrator im Rahmen hybrider Mensch-Roboter-Fertigungsszenarien live erleben [13]. Der Demonstratoraufbau ist in Abbil­dung 1 (unten) gezeigt. Er umfasst unterschied­lichste Hardwarekomponenten, die im Dashboard in Abbildung 1 (oben) einheitlich visualisiert wer­den. Zur Steuerung werden die Komponenten über ihre Fähigkeiten angesprochen und in einem Pro­zessablauf basierend auf der Business Process Mo­del and Notation (BPMN) miteinander verknüpft. Durch die eingeführte Abstraktionsschicht bleiben die Prozessmodelle robust gegen Änderungen auf der Hardwareebene. Neue Abläufe lassen sich schnell über einen grafischen Editor modellieren und anpassen.

Durch die Substitution von realen durch si­mulierte Komponenten des Gesamtsystems konnte der Demonstrator nach dem Messeauftritt ohne Veränderung der Prozessabläufe in zwei Teilsyste­me aufgeteilt werden. [14]

[/vc_column_text][vc_custom_heading text=“Auf dem Weg zur industriellen Eignung“ font_container=“tag:h3|text_align:left“][vc_column_text]

Der Automobilzulieferer ZF ist Konsortialpartner in BaSys 4.0 und fertigt weltweit ein großes Port­folio von unterschiedlichsten Getrieben in Los­größen von eins bis zu mehreren Tausend. Wird ein Neu- oder Umbau von Montageanlagen nötig, können einerseits mechanischer Umbau und an­dererseits Änderungen in der Leittechnik durch eine virtuelle Inbetriebnahme unter Nutzung der operativen fähigkeitsbasierten Fertigungsprozesse und der operativen IT-Infrastruktur bis zu einem gewissen Grad parallelisiert und somit beschleu­nigt werden.

ZF profitiert von der Kooperation mit dem DFKI und der Mitarbeit in BaSys 4.0 nicht nur durch Themen rund um die effizientere Nutzung von Produktionsressourcen. Die modulare IT-Ar­chitektur von ZF wird sukzessive um neue Dienste in Einklang mit den geschilderten Grundprinzipi­en erweitert. Mit fortschreitender Standardisierung bei deren Umsetzung können Ressourcen unab­hängig vom Hersteller auf Basis ihrer Fähigkeiten verwendet werden. Die Standardisierung ist für eine unternehmensweite Einführung unbedingt erforderlich. So wird beispielsweise auch der heute noch hohe Schulungsaufwand zur Vermittlung der ZF-eigenen Standards bei der Einbindung neuer Lieferanten reduziert. .

[/vc_column_text][ult_createlink title=“Zu den Literaturangaben“ btn_link=“url:http%3A%2F%2Fbit.ly%2F2OUP8kD|title:Literaturangaben|target:%20_blank|“ link_hover_style=“Style_1″ text_hovercolor=“#f07d00″][/vc_column][/vc_row]