Die Komponenten des Material-Handling-Segments wandeln sich zusehends hin zu modularen Einheiten. Der internationale Wettbewerbsdruck führt weiterhin dazu, dass neue Anforderungen wie beispielsweise die bessere Einbindung des Bedienenden bei gleichzeitiger Erhöhung der funktionalen Sicherheit, entscheidende Faktoren für die Akzeptanz der Lösungen am Markt darstellen.

Der 1. Teil des Artikels in Ausgabe 10/22 auf S. 34 ging darauf ein, wie in Zukunft die Steuerungssysteme und die IIoT-Plattformen gestaltet sein sollten, um die erwähnten Anforderungen erfüllen zu können. Nächster wichtiger Punkt ist die Indoor-Lokalisierung.

Die Indoor-Lokalisierung

Die Lokalisierung von Maschinen und Personen ist Grundvoraussetzung, um ortsbezogene Daten über ein Application Programming Interface (API) zur Verfügung stellen zu können. Daher ist es wichtig, ein robustes und zuverlässiges Ortungssystem zu integrieren, um Funktionen, die einen Ortsbezug benötigen, zu unterstützen. Ein Pfeiler, der im Projekt von Comnovo umgesetzten Lokalisierung, ist die Positionsbestimmung über Ultrabreitband (UWB), einer funkbasierten Technologie, die ein breites Frequenzspektrum von mindestens 500 MHz nutzt. Das macht UWB, im Vergleich zu anderen Funkkonzepten, robust gegenüber Störungen. Auch die Interferenz mit anderen Schmalbandlösungen ist sehr gering, was die Koexistenz verschiedener Systeme ermöglicht. In Kombination mit einer sehr präzisen Uhr auf den UWB-Chips ist es möglich, die Distanz zwischen zwei Geräten zu ermitteln
Um aus den mittels des UWB-Systems gemessenen Entfernungen eine Position zu ermitteln, wird ein Kalman-Filter verwendet, der auf dem Prinzip der Trilateration beruht. Diese benötigt eine Distanzmessung zu drei ortsfesten Ankern mit bekannter Position, um eine eindeutige Position in einem zweidimensionalen Raum oder zu vier Ankern in einem dreidimensionalen Raum bestimmen zu können (Bild 1).

Bei der Lokalisierung von Personen kommt – neben UWB – auch eine Inertial Measurement Unit (IMU) zum Einsatz. Eine IMU misst die Beschleunigungen und Rotationsgeschwindigkeiten über jede der drei Raumachsen. Beide Messungen werden verwendet, um den lokalen IMU-Referenzrahmen zunächst an der vertikalen Achse über die Gravitation an der realen Welt auszurichten und seine Drehung zu verfolgen. Dann wird die gemessene (und gedrehte) Beschleunigung zweimal integriert, um die Positionsänderung der Person zu berechnen. Die permanente Integration von verrauschten Sensorwerten resultiert in einem stetig ansteigenden Fehler, der die Genauigkeit der Lokalisierung im Laufe der Zeit beeinträchtigt. Dieser Effekt wird durch Zero-Velocity-Updates (ZUPT) mit fußmontierten Sensoren abgeschwächt. Diese Methode nutzt die Zeitspannen, in denen ein Fuß den Boden berührt, um den akkumulierten Fehler zu analysieren und zu korrigieren, da sich der Sensor in einer Ruhelage befindet und somit die Position sowie Ausrichtung für einen Moment unverändert bleiben.

Die UWB-Lokalisierung nutzen vor allem die für den Materialfluss zuständigen Industriemaschinen, Krane, Flurtransportsysteme und Stapler. Da die Krane nicht nur in der XY-Ebene, sondern auch vertikal in der Z-Achse verfahren, hat jeder Kran zwei UWB-Tags, nämlich sowohl je einen an jeder Laufkatze für die Bestimmung der X- und Y-Koordinaten, sowie einen weiteren Tag am Lasthaken, damit der entsprechende Tag an der Laufkatze die Z-Koordinate bestimmen kann. Die Tags an den Laufkatzen sind direkt über eine CAN-Schnittstelle mit der DCP-Steuerung verbunden. Bei Personen besteht die besondere Herausforderung darin, dass die Anbringung eines UWB-Tags nicht an jeder Position des Körpers möglich ist. Daraus folgen Abschattungen der Antenne, die zu einem Abfall in der Genauigkeit der UWB-Lokalisierung führen. Daher wurde aus Sicherheitsgründen bei Personen, wie einem Kranbedienenden, von vornherein auf eine Kombination der UWB-Lokalisierung mit einem IMU-System gesetzt. Aufgrund dessen entwickelten die Universität Rostock, Thorsis und Comnovo ein „Wearable“, das die Anbringung verschiedener Sensorik an den Körper erlaubt (Bild 2). Die Standortdaten werden über OPC UA veröffentlicht, wobei eine „leichtgewichtige“ Version der IIoT-Plattform zum Einsatz kommt.

Die 3D-Planung, -Simulation und -Visualisierung

Das Ziel der 3D-Werkzeuge ist es, die geometrische Auslegung der Anlage beziehungsweise Produktions- oder Montageprozesse zu planen, die in Optimum entwickelten Assistenzfunktionen zu veranschaulichen und anschließend in einer virtuellen Umgebung zu simulieren. Die im Planungstool erstellten Fabriklayouts lassen sich direkt in die Simulations-Anwendung übertragen. Die erstellten 3D-Geometriemodelle wie die von Tarakos finden in Simulationsmodulen ihre Wiederverwendung. Bild 3 zeigt die Definition von Gebieten, die von Kranen und anderen Maschinen nicht überfahren werden dürfen.

Für die Kommunikation mit Steuerungssystemen bietet das Simulationstool eine Plugin-Schnittstelle, über die sich die bidirektionale Anbindung an das verteilte Steuerungssystem DCP realisieren lässt. Über diese Plugin-Schnittstelle sind auch alle anderen Simulationskomponenten mit der verteilten Steuerung verbunden. Der Bediener kann den virtuellen Kran per Smartphone verfahren – genau wie den Kran im realen Demo-Montage-Prozess. In der 3D-Simulation gibt es Module, um das Verhalten der Krane, der Bedienenden und der Fahrzeuge zu simulieren. Die Positionsdaten der einzelnen Objekte, die sich aus dem simulierten Verhalten ergeben, werden an die DCP-Steuerung übertragen.

Sind weder für den Bediener noch für den manuell bedienten Gabelstapler Steuerungsanwendungen nötig, werden die im Simulationsmodell generierten Positionsdaten an die IIoT-Plattform gesendet. Im realen Demonstrator bezieht die IIoT-Komponente die Positionsdaten direkt vom Positionstag über UWB und stellt sie auf dem OPC UA-Informationsmodell der IIoT-Plattform zur Verfügung. Die IIoT-Plattform verhält sich in der Simulation wie im realen Demonstrator, da sie keine direkte Schnittstelle zu den physischen Komponenten hat. Die verteilte Steuerung ist im Simulationsfall so genau wie möglich an die des realen Demonstrators angepasst. Der Datenfluss von der HMI zur IIoT-Plattform und zur DCP ist genau derselbe, da er nur Standard-Netzwerkverbindungen mit entsprechenden Kommunikationsprotokollen erfordert.

Die Frage der Cybersecurity