Eine der in Industrie 4.0 enthaltenen Visionen ist die Auflösung der Strukturen der Automatisierungspyramide. Unter dem Schlagwort „IP-all“ wird davon ausgegangen, dass spezialisierte Feldbusse durch eine IP-basierte Standardkommunikation ersetzt werden. Für die Umsetzung dieser Vision fehlen heute allerdings noch industrietaugliche und echtzeitfähige Lösungen, weshalb kurzfristig nur folgender gemischter Ansatz umsetzbar ist: die Nutzung der Vorteile von IP-basierten Systemen mit dezentralisierter Intelligenz im Zusammenspiel mit hart echtzeitfähigen SPS-Steuerungen mit eigenen leistungsfähigen Feldbussen.

Mit diesen Forschungsansätzen setzt sich die Harting Technologiegruppe im Verbundprojekt „FlexiMon – Flexibles Montagekonzept durch autonome mechatronische Fertigungskomponenten“ auseinander. Das Projekt ist Bestandteil des Spitzenclusters „It’s OWL“, welches im Spitzencluster-Wettbewerb des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Hightech-Strategie 2020 für Deutschland durchgeführt wird.

Was ist das Ziel? Die zunehmende Individualisierung der Produkte aufgrund spezifischer Kundenwünsche fordert flexible Fertigungssysteme, die es ermöglichen, maßgeschneiderte Lösungen unter den Bedingungen der Massenfertigung herzustellen. Harting-Kunden können schon heute Steckverbinder per Internet regelbasiert konfigurieren und bestellen. Zukünftige intelligente Produktionssysteme oder sogenannte Smart Factories sollen daraus Fertigungsaufträge ableiten und selbst­ständig einplanen können. Die Produktion erfolgt dann vollständig vernetzt, basierend auf digitalen Fertigungs- und Produktionsdaten mit flexiblen Fertigungsmodulen. Gefordert sind also modulare Produktionsplattformen, die ähnlich effizient wie heutige Smart­phones konfiguriert werden können, aber die Prozesssicherheit und Effek­tivität moderner Fertigungslinien aufweisen.
Modulare Hardware

Harting und die  Uni Bielefeld verfolgen deshalb die Entwicklung flexibler Fertigungszellen mit „Plug-and-Produce“-Fähigkeiten. Diese sollen mit minimalen Umrüstzeiten durch den Mitarbeiter oder automatisch konfiguriert und mittels offener Standards horizontal in Fertigungslinien sowie vertikal in die Unternehmens-IT integriert werden können (Bild 1). Schlüssel zur Realisierung einer solchen modularen Produktionsplattform ist dabei die Entwicklung einer aufeinander abgestimmten Hardware- und Software-Architektur auf der Ebene von Fertigungszellen und Fertigungslinien. Die Identifikation technischer und konzep­tioneller Grundannahmen der Modu­larisierung ist dabei eine notwendige Voraussetzung für die Umsetzung im Projekt. Die FlexiMon-Fertigungszellen weisen beispielsweise ein standardi­siertes geometrisches Format sowie flexible Befestigungssysteme für Prozesskomponenten auf, sind mit einer eigenen Echtzeitsteuerung und Control Panel als lokale Mensch-Maschine-Schnittstelle, RFID-Lese-/Schreibeinheiten sowie einem Leichtbauroboter als universelles Handhabungsgerät ausgestattet.  Auf Basis dieser invarianten Grundstruktur können die Module Hardware-seitig durch zusätzliche Prozesskomponenten in der von ihnen angebotenen Funktion spezialisiert werden, zum Beispiel durch die Installation einer Schraubeinheit oder einer Prägepresse.

Modulare Software mit Service-Charakter

Entsprechend der Strukturierung der Hardware weist auch die Software-Architektur der einzelnen Fertigungszelle eine modulare Struktur auf.

Bild 1. Die Fertigungs­linie heute und morgen: Der klassische monolithische Aufbau weicht einem modularen und autonomen Aufbau, bestehend aus Fertigungs­modulen, flexiblem Handlingsystem und mobiler Be­dienung.

© Harting

Hierbei werden die Software-seitigen Anbindungen der spezifischen Prozess­komponenten in den unterstützten IEC-61131-3-Sprachen der jeweiligen Steuerungssysteme, aber unabhängig und möglichst ohne Vorannahmen über ihren Ausführungskontext echtzeitfähig implementiert.

Durch die architekturkonforme Implementierung dieser Funktionen entlang definierter Schnittstellen stehen die wiederverwendbaren Funktionsbausteine für die dynamische Konfiguration und Ausführung zur Laufzeit innerhalb der geschaffenen Systemarchitektur auf Zellen- und Linienebene als Service zur Verfüg­ung. Neben der echtzeitfähigen Aus­führung dieser Services innerhalb einer Fertigungszelle, sind die angebotenen Services auch über IP-basierte Standardprotokolle innerhalb einer Fertigungslinie aufrufbar. Ergänzend zu den direkt in der Echtzeitsteuerung realisierten Funktionen können hiermit zusätzliche Ser­vices außerhalb des Echtzeitsystems angebunden werden. So kann für die Programmierung der Roboterfunktionen auf leistungsfähige Software-Komponenten aus der Forschung, wie beispielsweise MoveIt (http://moveit.ros.org), zurückgegriffen werden.

Ein allgemeingültiges Prozessmodell

Aufbauend auf diesen modularen Grundfunktionen der Fertigungszellen ist ein wesentlicher Schwerpunkt des FlexiMon-Projekts die Entwicklung einer Koordinationsarchitektur auf Linien­ebene, die eine flexible Komposition von Fertigungsmodulen und ihrer Services für die Realisierung unterschied­licher Produktionsprozesse erlaubt.

Ein entscheidender Baustein ist dabei ein Prozessmodell, das auf allen Ebenen und in allen Prozessschritten konsistent bleibt und die vollständige Beschreibung des Produktionsprozesses erlaubt. Im Rahmen von FlexiMon wird hierfür – an Stelle üblicher Sequential Function Charts, UML-Aktivitätsdiagrammen oder Statecharts – BPMN2 als grafische Spezifikationssprache für die hierarchische Modellierung von Produktionsprozessen bis hin zur Maschinenebene verwendet.

Die für die Ausführung solcher Prozessmodelle notwendige Koordinationsarchitektur weist dabei für eine Fertigungslinie eine übergeordnete sowie je eine lokale Koordinationskomponente pro Fertigungszelle auf. Diese „Process Engines“ können produkttyp-spezifische Prozessmodelle dynamisch aus einer Datenbank abrufen und bei Bedarf innerhalb der Systemarchitektur der modularen Fertigungslinie ausführen. Die ausführbaren Prozessmodelle enthalten typischerweise eine Sequenz von wiederverwendbaren Sub-Pro­zesse beispielsweise für eine Schraub­aktivität, die in den Koordinations­komponenten der Fertigungsmodule ausgeführt werden und in Aufrufen der beschriebenen Services resultieren. Darüber hinaus können Prozessmodelle weitere Aktivitäten und Sub-Prozesse wie beispielsweise Interaktionen mit dem Maschinenbediener oder -einrichter sowie die Kommunikation mit anderen Akteuren oder Teilsystemen der modularen Produktionsplattform enthalten.

Produkt und Prozessmodell vereint

In der Koordinationsarchitektur wird für die konkrete Fertigung eines individuellen Produkts jeweils eine neue In­stanz eines Prozessmodells erzeugt und gestartet. Die „Verheiratung“ von Prozessinstanz und Produkt – also die Erzeugung und spezifische Parametrisierung eines als Modell vorhandenen Prozesses – erfolgt dabei über einen definierten Eintrittspunkt in eine Fertigungslinie, beispielsweise über das Auslesen eines RFID-Tags. Die auf Basis eines passenden Prozessmodells erzeugte Prozessinstanz begleitet jedes Produkt über seinen Lebenszyklus hinweg durch die Zellen der Fertigungslinie. Diese Eigenschaft erlaubt später eine einfache Nachvollziehbarkeit der Produktionshistorie eines einzelnen Produkts innerhalb der wandlungsfähigen Produktionsumgebung.

Die Unterstützung parallel aktiver Prozessinstanzen durch die Koordina­tionsarchitektur erlaubt zudem die zeitgleiche Fertigung verschiedener Produkte in einer Fertigungslinie. Durch die spezifischen Prozessinstanzen können in einer physisch konfigurierten Anlage alle Hardware-seitig möglichen Varianten von Produkten gefertigt werden und somit eine Art „One-Piece Flow“ erreicht werden.

Die offene Plattform

Bild 2: Durch die Interpretation von BPMN2-Workflows werden SPS- und Roboterfunktionen modulspezifisch ausgeführt.

© Harting

Die realisierte Koordinationsarchitektur bietet eine offene und herstellerunabhängige Integrationsplattform, die über die BPMN2-basierten Prozessmodelle eine explizite Verzahnung aller relevanten Ebenen innerhalb des Produktionsprozesses über IP-basierte Standardprotokolle erlaubt (Bild 2). Aufgrund der zunehmenden Verbreitung von BPMN2 in der Unternehmens-IT verspricht das vorgestellte Konzept eine nahtlose Abbildung der Produktionslogik in die ERP-Ebene in Ergänzung zu den Möglichkeiten etablierter Standards wie OPC-UA.

Perspektivisch soll ein in BPMN beschriebener Produktionsprozess durch den individuellen Kundenwunsch bereits auf der ERP-Ebene angelegt und sukzessive vervollständigt werden. Sollten beispielsweise Informationen zur Ausführung auf der Maschinenebene fehlen, kann ein Experte für den Produktionsprozess diese direkt an der Maschine über eine benutzerfreundliche Schnittstelle dem Prozessmodell hinzufügen.

Inkrementelle Optimierung

Um Fehlerrisiken beherrschbar zu machen, die auf eine erhöhte technische Komplexität durch die konsequente Modularisierung zurückgehen, werden die Mitarbeiter im Konfigurations- und im Produktionsmodus durch Assistenzfunktionen unterstützt (Bild 3).

Bild 3: Die Rolle des Mitarbeiters in der Smart Factory wandelt sich zu einem „Augmented Operator“, der die Maschine interaktiv anpassen und überwachen kann.

© Harting

Damit können Fehlerzustände im Betrieb interaktiv beschrieben und mit Produktionsdaten sowie aktiven Prozess-Schritten in den Prozess-Modellen assoziiert werden. Diese Daten werden in der folgenden Projektphase die Anwendung maschineller Lern­verfahren zur Parameter- und Prozessoptimierung oder das Trainieren von Klassifikationsalgorithmen für das Condition Monitoring erlauben. Auf dieser Basis können wiederum Prozessmodelle automatisch verbessert und die Bediener in der Interaktion mit der Maschine unterstützt werden. Mitarbeiter können auf diese Weise frühzeitig in die flexibilisierten Produktionsformen eingebunden werden und sie zudem aktiv mit gestalten.

Das Projekt FlexiMon zeigt, wie eng die Informationstechnik und die Automatisierungstechnik zusammenwachsen. Geschieht dies nicht im Wettstreit, sondern in der jeweiligen Nutzung der individuellen Stärken, so sind neue Konzepte und Lösungen möglich. In diesem Projekt wird ein wichtiger Schritt getan, um die Idee von Industrie 4.0 praxisorientiert umzusetzen und am konkreten Beispiel für die beteiligten Menschen begreifbar zu machen.

Autoren: Dr. Volker Franke ist Geschäftsführer der Harting Applied Technologies GmbH und Dr. Sebastian Wrede ist Leiter Cognitive Systems Engineering, CoR-Lab & Citec, Universität Bielefeld.

Was steckt hinter BPMN2?

BPMN2, zu Deutsch Geschäftsprozessmodell und -notation, besteht aus einem Satz an grafischen Symbolen sowie einer definierten XML-Syntax für den Modellaustausch und wurde ursprünglich für die Verbesserung der Kommunikation zwischen IT und Fachabteilungen entwickelt. Dank einer definierten Semantik lassen sich in BPMN2 beschriebene Prozesse in einer entsprechenden Architektur direkt aus­führen. BPMN liegt seit 2006 als OMG Standard vor, die in 2011 veröffentlichte Version 2.0 hat inzwischen eine breite Akzeptanz gefunden.

Das interaktive Modellierungswerkzeug auf Basis von BPMN2 für eine flexible Montage mit beispielhaftem Prozessmodell.

© Harting

Für die grafische Modellierung von Prozess­abläufen bietet BPMN2 Diagramme und Konzepte an, die Ähnlichkeiten zu UML-Aktivitätsdiagrammen aufweisen, aber detailliertere Beschreibungen von parallelen und zeitgesteuerten Aktivitäten, Nachrichten, Ereignissen und Daten sowie der beteiligten Systeme und Benutzer ermöglichen. Beistehende Grafik zeigt einen Ausschnitt eines in der Entwicklung befindlichen Modellierungstools, welches auf einfache Weise die Zuweisung und Parametrisierung von Prozessschritten auf einzelne Module sowie deren logische Verknüpfung erlaubt. So wird ein neuer oder bestehender Prozessschritt aus dem Pool an verfügbaren Aktivitäten durch Drag-and-Drop einer Fertigungszelle und einem Produktionsprozess zugeordnet. Sollte die Zelle in der aktuellen Konfi­guration diese Funktion nicht unterstützen, wird das dem Bediener sofort signalisiert. In ähnlicher Weise können Funktionen zur Interaktion mit dem Bediener in ein Prozessmodell eingebunden werden, die Eingaben und Bestätigungen verlangen oder kontextabhängige Hilfefunktionen anbieten. Dies hat sich in anderen Forschungsprojekten bereits als probates Mittel zur Prozessoptimierung bewährt. Die sonst übliche Trennung zwischen Steuerung, Benutzerinteraktion und externen Systemen wird für die Modellierung der logischen Abläufe aufgehoben und einheitlich in BPMN2 beschrieben. Die über das Modellierungswerkzeug grafisch erstellten Fertigungsprozesse resultieren schlussendlich in Prozessbeschreibungen mit Erweiterungen für die Anbindung an die Fertigungszellen. Die Prozessbeschreibungen werden im BPMN2-XML-Format mit weiteren Systemkomponenten auf der Produktions- oder Planungsebene ausgetauscht.

Die Interpretation eines Prozessmodells resultiert in koordinierten Aufrufen der den modellierten Aktivitäten zugrundeliegenden Funktionen durch eine sogenannte „Process Engine“. Diese können direkt als Erweiterungen der Koordinationskomponenten realisiert (beispielsweise zur Überwachung von Produktionsqualität) oder an ein natives Subsystem zur Ausführung übergeben werden (SPS-Funktionsblöcke, Nutzerinteraktion per HMI). Im FlexiMon-Projekt ist die Kommunikation zwischen Process Engine (Java) und Echtzeit-Steuerung dabei über das ADS-Protokoll der Firma Beckhoff sowie zu weiteren Komponenten über OPC-UA und IP-basierte Konnek­toren realisiert. Durch die dynamische Interpretation der Fertigungsschritte ist der aktuelle Produktionszustand jedes Werkstücks jederzeit in der Systemarchitektur bekannt. Dies beinhaltet auch die Nachvollziehbarkeit von Interaktionen mit externen Systemen, den Bedienern oder Fehlerzuständen.

Für die Realisierung prozessintegrierter Architekturen bietet sich eine große Bandbreite an verfügbaren BPMN2-Plattformen an, die sowohl die Einbettung in eigene Systeme erlauben als auch bereits weitgehende Unterstützung für das Monitoring von Prozessen zur Verfügung stellen. Während BPMN2 von Firmen wie SAP bereits im Bereich des Internet der Dinge Anwendung gefunden hat, steht die Nutzung in der Automatisierungstechnik, Robotik und Mensch-Maschine-Interaktion für eine leichtgewich­tige Beschreibung und flexible Ausführung von Fertigungsprozessen in wandlungsfähigen Produktionssystemen noch am Anfang.