Heute wollen Endverbraucher vermehrt direkten Einfluss auf bestellte Produkte nehmen: vom selbst gestalteten Logo über den passenden Produktnamen bis hin zu individuellen Rezepturen und letztendlich einer direkten Lieferung an die Wunschadresse. Herstellern können diese Wünsche neue Märkte und Umsatzwege eröffnen. In der Praxis tun sich jedoch insbesondere Betreiber hochspezialisierter und optimierter Produktionsanlagen schwer mit dem Sprung ins neue Zeitalter. 

Das interdisziplinäre Forschungsprojekt ‚RoboFill 4.0‘ hat sich deshalb mit der Getränke- und Abfüllindustrie gezielt eine Branche ausgesucht, deren hochautomatisierte Anlagen eine möglichst hohe Ausbringung erreichen müssen. Das Konzept von ‚RoboFill‘ sieht vor, dass der Endverbraucher über ein Online-Kundenportal sein persönliches Biermischgetränk zusammenstellen und mit einem frei gestalteten Etikett versehen kann. Dabei wird die individuelle Kundenkonfiguration als Auftrag an die Fertigung weitergegeben. Die einzelnen Produktionsmodule sind so konzipiert, dass sie autark arbeiten können. Über ein lineares Transportsystem und Industrieroboter mit intelligenten Greifsystemen werden die Handhabung an den Bearbeitungsstationen und der Transport innerhalb der Anlage realisiert und gleichzeitig die Linearität aufgebrochen. Die Etikettierung und den Druck auf die Flaschen übernimmt ein spezieller Tintenstrahldrucker. So entsteht eine individuelle Produktion für die Getränkebranche, die sich auf jede diskrete Fertigung adaptieren lässt.

KI im Multiagentensystem

Vereinfachter Aufbau eines Multiagenten­systems inklusive der hierarchischen Aufbau­struktur der Agenten. Durch die Verteilung auf mehrere Container entsteht ein dezentrales MAS.

© Infoteam Software

Dabei ermöglicht ein Multiagentensystem (MAS) als grundlegender Baustein die dezentrale und durch das Produkt selbst getriebene Produktion. Ausgangspunkt sind physische Objekte – wie Industriesteuerungen, Sensoren und Aktoren –, deren digitale Schatten als Software-Agenten abgebildet und so zu Cyber-Physischen Objekten werden. Diese können über eine Kommunikationsinfrastruktur miteinander kommunizieren und Informationen austauschen. Im Fokus der Produktionssteuerung stehen die zu fertigenden Produkte, die ebenfalls als Cyber-Physische Objekte abgebildet sind. Dabei sorgen die digitalen Schatten dafür, dass einfache Objekte, wie zum Beispiel Getränkeflaschen, für den Fertigungsprozess eine künstliche Intelligenz (KI) erhalten und kommunikationsfähig werden. Dafür wird jedes Objekt über eine eindeutige Kennung, etwa per QR-Code, einem digitalen Schatten (Software-Agenten) zugeordnet. 

Die KI der Agenten spiegelt sich in der Kombination aus Zustand, Zielen, Kommunikation und Problemlösungsmethoden wider. Der Agent erreicht  anhand konfigurierbarer Strategien  seine Ziele selbstständig. Dafür nutzt er alle ihm zur Verfügung stehenden Informationen und kommuniziert sowohl mit seiner Umgebung als auch mit anderen Agenten. Ein entscheidender Vorteil der dezentralen, virtuellen Agenten-Intelligenz ist der dynamische Ausgleich beim Ausfall einzelner Komponenten: Die Agenten finden dann selbstständig neue Lösungswege. So kann selbst beim Ausfall eines Teilsystems die Produktion weitergeführt werden. 

Das iAgent-Framework

Gegenüber­stellung von RAMI 4.0, der Industrie-4.0-Komponente und iAgent, wo die Verwaltungs­schale als Software-Agent realisiert wird.

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Die Umsetzung beim RoboFill-Projekt erfolgt mit ‚iAgent‘ von Infoteam Software, einem Framework für die Entwicklung von dezentralen MAS im industriellen Umfeld. Es besteht aus der InfoteamRuntime als Laufzeitumgebung für Container, die unterschiedliche Agenten beinhalten. Ein dezentrales MAS entsteht durch die Verteilung der Container auf mehrere Ausführungsumgebungen (Hosts). Für die Kommunikation zwischen den Agenten steht in jedem Container der Message Transport Service (MTS) bereit. Neben vorgefertigten, einsatzfähigen FrameworkAgents verfügt jeder Container zusätzlich über sogenannte ApplicationAgents. Sie dienen dem Anwender als Vorlage, um eigene Agenten zu implementieren und das MAS den benutzer- und anlagenspezifischen Anforderungen anzupassen. Der Implementierung von Cyber-Physischen Objekten dienen die Basistypen MachineAgent und TransportAgent. Sie repräsentieren den digitalen Schatten von Anlagen- und Fertigungskomponenten. Das Kernelement innerhalb der produktgetriebenen Produktion ist der ProductAgent, der den digitalen Schatten jedes zu fertigenden Produkts repräsentiert. Er verfügt über alle Informationen zu den notwendigen Fertigungsschritten und organisiert selbstständig die Fertigung des zugeordneten Produkts.

Die Kategorie InterfaceAgents beschreibt Agenten zur Realisierung von Schnittstellen zum und aus dem MAS. Als Verbindung zwischen realem Objekt und  Software- Agent implementieren die LinkAgents (Koppel-Agenten) die Kommunikationsschnittstelle zu externen Komponenten. Zu deren Aufgaben zählen die Konvertierung in spezifische Protokolle, die Kontrolle der Zugriffsrechte sowie die Weiterleitung der jeweiligen Kommunikationsanfragen zwischen Agenten und Maschinen. Welche Schnittstellen und Protokolle für die Kommunikation zu einer externen Komponente nötig sind, hängt von den anlagenspezifischen Gegebenheiten ab.

OPC UA als Zugriffsschnittstelle

Als Zugriffsschnittstelle für den Datenaustausch beziehungsweise den Methodenaufruf zwischen Agenten und physischen Objekten kann OPC UA dienen. Ist die Maschine in der Lage, einen eigenen OPC-UA-Server anzubieten, kann für die Anbindung dieser Maschine der beschriebene Koppel-Agent implementiert werden. Besitzt die Maschine keinen eigenen OPC-UA-Server, ist es möglich, die notwendigen Informationen über eine zusätzliche Hardware-Komponente (IoT-Gateway) zu verarbeiten.

Auf Maschinenebene lassen sich somit weiterhin die bereits eingesetzten Feldbus-Protokolle nutzen. Neben der Kommunikation zwischen Maschinen und MAS übernimmt der Koppel-Agent weitere Aufgaben, zum Beispiel die Implementierung sicherheitsrelevanter Aspekte wie Verschlüsselung und Authentifizierung. Ebenso kann er andere externe Systeme wie Datenbanken, Web-Shops oder Oberflächen zur Visualisierung und Konfiguration einbinden. 

Eingliederung in RAMI 4.0

Das von der Infoteam Software speziell für den Einsatz im Industrieumfeld entwickelte Framework lässt sich in RAMI 4.0 (Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0) eingliedern und bildet zusätzlich die Industrie-4.0-Komponente – ein Modell, das Grundlagen von Industrie 4.0 genauer beschreibt –, ab. RAMI 4.0 basiert auf einem dreidimensionalen Koordinatensystem mit folgenden Achsen: 

• Hierarchy Levels: Auf dieser Achse werden die Hierarchiestufen aus der IEC 62264 dargestellt. Diese beschreiben die Funktionalitäten innerhalb der Fertigung.
• Life Cycle & Value Stream: Diese Achse stellt den Lebenszyklus von Anlagen und Produkten dar. Grundlage bildet die IEC 62890 zum Life-Cycle-Management.
• Layers: Die Achse ‚Layers‘ beschreibt den digitalen Schatten und damit das Cyber-Physische Objekt einer Maschine oder eines Produktes.

Mit dem Framework iAgent lassen sich MAS für die industrielle Fertigung erstellen, indem jeder realen Komponente ein digitaler Schatten (Software-Agent) zugeordnet wird. Hierbei werden alle Elemente des dreidimensionalen Koordinatensystems von RAMI 4.0 berücksichtigt. 

Die Industrie-4.0-Komponente

Der MAS-Designer dient zur Konfiguration und Parametrierung individueller Agentensysteme.

© Infoteam Software

Die Industrie-4.0-Komponente ist das erste Modell, das auf RAMI 4.0 basiert und die Grundlagen von Industrie 4.0 sowie die Eigenschaften von Cyber-Physischen Systemen beschreibt. In diesem Modell bildet die Verwaltungsschale den digitalen Anteil – das heißt den digitalen Schatten), während die dazugehörige Komponente, beispielsweise eine Maschine, den realen Anteil repräsentiert. Erfüllen die Komponenten in der Fertigung die Eigenschaften der Industrie-4.0-Komponente, werden sie Industrie-4.0-fähig. Über den gesamten Lebenszyklus hinweg können die Daten der Produktion im elektronischen Container – in ‚iAgent‘ im Software-Agenten – gespeichert und so jeder am Wertschöpfungsprozess beteiligten Instanz zur Verfügung gestellt werden. Die Verwaltungsschale, inklusive des elektronischen Containers, bildet den digitalen Schatten realer Objekte. 

Zu den zentralen Eigenschaften der Verwaltungsschale einer Industrie-4.0-Komponente gehören:

• Kommunikation: Für eine Industrie-4.0-konforme Kommunikation zwischen realen Objekten und deren digitalen Schatten müssen alle Komponenten kommunikationsfähig sein und über eine einheitlich definierte Sprache kommunizieren. Die Verbindung zwischen den Verwaltungsschalen erfolgt über die Industrie-4.0-Kommunikation. Die Kommunikation in ‚iAgent‘ basiert auf einem Nachrichtenschema, indem Agenten und Container Informationen nach einem definierten Ontologie-Konzept austauschen.
• Daten: Alle während des kompletten Lebenszyklus relevanten Daten müssen innerhalb eines elektronischen, abgesicherten Containers gespeichert werden. Dieser Container ist Teil der Verwaltungsschale im Modell der Industrie-4.0-Komponente. Zusammengefasst ergeben alle relevanten Daten, die während der Produktion entstehen, den digitalen Schatten einer Komponente. All diese Daten können in einem Software-Agenten gespeichert werden. 
• Funktionen: In der Verwaltungsschale müssen verschiedene Funktionen, zum Beispiel für die Konfiguration, Bedienung und Wartung, bereitgestellt werden. Diese und weitere Funktionen, etwa für projektspezifische Geschäftslogik, hält ‚iAgent‘ bereit.
• Dienste: Die Daten der Verwaltungsschale können beispielsweise im Unternehmensnetzwerk oder in der Cloud zur Verfügung gestellt und über IT-Dienste sowohl jedem Nutzer als auch für jeden Anwendungsfall transparent zugänglich gemacht werden. In ‚iAgent‘ sind alle relevanten Daten in den Software-Agenten hinterlegt und können über standardisierte Schnittstellen an weitere Dienste wie Datenbank- oder Cloudsysteme weitergegeben werden. 
• Integration: Durch die Kombination der Industrie-4.0-konformen Kommunikationsprotokolle und der verfügbaren Daten der Verwaltungsschale erfolgt die horizontale und vertikale Integration in der Produktion – einer der Kernpunkte von Industrie 4.0. Mit der MAS-Lösung ist genau das möglich. 
• Lückenloses Wissen: Informationen stehen über die Verwaltungsschale – in ‚iAgent‘ über den Software-Agenten – lückenlos für das Engineering, den Betrieb und die Wartung bereit.
• Modularität: In der Verwaltungsschale werden auch Informationen zu Maschinenteilen und -komponenten  mitgeführt. Dies gilt auch für Produktionskomponenten, die über keine eigene Datenschnittstelle verfügen. Durch dieses Konzept wird jede an der Fertigung beteiligte Komponente, zum Beispiel auch das Produkt, zu einem smarten Teil der vernetzten Produktion. Software-Agenten können so granular definiert werden, dass sich neben Maschinen und Stationen ebenso einzelne Komponenten einer Maschine als digitaler Schatten abbilden lassen. Über die Intelligenz innerhalb des Agenten werden auf diese Weise auch Komponenten ohne Datenschnittstelle und ohne Intelligenz zu einer smarten Komponente. 

Den Fertigungsplaner im Fokus

Mit iAgent verlassen Multiagentensysteme das akademische Einsatzgebiet und bewegen sich hin in die moderne Produktion – bis zur Losgröße 1. Fertigungsplaner sind demzufolge in der Lage, aufgrund der Konfiguration eines MAS und der dazugehörigen Komponenten ein intelligentes und durch das Produkt getriebenes Produktionssystem zu erstellen. Durch die Kombination von Standard-Agenten sowie deren spezifischer Konfiguration, Parametrierung und Beschreibung entsteht ein MAS, das speziell auf die Bedürfnisse der jeweiligen Fertigung ausgelegt ist. Für die Bewältigung der Herausforderungen innerhalb der Fertigung liefert iAgent definierte Lösungsalgorithmen, die sich durch eigene Logikbausteine erweitern lassen.

Grafische Editoren und Bedienoberflächen unterstützen den Fertigungsplaner bei der Konfiguration. Zu Beginn definiert er den Umfang des Systems durch die Auswahl generischer Standard-Agenten. Anschließend muss der Fertigungsplaner diese im Hinblick auf spezielle Gegebenheiten und Anforderungen der jeweiligen Fertigung kon-figurieren und parametrieren. Zu den typischen Konfigurationen und Parametern gehören die Daten innerhalb der Agenten, Schnittstellen zu anderen Systemen oder Agenten sowie die Definition von Diensten, die Agenten anbieten oder benötigen. Durch diese Definition werden die Agenten kommunikationsfähig und in die Lage versetzt, komplexe Sachverhalte in Kooperation zu lösen. 

Die Anbindung der digitalen Schatten an die Maschinen erfolgt standardmäßig über die OPC-UA-Schnittstelle. Über Bedienoberflächen lassen sich Kommunikationsparameter und Datenpunkte konfigurieren. Auch die Verteilung von Agenten auf dezentrale Ausführungsinstanzen inklusive der notwendigen Netzwerk- und Sicherheitseinstellungen kann der Fertigungsplaner konfigurieren. 

Nach der initialen Konfiguration des MAS lassen sich Aufgaben wie Wartung, Pflege und Erweiterung des Systems mit wenigen Handgriffen durchführen.

Autoren:
Alexander Urban ist System Engineer bei Infoteam Software;
Angela Ringlein ist Marketing Communications Manager bei Infoteam Software.