Agentenbasiertes ­Steuerungskonzept

Bild 2: Schematische Darstellung des Abfüllkonzeptes für die individu­alisierte Bereitstellung von Getränken.

© Technische Universität München

Bis hierher lässt sich festhalten: Das von der Bundesrepublik angestoßene Zukunftsprojekt Industrie 4.0 bietet ideale Voraussetzungen, um für die Brau- und Getränkeindustrie neue, kundenorientierte und flexible Wertschöpfungsketten zu erschließen. Hierbei verschmelzen anlagentechnische Komponenten innerhalb eines Ver­bundes mit Elementen informatischer und softwaretechnischer Komponenten, die über eine Dateninfrastruktur dezentral über das Internet kommunizieren.

Ein zentraler Aspekt dieser neuen Produktionsphilosophie ist die dezentrale Selbstorganisation der Produktion, die einen produktbasierten Steuerungsablauf erfordert und damit einen Grundsatzwechsel seitens der derzeitig dominierenden Fertigungsstrukturen einläutet. Umsetzen lässt sich ein solcher Ansatz mit einem sogenannten Multi- oder Software-Agenten­system, bei dem jede relevante Fertigungskomponente ein intelligentes, kommunizierendes und zielgerichtet handelndes Objekt darstellt. Die mit ­Intelligenz ausgestatteten ­Objekte haben Ziele, die sie selbstständig erreichen müssen. Darüber hinaus besitzen sie ­interne Zustände, über die sie ­Auskunft geben und sich mit anderen intelligenten Objekten oder dem Menschen in der Produktion austauschen können.

Zur Umsetzung des Projekts gliedert sich dieses in mehrere Bereiche. In einem ersten Schritt gilt es, die physischen Produktionsmodule eines Abfüllkonzeptes (zum Beispiel Drucker, Rinser, Füller, Verschließer) als autarke Module CPPS-fähig zu gestalten. Eine besondere technologische Herausforderung ist hierbei das Schaffen eines flexiblen Füllsystems. Für die kundenindividuelle Gestaltung der Flaschen ist eine direkte Tintenstrahlbedruckung der Flaschen vorgesehen (Firma Till). In einem zweiten Kern­bereich kommt ein flexibles Materialflusssystem zum Einsatz, das die ­Aufgabe eines systeminternen Logistik-Dienstleisters übernimmt. Spezielle Industrieroboter mit intelligenten Greifsystemen realisieren dabei die funktionsspezifische Handhabung an den Bearbeitungsstationen. Eine große Aufgabe ist diesbezüglich die flexible Gestaltung der Anlagen- und Steuerungstechnik, um auf alle Gegeben­heiten einer kontextspezifischen ­Änderung des Produktionsumfeldes reagieren zu können.

Bild 3: Konzeptübersicht RoboFill 4.0: Dargestellt ist das Zusammenspiel von Kundenportal, Auftrags­system und Fertigungsablauf, welcher sich durch die Interaktion zwischen der physischen und der ­virtuellen Produktionsumgebung in der Cloud ergibt.

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Daraus folgt, dass die eingesetzten Roboter unterschiedlichste Handhabungsaufgaben durchführen, welche vom Handhabungsgut selbst aufgerufen und bestimmt werden. An diese unterschiedlichen Prozesse muss sich vor allem die Greiftechnik anpassen können, da sie das Bindeglied zwischen Produkt und Roboter darstellt. Im Fokus steht die Befähigung des Greifers zur schnellen Anpassung an die Aufgabe, beispielsweise in puncto Hub und Kraft. Darüber hinaus soll das Handhabungssystem in der Lage sein, die Parameter der Flasche zu verifizieren, also zum Beispiel deren Form, Größe und Gewicht. Das Greifsystem bekommt hierbei die Informationen über das zu greifende Produkt vom Agentensystem übermittelt und überprüft die Daten über die integrierte Sensorik. Im gesamten Kontext entsteht somit ein flexibles Handhabungssystem, bei welchem die Produktüberprüfung bereits während der Zeit des Handlingvorgangs erfolgt.

Der dritte Kernbereich beinhaltet die Entwicklung des Produktionssteuerungskonzeptes sowie die Synchronisierung der einzelnen Materialfluss- und Anlagenmodule. Entsprechend dem Leitgedanken einer Produktionssteuerung ‚durch das Produkt‘ wird ein Software-Agentensystem entworfen und auf den Anwendungszweck einer ro­botergestützten Abfüllung hin aus­gerichtet. Diesbezüglich sind alle physischen Module sowohl des Produktions- als auch des Materialfluss­systems mithilfe von Software-Agenten virtuell zu repräsentieren und die physische Produktionsumgebung mit dem ­virtuellen Abbild informationstechnisch zu synchronisieren. Die vir­tuelle Produktionsumgebung setzt sich dabei aus Cloud-basierten Diensten ­zusammen, welche das Agentensystem, ein webbasiertes Kundenportal sowie die Auf­trags- und Datenverwaltung mit einem Datenbanksystem ­umfasst. Durch die Cloud-basierten Dienste kann der gesamte Prozess ­inklusive Materialfluss­ablauf abgebildet, koordiniert und auf die realen, ­physischen Anlagenkomponenten übertragen werden.

Jedes Modul der Cyber-Physischen Abfüllanlage (CPA) meldet sich mit seinen spezifischen Eigenschaften und Fähigkeiten (Skills) an und wird über das Materialflusssystem bezüglich seiner Positionsdaten erfasst. Die physischen Module und die Software-Agenten stellen dabei in Bezug zum Gesamtsystem zunächst nur Grundfunktionalitäten bereit und werden erst über die Verknüpfung der angebotenen Dienste, die ihren Fähigkeiten entsprechen, mit Produktionsaufträgen und mit Produktionswissen versorgt. Die produktspezifische Parametrisierung der Verarbeitungsmodule erfolgt dabei durch den digitalen Schatten der zu fertigenden Flasche, welche die Parameter direkt kommuniziert. Um eine Rückverfolgbarkeit aller Prozesse zu gewährleisten, werden die Prozess­daten darüber hinaus durch das Modul weiter kommuniziert und abgespeichert.

Für die direkte Einbindung des Verbrauchers in das angestrebte Abfüllkonzept wird schließlich ein Online-Kundenportal geschaffen, welches dem Kunden das Konfigurieren (zum Beispiel verschiedene Getränke, verschiedene Behälter, kundenspezifische Ausstattung und Gestaltung) und Bestellen individueller Getränkeprodukte ermöglicht.

Autoren:
Prof. Dr. Thomas Becker ist Ordinarius des Lehrstuhls für Brau- und Getränketechnologie an der TU München;
Stephan Birle koordiniert das Projekt RoboFill 4.0 an der TU München;
Georg Götz ist Gruppenleiter Flexible Anlagentechnik am Fraunhofer IWU;
Tobias Voigt ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Lebensmittel­verpackungstechnik der TU München.

Die Projektpartner

Mit dem Multiagentensystem iAgent bringt Infoteam Software eine Kernkomponente für die dezentrale Produktionssteuerung in das Forschungsprojekt RoboFill mit ein. Aufgrund der sehr engen Verflechtung aus Hardware- und Softwarekomponenten erfolgt zusätzlich eine interdisziplinäre Zusammenarbeit von verschiedenen in ihren jeweiligen Tätigkeitsfeldern seit Jahren ausgewiesenen Kompetenzträgern der Brau- und Getränketechnologie, Abfüll- und Verpackungstechnik, Robotik, Mechatronik, Automatisierungstechnologie und Informationstechnologie. Konkret handelt es sich hierbei um die Unternehmen Krones, Beckhoff,  Proleit, Zimmer, Siemens, Till und Yaskawa Europe sowie die Staatsbrauerei Weihenstephan. Die wissenschaftliche und administrative Koordination erfolgt in kooperativer Zusammenarbeit des Lehrstuhls für Brau- und Getränketechnologie, dem Lehrstuhl für Lebensmittelverpackungstechnik und dem Fraunhofer IWU (Projektgruppe RMV).