Der Markt verlangt von den produzierenden Unternehmen eine immer weiter steigende Artikel- und Variantenvielfalt, gepaart mit immer kleineren Losgrößen, bei gleichzeitig kürzeren Produktzyklen. Dies stellt ganz neue Anforderungen an Produktionssysteme und Maschinen. Kurz gesagt: Sie müssen anpassungsfähig sein, da die zu fertigenden Produkte ständig wechseln können. Die Vision von der 'Industrie 4.0' zeichnet sich dementsprechend durch die Einführung von Verfahren der Selbstoptimierung, Selbstkonfiguration, Selbstdiagnose und Kognition aus.

Diese Anforderungen an Produktionssysteme fordern auch vom Materialflusssystem eine möglichst universelle Wandlungsfähigkeit ein. Herkömmliche Vorgehensweisen mit starren Strukturen für Logistiksysteme sind hierfür zu unflexibel oder beanspruchen einen zu großen personellen wie zeitlichen Aufwand bei der Umstellung auf neue Gegebenheiten.

Bild 2. Für den Transport schwerer oder großer Lasten können einzelne Module zu einem Unstetig-Cluster zusammengesetzt werden.

© Hima

Um diese Flexibilität zu erreichen, wird Karis Pro dezentral gesteuert. Ein zentraler Materialflussrechner, der die Elemente verwaltet und koordiniert, ist dadurch überflüssig. Statt einen Auftrag zugewiesen zu bekommen, treffen die Einheiten eigenständig die Entscheidung, wann und wie Aufträge auszuführen sind. Die Erarbeitung und Untersuchung der neuen Ansätze der individuell verteilten und doch zusammenarbeitenden Steuerungsverfahren ist ein richtungsweisender Bestandteil des Industrie-4.0-Projektes. Schlussendliches Ziel dabei ist, die von der Industrie geforderten robusten Systeme mit hoher Gesamtverfügbarkeit praxistauglich zu machen.

Ein Karis-Pro-Element besteht aus einer Vielzahl von Komponenten mit hoch integrierten Funktionen. Eine Software-Komponente kümmert sich um das dezentrale Auftragsmanagement, zur Bestimmung welches Element welchen Auftrag annimmt. Weiterhin existieren eine Sensorkomponente zur Umgebungserfassung und eine Navigationskomponente, die eine Karte erstellt, sich lokalisiert und die Routen plant. In der Fahrwerkskomponente stecken Antriebe und zugehörige Steuerungen. Die Energieversorgung beinhaltet neben dem Energiespeicher ein Energiemanagement, das den Energieverbrauch überwacht, die Energie verwaltet und die Aufladung steuert. Um verschiedenste Anwendungen bedienen zu können, besitzt Karis Pro ein Wechselsystem, mit dem sich unterschiedliche Module aufnehmen lassen.

Wandlungsfähig aber sicher

Eine große Herausforderung stellt die funktionale Sicherheit des Systems dar, denn: Mobile Einheiten, die sich selbsttätig den Weg zu ihrer neuen Aufgabe suchen, lassen sich nicht mit herkömmlichen Sicherheitseinrichtungen wie Lichtgittern oder Schutzzäunen kombinieren. Zur sicheren Interaktion mit dem Menschen (Bild 3) sind daher zudem andere Safety-Konzepte gefragt. Karis Pro stellt hier neue, weitreichende Anforderungen: Neben den Risiken im Einzeltransport müssen bei der Cluster-Bildung erweiterte Risiko- und Gefahrenanalysen durchgeführt und darauf aufbauend neue Sicherheitskonzepte entwickelt werden. Auch hier ist – analog der verteilten Intelligenz – ein Konzept dezentraler Sicherheitseinrichtungen der Schlüssel zum Ziel.

Bild 3. Die sichere Interaktion mit Menschen erfordert neue Sicherheitskonzepte.

© Hima

Die komplexe Aufgabe umfasst dabei die sichere Bestimmung der Position der Einzel-Elemente, um in Bereichen, in denen sich Menschen bewegen, Kollisionen zu vermeiden. So könnte beispielsweise an Stellen, die nicht per Laserscanner einsehbar sind, die Fahrgeschwindigkeit reduziert werden, wie an Türausgängen oder in Ecken. Der wechselnde Betrieb als Stetig- oder Unstetig-Cluster verändert ebenfalls die Sicherheitslage und muss jeweils erkannt und richtig bewertet werden. Stichworte sind hier das Erkennen von Falschbeladung oder auch die Vermeidung von Abstürzen der Transportware oder auch der Transporteinheit – beispielsweise an Treppen oder aufgrund von Überlast.

Um all dies zu gewährleisten, ist ein möglichst flexibles Sicherheitskonzept nötig. Dieses sollte sich auf kleinstem Raum in den unterschiedlichsten Kon­figurationen sowohl autark als Einzelkonzept wie auch im Zusammenschluss mehrerer Einheiten bewähren und genügend Raum für die Integration zukünftig auftretender Sicherheitslösungen bieten.

Umgesetzt werden die neuen Anforderungen an die Funktionale Sicherheit im Projekt auf einem vom TÜV Rheinland bis SIL 3 (gemäß IEC 61508 Edi­tion 2) vollständig zertifizierten System-on-Chip von Hima. Zusammen mit der Hardware kommt dabei ein Softwarepaket zum Einsatz, bestehend aus einem ebenfalls von Hima entwickelten und SIL-3-zertifizierten Betriebssystem und der sogenannten Middleware. Letztere ist eine Sammlung von Funktionen, die der Anwender in seiner C/C++-Umgebung nutzen kann, um seine individuelle Applikation zu entwickeln.

Diese Kombination aus Sicherheitsgrundprogramm mit situations- oder applikationsabhängigen Anpassungsmöglichkeiten ist ideal geeignet für das neue Logistik-Konzept. Da der Sicherheits-Chip mit dem Namen „Hicore 1“ als industrielles Produkt entworfen ist, erfüllt der Baustein auch sicherheitstechnische Kenngrößen wie zum Beispiel das Proof-Test-Intervall, welches bei bis zu 20 Jahren liegt und damit den Anforderungen an die Lebensdauer einer praxistauglichen Logistik-Einrichtung nachkommt.

Konkret baut der Sicherheits-Chip auf einem vollständig redundantem 1oo2D-Design (One-out-off-two) – sprich zwei Mikroprozessoren arbeiten parallel den gleichen Code ab und bei einer Diskrepanz (Fehler eines Prozessors) geht das System in den sicheren Zustand. Die drei Prozessorkerne besitzen eigene integrierte Arbeits- und Programmspeicher sowie unabhängige Debug-Einheiten und Kommunikationsschnittstellen. Das Kommunikations-Subsysteme arbeitet unabhängig und rückwirkungsfrei. Hinzu kommen für alle Komponenten Speicherschutzeinrichtungen, Komparatoren, Watchdogs und eine Spannungsüberwachung.

Zusammenfassend lässt sich festhalten: Obwohl sich in Karis Pro hochkomplexe Entscheidungsalgorithmen eingebettet in Cyber-physische Systeme (CPS) verbergen, lässt sich das Systemverhalten für den Betrachter von außen mit einem Lego-Bausatz vergleichen, der selbstständig die gerade benötigte Gestalt annimmt. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird das Projekt in zwei Demonstrations-Anwendungen erprobt. Bei erfolgreichem Verlauf sollen sie die Basis dafür schaffen, die Ergebnisse auch in anderen Bereichen der Kleinserienfertigung, wie zum Beispiel für Hausgeräte, medizinische und elektrotechnische Geräte, einsetzen zu können.

Der Projektstart für die Forschungseinrichtungen erfolgte im Oktober 2013, die Industriepartner haben Anfang dieses Jahres damit begonnen. Insgesamt hat Karis Pro eine Laufzeit von drei Jahren. Mitte 2016 soll das Konzept im Pilotbetrieb zum Einsatz kommen und zwar bei der Firma Quattro, einem Tochterunternehmen von Audi, das High-Performance-Fahrzeuge wie beispielsweise den Audi R8 produziert, sowie bei Bosch in Feuerbach.

Im Schwarm flexibler

Wie differenziert sich Karis Pro von bisherigen Ansätzen flexibler Logistik? Welche Herausforderungen sind noch zu meistern? Andreas Trenkle vom KIT und Mario Epp von Hima beziehen Stellung.

Dem Projekt Karis Pro vorausgegangen ist bereits ein ähnliches Forschungsvorhaben mit dem Namen Karis – was unterscheidet beide Projekte?

■ Trenkle: Mit Karis konnten wir zeigen, dass ein dezentral gesteuertes Transportsystem prinzipiell funktioniert. Wir haben aber auch gelernt, dass es durchaus noch interessante Fragestellungen zu lösen gilt – beispielsweise im Bereich der Personensicherheit, der Funktionsintegration der Komponenten und der dezentralen Auftragsverwaltung. Und während Karis zunächst auf intralogistische Prozesse ausgerichtet war, weiten wir bei Karis Pro die Forschungsaktivitäten auf logistische Prozesse in Produktionssystemen aus – daher auch der Zusatz 'Pro'. Hierzu zählen die Materialversorgung an der Montagelinie und die Verkettung von Bearbeitungsstationen.