Konzipierung und Umsetzung unterschiedlicher Steuerungsarchitekturen zur agilen Automatisierung von Fertigungszellen

Abstract

Produktionsbetriebe sind mit einem zunehmend wechselhaften Umfeld konfrontiert. Schwankende Marktsituationen und der Bedarf an individuellen Produkten erfordern eine hohe Produktvielfalt und Kleinserien bei gleichzeitig geringen Stückkosten. Während zur Beherrschung der unterschiedlichen Erzeugnisse oft Flexible Fertigungssysteme (FFS) zum Einsatz kommen, sollen Agile Fertigungssysteme hingegen die Schwankungen im Auftragsvolumen abfedern. Beide Konzepte haben den Nachteil, dass die Schnittstellen zwischen den Maschinen oft unflexibel programmiert sind, wodurch sich ein erheblicher Aufwand und Zeitverlust bei der Automatisierung ergeben. Derzeit gibt es sehr viele Bestrebungen, die Schnittstellen zwischen den Maschinen zu vereinheitlichen und zu standardisieren (z. B. durch Companion Specifications bei Open PlatformCommunications Unified Architecture (OPC UA)), es fehlt jedoch an Möglichkeiten, die Integration zu vereinfachen. Ein Ansatz zur Beherrschung von vergleichbaren Problemen in der Softwareentwicklung findet sich durch die Verwendung von Services, insbesondere durch Serviceorientierte Architektur (SOA). Diese Arbeit verwendet einen serviceorientierten Ansatz zur Entwicklung von Lösungen. Durch die Bereitstellung von Services soll der Aufwand bei Anpassungen oder Ergänzungen im Produktionsablauf reduziert werden. Ziel ist die Konzipierung von Agilen Steuerungsarchitekturen für Fertigungszellen und die anschließende Umsetzung auf zwei konkrete Szenarien in der Praxis. Ausgangspunkt sind Fertigungszellen zur zerspanenden Fertigung, bestehend aus einer Werkzeugmaschine (WZM) und einem Industrieroboter zur Werkstückhandhabung. Der Ablauf der automatisierten Werkstückhandhabung wird analysiert und anschließend zu zwei Automatisierungs-Konzepten ausgearbeitet. Das erste Konzept nutzt eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) als Kommunikations-Schnittstelle zwischen den Maschinen sowie zur Bereitstellung der Services, das zweite stellt die Services direkt auf den Maschinen bereit. Für die Umsetzung der Konzepte in der Praxis werden die bestehenden Anlagen analysiert und die Funktionalität entsprechend den Anforderungen angepasst und erweitert. Kriterien für die Bewertung der Architekturkonzepte werden angegeben und die unterschiedlichen Fälle verglichen. Es wird gezeigt, dass serviceorientierte Konzepte in Fertigungszellen implementiert werden können und die Agilität dadurch deutlich erhöht werden kann. Der initiale Aufwand zur Bereitstellung der Services ist höher, kann aber durch Standardisierung und Implementierung durch die Maschinenhersteller selbst reduziert werden.

Manufacturing companies are faced with an increasingly variable environment. Fluctuating market situations and the demand of individual products require high product variety and small batches at low unit costs. Whereas flexible manufacturing systems are applied to handle variable goods, agile manufacturing systems should damp fluctuating order volumes. The disadvantage of both concepts are inflexibly programmed interfaces between machines, leading to enormous effort and time loss when automating. Nowadays there are many attempts to unify and standardize the interfaces between the machines (e. g. Companion Specifications of OPC UA), but there is a lack of possibilities to simplify integration processes. One attempt to solve comparable problems in software development is the usage of services, especially service-orientated architecture.This thesis uses a service-orientated attempt to develop solutions. Through the provision of services, the effort for adaptions and additions in the production process should be reduced. The aim is the conception of agile control architectures for manufacturing cells and the subsequent implementation on two practice scenarios. The starting point are manufacturing cells for machining purposes consisting of one machine tool and one industrial robot for workpiece handling. The sequence of the automated workpiece handling is analysed and further developed into two automation concepts. The first concept uses a Programmable Logic Controller (PLC) as communication interface between the machines as well as a service platform. The second concept provides the services directly on the machines. For the implementation of the concepts in practice, the existing systems are analysed and the functionality is adapted and expanded to fit the requirements. Criteria for evaluation of the architecture concepts are given and the different cases are compared. It is shown that service-orientated concepts can be implemented in manufacturing cells and that they can significantly improve agility. The initial effort to provide the services is higher but can be reduced through standardization and implementation by machine manufacturers.