Agile Automatisierung von Fertigungszellen : Semiotische Interoperabilität zustandsbehafteter, deterministischer Anlagenkomponenten

Abstract

Die europäische Fertigungsindustrie ist von der zunehmenden Konkurrenz produzierender Unternehmen aus dem Ausland unter Druck gesetzt und versucht mit Initiativen wie Industrie 4.0 (I4.0) durch die Vernetzung ihrer Betriebsinfrastruktur neue Geschäftsmodelle und flexiblere Prozesse zu schaffen, um variantenreiche Produkte schneller und zu geringeren Kosten zu produzieren. Einen Kernaspekt dazu stellt Agilität dar, mit der Unternehmen schnell auf Marktänderungen reagieren können. Schon zu Beginn des 21. Jahrhundert wurden hierzu Fertigungskonzepte entwickelt, mit denen agile, rekonfigurierbare oder holonische Fertigungssysteme entstehen sollten, die auf eine schnelle Wandlungsfähigkeit abzielen. Mit I4.0 sollen nun Cyber-physische Produktionssysteme (CPPS) entstehen, in denen die Agilität durch Internettechnologien zur Kommunikation und Interaktion zwischen den Maschinen und Komponenten eines Fertigungssystems unterstützt werden soll. Im Speziellen sollen mit dem Ziel der agilen Automatisierung, das mit dieser Arbeit verfolgt wird, Inbetriebnahme- und Rekonfigurationsaufwände von Maschinen in heterogenen, komplexen Fertigungssystemen reduziert werden. Dazu wird im Zusammenhang mit I4.0 häufig leichtsinnig von semantischer Interoperabilität gesprochen, wenn heterogene Maschinen miteinander kommunizieren und interagieren sollen. Dabei beruht der Grundgedanke hinter semantischer Interoperabilität grundsätzlich darauf, eine für eine Domäne einheitliche Sprache mit eindeutige Begriffen und Zusammenhängen zwischen diesen zu definieren, um damit letztendlich das altbekannte Standardisierungsproblem zu lösen. Damit ist aber das grundlegende Interoperabilitätsproblem für Fertigungssysteme noch nicht gelöst. Denn Steuerungsansätze basierend auf semantischer Interoperabilität können selbst nur auf einer Menge vordefinierter statischer Regeln basieren, mit denen auf Grund der bekannten Maschinen und Komponenten und deren statischen Verhalten Entscheidungen getroffen werden können. Hierbei wird oft vernachlässigt, dass die Fähigkeiten eines gesamten Fertigungssystems in einer komplexen Abhängigkeit zueinander stehen, die durch diese vordefinierten Regeln abgebildet werden muss. Des Weiteren können in diesem Zusammenhang nur semantisch gleichartig beschriebene Maschinen verwendet werden, jedoch sind bei technischen Systemen oft sehr spezifische Anwendungen notwendig, deren Verhalten nicht problemlos auf eine abstrakte Semantik reduziert werden kann. Aus diesen Gründen wird in dieser Arbeit mit der Pragmatik auch die Beschreibung des maschinenspezifischen Verhaltens im Kontext der Anwendung berücksichtigt. Das hierin entwickelte Konzept beruht auf der Unterteilung der Semiotik (die in der Philosophie die Darstellung und Interpretation von Zeichen behandelt) in die Aspekte der Syntax, Semantik und Pragmatik, durch den Philosophen Charles W. Morris. Dabei wird das Wissen zum Verhalten der Maschinen, das bereits bei der Entwicklung und Programmierung in diese einfließt, in Form von orthogonalen Zustandsautomaten für die einzelnen Komponenten beschrieben und Abhängigkeiten zwischen diesen Komponenten in den Zustandsübergängen hinterlegt. Bei der Inbetriebnahme kann durch Auflösen der orthogonalen Zustandsautomaten ein einzelner Graph erzeugt werden, in dem Automatisierungsschritte zum Herstellen bestimmter Systemzustände dynamisch abgeleitet werden können. Dies erlaubt die Betrachtung einzelner Maschinen, wie auch von Fertigungszellen und -systeme, als Menge orthogonaler Zustandsautomaten. Auf dieser Ebene müssen jedoch auch die Abhängigkeiten zwischen den Maschinen und deren Komponenten berücksichtigt werden. Zu diesem Zweck werden Abhängigkeiten, sowie Schnittstellen zu anderen Maschinen, als externe Platzhalter ebenfalls in Form von Zustandsautomaten modelliert. Das vorgestellte Konzept wird anhand der Modellierung einer Werkzeugmaschine im Kontext einer Fertigungszelle überprüft und hinsichtlich der Ableitung der Automatisierungsschritte evaluiert.

The European manufacturing industry is under pressure from increasing competition from manufacturing companies abroad and, through initiatives such as Industry 4.0 (I4.0), is trying to create new business models and more flexible processes through the interconenction of manufacturing equipment in order to produce variant-rich products faster and at lower cost. A core aspect of this is agility, which enables companies to respond quickly to market changes. Already at the beginning of the 21st century, manufacturing concepts were developed for this purpose, with which agile, reconfigurable or holonic manufacturing systems were to be created, which aim at rapid changeability. With I4.0, cyber-pysical production systems (CPPS) are now to be created in which agility is to be supported by Internet technologies for communication and interaction between the machines and components of a manufacturing system. Specifically, the goal of agile automation pursued in this thesis is to reduce commissioning and reconfiguration efforts of machines in heterogeneous, complex manufacturing systems. To this end, semantic interoperability is often carelessly referred to in connection with I4.0, when heterogeneous machines are supposed to communicate and interact with each other. The basic idea behind semantic interoperability is to define a uniform language for a domain with unambiguous terms and relationships between them in order to ultimately solve the well-known standardization problem. However, this does not solve the fundamental interoperability problem for manufacturing systems. This is because control approaches based on semantic interoperability can themselves only be based on a set of predefined static rules with which decisions can be made on the basis of the known machines and components and their static behavior. Here, it is often neglected that the capabilities of an entire manufacturing system posses complex dependencies among each other, which have to be represented within these predefined rules. Furthermore, only semantically identically described machines can be used in this context, but technical systems often require very specific applications whose behavior cannot be easily reduced to abstract semantics. For these reasons, pragmatics is used in this thesis to include the description of machine-specific behavior in the context of application. The concept developed herein is based on the division of semiotics (which in philosophy deals with the representation and interpretation of signs) into the aspects of syntax, semantics, and pragmatics, by the philosopher Charles W. Morris. Here, the knowledge about the behavior of the machines, which is already embedded into them during development and programming, is described in the form of orthogonal state machines for the individual components, while dependencies between these components are stored in the state transitions. During commissioning, a single graph can be generated by resolving the orthogonal state machines, in which automation steps for establishing specific system states can be derived dynamically. This allows for individual machines, as well as for manufacturing cells and systems, to be viewed as a set of orthogonal state machines. At this level, however, the dependencies between the machines and their components must also be considered. For this purpose, dependencies, as well as interfaces to other machines, are modeled as external placeholders also in the form of state machines. The presented concept is tested by modeling a machine tool in the context of a manufacturing cell and evaluated with respect to the derivation of the automation steps.