Self-reconfigurable manufacturing control based on ontology-driven automation agents

Abstract

Die Dynamik des heutigen Markts erfordert Produktionssysteme, die in der Lage sind eine große Produktvielfalt mit geringem Aufwand zu erzeugen, um rasch auf individuelle Kundenwünsche reagieren zu können. Jedoch bieten die derzeit eingesetzten Produktionssysteme aufgrund ihres starren Aufbaus nicht genügend Flexibilität. Im Gegensatz dazu sind rekonfigurierbare Produktionssysteme aus modularen Komponenten aufgebaut, welche flexibel modifiziert beziehungsweise je nach benötigter Funktionalität dem System hinzugefügt oder aus dem System entfernt werden können. Entsprechende Software-Konzepte sind daher für die Beherrschbarkeit und Steuerbarkeit solch eines verteilten Systems notwendig. Der Einsatz von Agententechnologie erweist sich als ein geeignetes Konzept für die Steuerungssoftware von verteilten Produktionssystemen, da jeder Agent eine autonome Softwarekomponente repräsentiert, welche für die Steuerung einer entsprechenden physikalischen Komponente einsetzbar ist. Dieser Ansatz ermöglicht intelligente Steuerungskomponenten und es ist zu erwarten, dass damit die Flexibilität und Rekonfigurierbarkeit eines Produktionssystems sowie dessen Robustheit im Falle von auftretenden Fehlern erhöht werden kann. Diese Dissertation beschreibt eine aus zwei Ebenen bestehende Architektur für jene Agenten, welche die phyischen Komponenten eines Produktionssystems steuern. Bezogen auf einen Agenten ist die obere Steuerungsebene ist für dessen globales Verhalten verantwortlich und verwendet dabei eine flexible Wissensbasis in der Form einer Ontologie für die Repräsentation von Information. Die untere Steuerungsebene ist echtzeitfähig und kann direkt auf die Sensoren und Aktoren der zugehörigen physischen Komponente zugreifen. Jeder Agent verfügt weiters über Diagnosealgorithmen zur Fehlererkennung sowie über eine Rekonfigurationsinfrastruktur für die Modifikation der eigenen Funktionalität. Der präsentierte Ansatz wird für die automatische Konfiguration der Steuerungssoftware eines Produktionssystems eingesetzt und verwendet eine Ressourcenontologie für die Beschreibung der Komponenten und Konzepte des Systems. Zudem enthält die Ontologie weiters eine Beschreibung der Softwarekonzepte, um den Agenten die automatische Zusammenstellung der Steuerungsapplikation bei Systemstart zu ermöglichen. Mit Hilfe der Rekonfigurationsinfrastruktur sind die Agenten außerdem in der Lage, ihre Funkionalität zu adaptieren um adequat auf eine globale Rekonfiguration des Systems zu reagieren, welche beispielsweise aufgrund der Feststellung eines Fehlers notwendig werden kann. Eine Implementierung auf einem Laboraufbau eines Palettentransportsystems zeigt die Machbarkeit sowie den Nutzen des vorgestellten Ansatzes. Die Evaluierung zeigt, dass das System in der Lage ist, trotz eines Fehlers den Durchsatz auf nahezu der gleichen Höhe zu halten wie im fehlerfreien Fall.

The dynamics of the 21st century market with continuously decreasing life cycle spans of products require manufacturing systems, which are able to support mass customization. However, current manufacturing systems are not able to cope with this requirement due to their rigid and therefore inflexible structure. On the contrary, reconfigurable manufacturing systems that are composed of basic process modules allow the addition, removal or modification of these modules for providing specific functionality when needed. According software concepts are necessary for controlling such a manufacturing system based on modular components. Agent technology represents a suitable approach for realizing the control software of a manufacturing system composed of modular components as each agent constitutes an autonomous software component, which can be mapped onto an according physical component. Applying this technology enables intelligent control components and is expected to increase a manufacturing system's flexibility and reconfigurability as well as its robustness in the case of failures. This thesis introduces a hybrid architecture for the agents controlling the physical components of a manufacturing system. According to hybrid agent architectures, each agent is composed of two control layers. The higher level control layer is responsible for an agent's global behavior and makes use of a flexible knowledge base in the form of an ontology for representing information. The lower level control layer is real-time capable and has access to the sensors and actuators of the controlled component. Each agent possesses diagnostic capabilities for detecting failures as well as a reconfiguration infrastructure for modifying the provided functionality. The approach is applied for automatically configuring the control software of a manufacturing system by making use of a resource ontology that describes the concepts of the target system. Furthermore, the ontology comprises the software concepts for the control application to enable the agents to perform this automatic software composition at system startup. Using the reconfiguration infrastructure, the agents are also able to adapt their functionality as a reaction on a global reconfiguration of the control system, which can be required for instance in the case of a detected failure. An implementation on a laboratory pallet transport system shows the feasibility and benefits of the presented approach. The evaluation shows that the system is able to keep its performance despite the failure of a component at nearly the same level as in the failure free case.