wandelbare automatisierte materialflusssysteme für ... · das materialflusssystem aus...

Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik der Technischen Universität München

Wandelbare automatisierte Materialflusssysteme für dynamische

Produktionsstrukturen

Michael Wilke

Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Maschinenwesen

der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines

Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)

genehmigten Dissertation.

Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Hoffmann

Prüfer der Dissertation:

1. Univ.-Prof. Dr.-Ing. W. A. Günthner

2. Univ.-Prof. Dr.-Ing. M. F. Zäh

Die Dissertation wurde am 29.11.2005 bei der Technischen Universität München einge-reicht und durch die Fakultät für Maschinenwesen am 22.02.2006 angenommen.

Die Dissertation ist in gedruckter Form im Herbert Utz Verlag GmbH, München, 2006 unter der ISBN-Nummer 3-8316-0591-2 erhältlich.

Danksagung

Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mit-arbeiter am Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik (fml) der Technischen Universität München.

Mein persönlicher Dank geht in erster Linie an Herrn Prof. Dr. W. A. Günthner, der mir die Möglichkeit, das Vertrauen und die Unterstützung bei der Durchführung mei-ner Forschungstätigkeit gab. Zudem danke ich Herrn Prof. Dr. M. F. Zäh für die Übernahme des Korreferats und Herrn Prof. Dr. H. Hoffmann für den Vorsitz der Prü-fungskommission sowie für die sehr gute Zusammenarbeit im Sonderforschungsbe-reich 582.

Ebenso möchte ich mich bei allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Lehrstuhls fml und den Kollegen aus dem Sonderforschungsbereich 582 für die sehr gute und freundschaftliche Zusammenarbeit bedanken. Ein ganz besonderer Dank geht an meine Kollegen und Freunde Razvan Chisu, Markus Heinecker, Florian Kuzmany, Oliver Rong, Jürgen Schmalzl, Stefan Tölle sowie an den „Südbau“. Danken möchte ich auch den Studenten, die an dieser Arbeit mitgewirkt haben.

Meiner Familie, insbesondere meinen Eltern, danke ich für die langjährige Unterstüt-zung in allen Bereichen meines Lebensweges, wodurch es mir ermöglicht wurde, diesen wichtigen Schritt in meinem beruflichen Werdegang abzuschließen.

Mein größter Dank gilt meiner lieben Ehefrau Annette, die immer verständnisvoll war und mir mit ihrer Liebe kontinuierlich neue Kraft und Energie zur Durchführung mei-ner Dissertation gegeben hat.

Garching, im Februar 2006 Michael Wilke

Kurzzusammenfassung

Wandelbare automatisierte Materialflusssysteme für dynamische Produktionsstrukturen

Michael Wilke

Zukünftige Fabriken müssen in der Lage sein, sich schnell und flexibel an die Gege-benheiten des Marktes und die Wünsche der Kunden anpassen zu können. Dies ver-langt kurze Reaktionszeiten und eine hohe Flexibilität im Aufbau und in den Abläufen der Produktions- und Logistikstrukturen.

In solchen dynamischen Produktionsstrukturen reduziert sich die Größe der Ferti-gungslose. Dies führt zu einer Zunahme der abzuwickelnden Transportaufträge, wo-durch sich der gesamte materialflusstechnische und steuerungstechnische Aufwand erheblich steigert. Heute geht die Produktion in kleinen Losgrößen noch mit hohen Produktions- und Logistikkosten einher. Meist kommen in solchen Szenarios nur ma-nuelle Fördermittel zum Einsatz, da die gegenwärtigen automatisierten Materialfluss-systeme als unflexibel gelten und ihre Komplexität bei aufwendigen Systemen schwer zu beherrschen ist.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines wandelbaren automatisierten Materialflusssystems für den Einsatz in dynamischen Produktionsstrukturen. Diese wandelbaren Materialflusssysteme müssen die Eigenschaft aufweisen, auf ungeplan-te und nicht vorgedachte Ereignisse selbstständig reagieren zu können.

Hierzu werden die Anforderungen an eine wandelbare innerbetriebliche Logistik defi-niert und ein Lösungskonzept für eine technische Realisierung eines wandelbaren automatisierten Materialflusssystems aufgezeigt.

Für die technische Konzeption des Materialflusssystems wird als Gestaltungsmetho-de eine funktionsorientierte Modularisierung angewendet. Bei dieser Methode wird das Materialflusssystem aus mechatronischen Modulen aufgebaut, deren Modul-grenzen entsprechend der Funktionalität des Moduls gezogen werden. Darauf basie-rend werden ein Fahrzeugsteuerungs- und ein Kommunikationskonzept für wandel-bare automatisierte Materialflusssysteme entwickelt.

Summary

Changeable automated material flow systems for dynamic production structures

Michael Wilke

Future production facilities have to be able to adapt themselves quickly to the individ-ual customer's requests and market trends. Short response times and high flexibility in layout and in processes for the production and logistics structures are strongly re-quired.

In such dynamic production structures batch sizes are decreasing, thereby increasing the number of transport orders. This substantially increases the costs for the entire material flow and controlling. Nowadays, production in small batch sizes is estab-lished with high production and logistics costs. Therefore in dynamic production sce-narios manual material handling systems are mostly used, as present automated ma-terial flow systems are too inflexible and difficult to control in case of complex sys-tems.

Objective of this paper is the development of a changeable automated material flow system for dynamic production structures. Such changeable material flow systems have to be able to react independently on unforeseen events.

For this purpose the requirements for changeable intra-logistics are defined and a solution for the technical implementation of a changeable automated material flow system is designed.

A function-oriented modularization approach is performed for the material flow sys-tem’s technical design. Using this method, the material flow system will be assem-bled with mechatronic modules based on system boundaries drawn according to the units´ functionality.

Following these directives a concept for vehicle control and communication for changeable automated material flow system is developed.

VII

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung.......................................................................................................... 1

1.1 Ausgangssituation ........................................................................................1

1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise .................................................................3

2 Stand der Technik und Forschung................................................................... 7

2.1 Aufbau der Materialflusssteuerung .............................................................10

2.2 Defizite bisheriger Automatisierungslösungen im Bereich der Materialflusstechnik ....................................................................................16

3 Wandelbarkeit .................................................................................................. 19

3.1 Anforderungen an wandelbare Materialflusssysteme .................................19

3.1.1 Begriffliche Abgrenzung .................................................................. 19

3.1.1.1 Flexibilität ......................................................................... 19

3.1.1.2 Reaktionsfähigkeit ............................................................ 20

3.1.1.3 Wandlungsfähigkeit und Wandelbarkeit ........................... 20

3.2 Beurteilung der Wandelbarkeit eines Materialflusssystems........................21

3.3 Vorauswahl geeigneter Materialflusstechnik für wandelbare Systeme .......24

4 Gestaltungsmethodik ...................................................................................... 29

4.1 Funktionsorientierte Modularisierung auf Basis der verteilten Automatisierung..........................................................................................29

4.1.1 Gestaltungsregeln für Module ......................................................... 30

4.2 Modul- und Schnittstellenbeschreibung ......................................................32

4.2.1 Struktur der Modulbeschreibung ..................................................... 33

4.2.2 Mechanische Ebene der Modulschnittstelle .................................... 35

4.2.3 Steuerungstechnische Ebene der Modulschnittstelle ...................... 38

4.2.4 Energetische Ebene der Modulschnittstelle .................................... 44

4.3 Zusammenfassung Gestaltungsmethodik...................................................44

5 Kommunikationskonzept ................................................................................ 45

5.1 Kommunikationsschnittstelle für autonome Materialflussmodule................45

5.1.1 Übertragungstechnik: Ethernet........................................................ 45

5.1.2 Berührungslose Datenübertragung: Wireless LAN.......................... 48

5.1.3 Datenkodierung: XML...................................................................... 52

Inhaltsverzeichnis

VIII

5.1.4 Verarbeitung von XML-Dokumenten ............................................... 56

5.1.5 Zugriffsverfahren: SOAP ................................................................. 58

5.2 Zusammenfassung des Kommunikationskonzeptes...................................61

6 Fahrzeugsteuerungskonzept .......................................................................... 65

6.1 Funktionsweise des Steuerungskonzeptes.................................................65

6.2 Steuerungstechnisches Abbild des Fahrweges: Waypointmatrix................66

6.2.1 Aufbau der Waypointmatrix ............................................................. 70

6.2.2 Erweiterungsmöglichkeiten der Waypointmatrix.............................. 78

6.3 Ablauf eines Transportauftrages.................................................................78

6.3.1 Auftragsvergabe.............................................................................. 78

6.3.2 Einlesen der Waypointmatrix........................................................... 80

6.3.3 Schritt 1: Grobplanung des Weges ................................................. 82

6.3.4 Schritt 2: Feinplanung des Weges................................................... 89

6.3.5 Schritt 3: Schaltanweisungen generieren ........................................ 90

6.3.6 Schritt 4: Richtungswechsel einfügen.............................................. 93

6.3.7 Schritt 5: Reservierbarkeit überprüfen............................................. 95

6.3.8 Zurückschreiben der Waypointmatrix .............................................. 97

6.4 Zusammenfassung Fahrzeugsteuerungskonzept .......................................97

7 Verifikation und Realisierung ....................................................................... 101

7.1 Materialflusssimulation..............................................................................101

7.2 Umsetzung................................................................................................107

7.2.1 Technik von Elektrohängebahn-/Hängekransystemen .................. 107

7.2.2 Funktionsorientierte Modularisierung an einer Elektrohängebahn-/Hängekrananlage......................................................................... 109

7.2.3 Umsetzung der Ergebnisse an einer Versuchsanlage................... 112

7.2.4 Layoutvorschlag für ein wandelbares Materialflusssystem............ 125

7.3 Optimierung ..............................................................................................127

7.3.1 Analysetechnik: Petri-Netz-Theorie ............................................... 127

7.3.2 Maßnahmen .................................................................................. 133

8 Zusammenfassung und Ausblick................................................................. 139

8.1 Zusammenfassung der Ergebnisse ..........................................................139

8.2 Ausblick ....................................................................................................141

Inhaltsverzeichnis

IX

9 Literaturverzeichnis....................................................................................... 143

XI

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1.1: Individualisierungstrends bei Konsumgütern [Cox-98]..............................1

Abb. 1.2: Vorgehensweise .......................................................................................5

Abb. 2.1: Hardwarekonfiguration und Steuerungsarchitektur der Materialflusssteuerung nach VDMA15276 [VDMA-15276] .....................11

Abb. 2.2: Beispielhafte Hardwarekonfiguration [VDMA-15276]..............................15

Abb. 3.1: Beurteilung der Wandelbarkeit eines Materialflusssystems (Beispiel) ....23

Abb. 3.2: Fördermittelübersicht: Eingrenzung und Vorauswahl geeigneter Fördermittel [Hand-01]............................................................................26

Abb. 4.1: Methodisches Vorgehen bei einer funktionsorientierten Modularisierung ......................................................................................30

Abb. 4.2: Schematischer Aufbau der XML-Modulbeschreibung.............................34

Abb. 4.3: Schematischer Aufbau der Modulschnittstelle ........................................35

Abb. 4.4: Mechanische Ebene der Modulschnittstelle............................................36

Abb. 4.5: Kommunikation zwischen zwei Modulen ................................................38

Abb. 4.6: Steuerungstechnische Ebene der Modulschnittstelle .............................40

Abb. 4.7: Definition des Befehlssatzes...................................................................41

Abb. 4.8: Alternative Kommunikationsparameter ...................................................43

Abb. 4.9: Energetische Ebene der Modulschnittstelle............................................44

Abb. 5.1: Prinzip des Ethernets von Robert Metcalfe aus dem Jahre 1973 ...........46

Abb. 5.2: Funktionsprinzip eines Switches mit Beispiel [Spat-00] ..........................48

Abb. 5.3: DOM-Tree eines XML-Dokuments .........................................................57

Abb. 5.4: Aufbau einer SOAP-Nachricht ................................................................60

Abb. 5.5: Aktuelle Kommunikationsarchitektur im produzierenden Unternehmen [Spat-00] ..........................................................................61

Abb. 5.6: Kommunikationsarchitektur bei einer funktionsorientierten Modularisierung ......................................................................................62

Abb. 5.7: Aufbau des Kommunikationskonzeptes und Analogievergleich mit einem Postunternehmen.........................................................................63

Abb. 6.1: Vorgehensweise zur Erstellung der Waypointmatrix ..............................68


XII

Abb. 6.2: Eigenschaftsfelder der Waypointmatrix ..................................................69

Abb. 6.3: Schematische Struktur einer Waypointbeschreibung .............................70

Abb. 6.4: Struktur des Elementes GWPStatus.......................................................71

Abb. 6.5: Struktur des Elementes Reservierungseintrag .......................................72

Abb. 6.6: Struktur des Elementes GWPAufbau .....................................................73

Abb. 6.7: Gruppeneinteilung an einer Weiche .......................................................74

Abb. 6.8: Struktur des Elementes VerbindungIntern ..............................................75

Abb. 6.9: Struktur des Elementes VerbindungExtern.............................................77

Abb. 6.10: Ablauf der Wegplanung ..........................................................................79

Abb. 6.11: Überführung der Waypointbeschreibung in eine Matrix zur Wegberechnung .....................................................................................81

Abb. 6.12: Schritt 1: Initialisierter Graph mit Startmarkierung (Knoten 1) ................84

Abb. 6.13: Schritt 2: Der momentan kürzeste Weg von 1 nach 7 hat die Länge 15.................................................................................................84

Abb. 6.14: Schritt 3: Neuester kürzester Weg von 1 nach 7 hat die Länge 8...........85

Abb. 6.15: Schritt 4: Entfernung von 1 nach 3 ist am geringsten .............................86

Abb. 6.16: Schritt 4: Entfernungen von 1 nach 4 und von 1 nach 7 sind gleich lang; Zufall muss entscheiden, wo es weitergeht (z. B. Knoten 4)..........87

Abb. 6.17: Schlussschritt: Der Schlussgraph zeigt die jeweils kürzesten Wege vom Startknoten 1 zu den anderen Knoten ............................................88

Abb. 6.18: Grobplanung des Weges (nur globale Waypoints GWPs) ......................89

Abb. 6.19: Feinplanung des Weges mit eingefügten lokalen Waypoints..................90

Abb. 6.20: Überprüfung der internen Verbindung auf Schaltbarkeit – Keine schaltbare Verbindung (GWP02)............................................................91

Abb. 6.21: Schaltbarkeit einer internen Verbindung – Beispiel Weiche (GWP03)....92

Abb. 6.22: Lokale Waypoints an einer Weiche ........................................................93

Abb. 6.23: Auszug aus der Waypointbeschreibung einer Weiche............................94

Abb. 6.24: Richtungswechsel am Waypoint 3.0.......................................................95

Abb. 7.1: Layout eines Fahrerlosen Transportsystems........................................102

Abb. 7.2: Simulationsergebnis: Dezentrale Wegplanung (Waypointmatrix) in Abhängigkeit der Anzahl der Fahrzeuge...............................................103


XIII

Abb. 7.3: Ausfallorte.............................................................................................105

Abb. 7.4: Simulationsergebnisse bei verschiedenen Ausfallszenarios.................106

Abb. 7.5: Versuchsanlage am Lehrstuhl fml ........................................................114

Abb. 7.6: Elektrohängebahnfahrzeug...................................................................115

Abb. 7.7: Steuerungsarchitektur eines Elektrohängebahnfahrzeuges .................116

Abb. 7.8: Transponder an Fahrschiene................................................................118

Abb. 7.9: RFID-Antenne am Fahrzeug.................................................................118

Abb. 7.10: Wegmesssystem nach dem Durchlichtprinzip ......................................119

Abb. 7.11: Lokale Waypoints an einem Übergabeplatz .........................................120

Abb. 7.12: Steuerungsarchitektur eines Hängekrans.............................................121

Abb. 7.13: Steuerungsarchitektur einer Weiche.....................................................122

Abb. 7.14: Beispielszenario für ein wandelbares Materialflusssystem...................125

Abb. 7.15: Darstellung eines Materialflusssystems als Petri-Netz .........................128

Abb. 7.16: Beispiel eines Petri-Netzes und dessen mathematische Beschreibung (Netzmatrix, Anfangsmarkierung) ..................................131

Abb. 7.17: Waypointeinstellungen für einen Übergabeplatz, der aus beiden Richtungen bedient werden kann .........................................................135

Abb. 7.18: Mehrere Übergabeplätze befinden sich auf einem Ausweichgleis........136

Abb. 7.19: Entstehung einer Sackgasse durch den Ausfall eines Fahrzeuges ......137

XV

Tabellenverzeichnis

Tab. 4.1: Kriterien für eine funktionsorientierte Modularisierung............................31

Tab. 5.1: Eigenschaften ausgewählter Funktechnologien für den Einsatz im industriellen Produktionsumfeld [PFT-00, Beik-01, Fuch-02]..................49

Tab. 5.2: Anforderungen an eine drahtlose Kommunikation für wandelbare Materialflusssysteme ..............................................................................51

Tab. 7.1: Beispiel für die Modularisierung einer EHB-Anlage ..............................111

Tab. 7.2: Eigenschaften eines Übergabeplatzes .................................................124

XVII

Abkürzungsverzeichnis

Abkürzung Bedeutung

API Application Programming Interface

ASCII American Standard Code for Information Interchange

CONWIP Constant Work in Progress

CORBA Common Object Request Broker Architecture

DCOM Distributed Component Object Model

DOM Document Object Model

DTD Document Type Definition

EHB Elektrohängebahn

ERP Enterprise Resource Planning

FT Fördertechnik

GWP Globaler Waypoint

HTTP Hypertext Transfer Protocol

LVR Lagerverwaltungsrechner

LWP Lokaler Waypoint

MFR Materialflussrechner

MFS Materialflusssystem

PPS Produktionsplanungs- und –steuerungssystem

RBG Regalbediengerät

RMI Remote Method Invocation

Abkürzungsverzeichnis

XVIII

RPC Remote Procedure Call

SAX Simple API for XML

SMTP Simple Mail Transfer Protocol

SOAP Simple Object Access Protocol (Seit Version 1.2 ist SOAP ein eigenständiger Name)

SPS Speicherprogrammierbare Steuerung (engl. PLC)

TCP/IP Transmission Control Protocol / Internet Protocol

UDP User Datagram Protocol

UST Unterlagerte Steuerung

W3C World Wide Web Consortium

WLAN Wireless Local Area Network

WP Waypoint

WSDL Web Service Description Language

XML Extensible Markup Language

1

1 Einführung

1.1 Ausgangssituation

Die Situation der Produktionsunternehmen ist von einer Verkürzung der Innovations-zyklen, einer rasant ansteigenden Anzahl an Produktvarianten (Abb. 1.1) und einem beschleunigten technischen Fortschritt gekennzeichnet. Daraus resultiert ein stei-gender Kosten- und Zeitdruck im Wettbewerb der Unternehmen. In Käufermärkten, auf denen sich zunehmend Sättigungstendenzen zeigen, findet ein starker Verdrän-gungswettbewerb statt. Die Markentreue der Kunden nimmt ab. Sie fordern kurze Lieferzeiten, haben hohe Ansprüche hinsichtlich Qualität und technischer Funktionali-tät von Produkten und erwarten günstige Preise. Zusätzlich verlangt der Kunde nach mehr, als nur aus einer vorgegebenen Variantenauswahl sein Produkt auswählen zu können. Er möchte seine Wünsche optimal erfüllt wissen und legt Wert auf die Indivi-dualität seiner Anschaffung.

ZunehmenderIndividualisierungsgrad

Fahrzeug-modelle

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140

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260

Fahrrad-typen

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Bildschirm-größen

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Turnschuh-modelle

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Kontakt-linsentypen

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ZunehmenderIndividualisierungsgrad

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Bildschirm-größen

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Abb. 1.1: Individualisierungstrends bei Konsumgütern [Cox-98]

Als Reaktion auf diese veränderten Anforderungen bieten die Unternehmen ihren Kunden immer mehr variantenreiche Produkte bis hin zu individualisierten Gütern an. Solche individualisierten Güter definieren sich als Bündel aus Sachpro-dukt und Dienstleistungen, die in Erscheinung und Gebrauchsform an die persönli-

1 Einführung

2

chen Wünsche und Präferenzen des Kunden angepasst sind. Als hauptsächliche In-dividualisierungsformen gelten hierbei eine Anpassung der Produktfunktion, der Passform und der Produktgestalt.

Eine Vorproduzierung von individualisierten Produkten ist nicht möglich, da sie erst nach Erfassung des Kundenwunsches hergestellt werden können. Deshalb verlangt die Herstellung von sehr variantenreichen bzw. individualisierten Produkten hoch dy-namische Produktionsstrukturen, kurze Reaktionszeiten und eine schnelle und konti-nuierliche Änderungsfähigkeit der Produktions- und Logistikabläufe, um auf die schnell wechselnden Kundenwünsche optimal und kosteneffizient reagieren zu kön-nen.

Derzeit ist die Produktion in kleinen Losgrößen noch untrennbar mit hohen Produkti-ons- und Logistikkosten verknüpft. Deshalb kommen heutzutage in dynamischen Produktionsstrukturen meist nur manuelle Fördersysteme, wie z. B. Stapler und Hub-wagen zum Einsatz. Diese erfordern jedoch flexible Arbeitszeitmodelle und hohe Personalkosten, um jederzeit schnell und in hoher Qualität die Wünsche des Kunden erfüllen zu können. Kosteneinsparungspotenziale durch eine Automatisierung der Materialflussprozesse lassen sich gegenwärtig erst bei größeren Serien erschließen. Auch die unzureichende Flexibilität automatisierter Materialflusssysteme sowie die Komplexität aufwendiger Installationen bringen nicht unerhebliche Nachteile bzw. Erschwernisse mit sich. Denn in der Regel bedeutet ein „Mehr“ an Automatisierung heutzutage ein „Weniger“ an Flexibilität und umgekehrt. So gelten im Allgemeinen gegenwärtige automatisierte Materialflusssysteme als unflexibel und ihre Komplexität ist bei aufwendigen Systemen als schwer beherrschbar.

Die Fähigkeit aber, sich schnell verändernden Marktbedürfnissen anpassen zu kön-nen, ist für Unternehmen mit einer am Produkt orientierten Fertigung häufig ein zent-rales Erfolgskriterium [Schuh-04b]. Da diese Fähigkeit meist mit Kosten und Aufwand verbunden ist, müssen die Unternehmen sorgfältig den wirtschaftlich sinnvollen Grad an nötiger Wandelbarkeit ermitteln. Zudem gilt es, neue automatisierte Lösungsan-sätze auf dem Gebiet der Intralogistik zu entwickeln, um die Kostenschere gegen-über der konventionellen Serienfertigung zu verkleinern, wandelbare Materialfluss-systeme zu generieren und eine hohe Verfügbarkeit durch Reduktion der Komplexität zu gewährleisten.

Die Hersteller von technischen Logistiksystemen sehen in der Modularisierung ihrer materialflusstechnischen Komponenten einen Lösungsansatz für die Gestaltung von

1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise

3

flexiblen bis hin zu wandelbaren Materialflusssystemen. Diese Module können dabei je nach Anwendungsfall und wirtschaftlichen Kriterien manuell, teilautomatisiert oder automatisiert ausgeführt sein. Die Leistungsfähigkeit und Wandelbarkeit solch eines modularisierten Materialflusssystems hängen dabei von der Leistungsfähigkeit und der Flexibilität der einzelnen materialflusstechnischen Komponenten sowie dem Zu-sammenspiel dieser Komponenten ab. Neben physischen Prozessen wie der Last-übergabe steht hier vor allem die Steuerungs- und Kommunikationstechnik vor gro-ßen Herausforderungen.

So stellt das Automatisieren von einzelnen materialflusstechnischen Vorgängen nicht das Problem dar. Vielmehr besteht der Aufwand in der Integration dieser automati-sierten Teilprozesse in ein bestehendes Gesamtsystem.


Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines wandelbaren automatisierten Materi-alflusssystems für den Einsatz in dynamischen Produktionsstrukturen, wie sie z. B. bei einer Produktion kundenindividueller Produkte vorkommen. Diese wandelbaren Materialflusssysteme müssen die Eigenschaft aufweisen, auf ungeplante und nicht vorgedachte Ereignisse selbstständig reagieren zu können.

Bisher kommen in solchen Szenarios meist nur manuelle Materialflusssysteme zum Einsatz. Somit konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf die Konzeption der Auto-matisierungs- und Kommunikationsebene von Materialflusssystemen, um auch die Potenziale von automatisierten Lösungen bei dynamischen Produktionsstrukturen nutzbar machen zu können. Der Schwerpunkt der zu erarbeitenden Lösungen fokus-siert sich dabei auf den Bereich der Unstetigförderer.

Die Vorgehensweise in dieser Arbeit gliedert sich in vier Abschnitte. Am Anfang wer-den die Grundlagen erläutert. Den Schwerpunkt bilden dabei die aktuellen Arbeiten zum Stand der Technik und Forschung auf dem Gebiet der technischen Logistik, die sich mit den Themen Wandelbarkeit/Wandlungsfähigkeit und Selbststeuerung von Fördermitteln befassen. Außerdem werden die Defizite bisheriger Automatisierungs-lösungen in der Materialflusstechnik aufgezeigt.

1 Einführung

4

Anschließend werden in einem weiteren Schritt die Anforderungen definiert und aus dem Ziel der Wandelbarkeit Leitmotive für die Systemgestaltung eines wandelbaren Materialflusssystems abgeleitet.

Der ausgewählte Lösungsansatz berücksichtigt diese Leitmotive und basiert auf einer Modularisierungsmethodik für den Aufbau des Materialflusssystems und der Gestal-tung der einzelnen Module. Hierfür werden entsprechende Modul- und Schnittstel-lenbeschreibungen entwickelt. Dazu gesellen sich ein offenes und erweiterungsfähi-ges Kommunikationskonzept auf Basis von XML (Extensible Markup Language) so-wie ein wandelbares Steuerungskonzept für dezentral gesteuerte autonome Fahr-zeuge.

Die Verifizierung und Erprobung der in dieser Arbeit erarbeiteten Lösungskonzepte erfolgte über Materialflusssimulationen und einer prototypenhaften Umsetzung an der Elektrohängebahn/Hängekran-Versuchsanlage des Lehrstuhls für Fördertechnik Ma-terialfluss Logistik, TU München. Die Ergebnisse betätigen die Leistungsfähigkeit der entwickelten Konzepte hinsichtlich Wandelbarkeit und Robustheit.

Abschließend werden Optimierungsmaßen vorgeschlagen und ein Ausblick auf wei-terführende Arbeiten gegeben.


5

Einführung, Zielsetzung und VorgehensweiseEinführung, Zielsetzung und VorgehensweiseKap. 1

AnforderungenSpezifikation der Leitmotive

Was ist Wandelbarkeit?Anforderungen an das Materialflusssystem

Spezifikation der Leitmotive


Kap. 3

Grundlagenund

Defizite

Stand der Technik und Forschung

Aufbau von MaterialflusssteuerungenDefizite bisheriger Automatisierungslösungen



Kap. 2

Lösungs-ansätze

Systemgestaltung

Funktionsorientierte ModularisierungModul- und Schnittstellen-beschreibung

Systemgestaltung


Kommunikation

Kommunikations-konzept auf Basis von XML/SOAP

Kommunikation


Steuerung

Fahrzeug-steuerungskonzept(Waypointmatrix)

Steuerung


Kap. 4 Kap. 6Kap. 5

Verifikation

und

Realisierung

Simulation und Umsetzung

Materialflusssimulation für ein ReferenzszenarioPrototypenhafte Umsetzung an der VersuchsanlageOptimierungsmaßnahmen



Kap. 7

Zusammenfassung und AusblickZusammenfassung und AusblickKap. 8

Einführung, Zielsetzung und VorgehensweiseEinführung, Zielsetzung und VorgehensweiseKap. 1Einführung, Zielsetzung und VorgehensweiseEinführung, Zielsetzung und VorgehensweiseKap. 1

AnforderungenSpezifikation der Leitmotive


Spezifikation der Leitmotive


Kap. 3

Grundlagenund

Defizite





Kap. 2

Lösungs-ansätze

Systemgestaltung


Systemgestaltung


Kommunikation


Kommunikation


Steuerung


Steuerung


Systemgestaltung


Systemgestaltung


Kommunikation


Kommunikation


Steuerung


Steuerung


Kap. 4 Kap. 6Kap. 5

Verifikation

und

Realisierung





Kap. 7

Zusammenfassung und AusblickZusammenfassung und AusblickKap. 8

Abb. 1.2: Vorgehensweise

7

2 Stand der Technik und Forschung

Die zunehmenden Verkürzungen der Produktlebenszyklen in Verbindung mit einem hohen Innovationsdruck im Bereich der Produktionstechnologien, der Trend zur Pro-duktion individualisierter Produkte und, damit gekoppelt, eine hohe Variantenvielfalt bis hin zur Individualität erfordern eine schnelle und effiziente Anpassung der physi-schen Logistiksysteme hinsichtlich Größe, Funktion und Strukturen auf sich ständig verändernde Randbedingungen [Schul-01]. Die Abläufe und Strukturen der Fabrik von morgen müssen wandlungsfähig, flexibel, mobil sowie vernetzungsfähig sein [West-99, Wien-00, Wirt-00, Wirt-01]. Die Beherrschung dieser Anforderungen und der damit verbundenen steigenden Komplexität verlangt neue Konzepte zum Gestal-ten und Betreiben wandlungsfähiger Fabrikstrukturen [Ende-03] und entsprechend flexible und wandelbare Produktions- und Materialflusstechnik [Goll-99, Karl-98].

Mobile Maschinen und Anlagen mit selbstkonfigurierenden Steuerungssystemen werden erstmals in [BMBF-00] für flexible, temporäre Fabriken gefordert. Heutige Logistikstrukturen haben zum Teil gravierende Defizite, die sich mit mangelnder Be-herrschbarkeit von Veränderungen und Wandel sowie mit statischen, langfristig aus-gelegten Fabrikstrukturen ohne effiziente und kurzfristige Adaptiermöglichkeit zu-sammenfassen lassen. Handlungs- und Forschungsbedarf wird dort im Einzelnen in der logistischen Vernetzung durch internetgestützte Kooperationsplattformen, in der Planung unter Berücksichtigung standortspezifischer Randbedingungen und im Auf-bau temporärer Planungsnetzwerke gesehen.

Die Produkte werden immer mehr auf die individuellen Wünsche der Kunden zuge-schnitten. Die Anzahl der Produktvarianten nimmt damit stetig zu. Dabei geht der Trend bis hin zur kundenindividuellen Produktion von Serien- und Massengütern (Mass Customization) [Kuhn-99, SFB582-04, Tsen-03]. So wird Mass Customization schon vielfach als neue Stufe in der Evolutionsgeschichte der Fertigung gesehen – nach der handwerklichen Fertigung, der Manufakturen, der industriellen Massenpro-duktion und schließlich der variantenreichen flexiblen Produktion [Pill-01]. Dies führt dazu, dass das Bestellvolumen und damit auch das Liefervolumen je Produkt immer mehr abnimmt. Bei der Beschaffung, in der Produktion und bis hin zur Distribution ist eine Atomisierung der Losgrößen zu erkennen [Wehk-04]. Um diese Anforderungen zu meistern, erfordern moderne dynamische Produktionssysteme flexible mobile Ma-terialflusstechniken und wandelbare selbststeuernde Steuerungssysteme [BMBF-05, Gude-02, Günt-03b, Homp-05b, Scho-04].


8

Das BMBF-Verbundprojekt „MATVAR“ entwickelte Materialflusssysteme für variable Fertigungssegmente im dynamischen Produktionsumfeld [Günt-00a]. Im Zentrum der Betrachtung standen dezentrale Fertigungsstrukturen, die wegen ihres dynamischen Umfeldes leicht an sich ändernde Anforderungen angepasst werden können. Dabei konzentrierten sich die Arbeiten auf die Untersuchung, Konzeption, Bewertung und Erprobung flurfreier Materialflusstechnik und deren Schnittstellen zur Fertigung [Günt-00b]. Als Ergebnis entstand eine Versuchsanlage für ein Hängekran-/Hängebahnsystem für den Behältertransport. Diese bildet eine Vielzahl möglicher Transportvorgänge ab. Das entwickelte Kransystem ist dafür in mehreren Stufen au-tomatisierbar - vom Manuellbetrieb bis zum Vollautomatikbetrieb [Günt-98a, Hand-00]. Ein weiterer Aspekt dieser Anlage ist die Integration in das Produktionsumfeld durch die Verkettung mit arbeitsplatznaher Stetigfördertechnik und die Anbindung von Lagertechnik [Bamb-00, Günt-98b]. Flexible Lastaufnahmemittel unterstützen eine Anpassung an unterschiedliche Ladehilfsmittel und Aufgaben. Intelligente Si-cherheitskonzepte legen den Grundstein für die industrielle Einsatzfähigkeit und er-lauben die Zugänglichkeit des Arbeitsraums, in dem ein automatisiert operierendes Hängekransystem Lasten über Personen hinweg verfährt [Bamb-01].

Im innerbetrieblichen Bereich wird im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 467 „Wandlungsfähige Unternehmensstrukturen für die variantenreiche Serienproduktion“ geforscht. Hier ist das Ziel die Erarbeitung von Modellen, Methoden und Verfahren zur Erhöhung der Wandlungsfähigkeit in produzierenden Unternehmen. Der Fokus der Arbeiten liegt dabei auf der Wandlungsfähigkeit des Produktionsprozesses in der variantenreichen Serienproduktion [SFB467-02] und weniger auf der Steuerung und Technik von wandelbaren Materialflusssystemen.

Als Lösungsansatz für die Gestaltung von flexiblen und wandelbaren Materialfluss- und Produktionssystemen gelten Baukasten- und Modularisierungskonzepte [Hild-02]. So konzentriert sich das AiF-Forschungsprojekt (14021 N/1) „Modulare Material-flusssysteme für wandelbare Fabrikstrukturen“ auf eine durchgängige Modularisie-rung der physischen Fabrikstruktur klein- und mittelständischer Unternehmen, die im Serienmarktbereich operieren. Dabei ist es Ziel, zukünftige Fabrikstrukturen zu gene-rieren, die analog zum Baukastenprinzip aus einzelnen Modulen zusammengestellt werden können. Diese Fabrikmodule beinhalten je nach Anforderung einzelne Ferti-gungsstationen, einzelne Montageplätze, aber auch komplette Montagebereiche ei-ner Baugruppe [Günt-04a].


9

Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches SFB 582 „Marktnahe Produktion indivi-dualisierter Produkte“ erarbeitete das Teilprojekt M2 „Wandelbare Logistikstrukturen in Minifabriken“ Anforderungen und Lösungen für den Aufbau und die Gestaltung wandelbarer Logistikstrukturen, die speziell auf die Anforderungen einer kundenindi-viduellen Produktion ausgelegt sind [Günt-03a, Günt-03b, Günt-04b, Günt-04c].

Ähnliche Ansätze zur Gestaltung eines wandelbaren bzw. wandlungsfähigen Materi-alflusssystems werden im Forschungsprojekt „Das wandlungsfähige Transportsys-tem“ (Stiftung Industrieforschung, Universität Magdeburg) verfolgt. Bei diesem Pro-jekt liegt der Fokus auf der Entwicklung dezentral gesteuerter plug-and-play-fähiger Transportmodule aus dem Bereich flurgebundener Stetigförderer [Mess-02].

Die Forderung nach Flexibilität und Wandelbarkeit müssen neben den inner- auch überbetriebliche Logistiksysteme zunehmend erfüllen. So untersuchen die Sonder-forschungsbereiche 559 „Modellierung großer Netze in der Logistik“ [SFB559-04] und 457 „Hierarchielose regionale Produktionsnetze“ [SFB457-04] wandelbare Logistik-netzwerke zwischen Fabriken.

Umbaumaßnahmen, die durch eine Variation des Materialflusses entstehen, sind oft mit einem großen Engineering- und Inbetriebnahmeaufwand auf Seiten der Steue-rungs- und Kommunikationsebene verbunden. Bisherige zentralistische Ansätze in-nerhalb der Steuerungstechnik führen zu Lösungen mit geringer Anpassungs- bzw. Wandlungsfähigkeit, da eine Veränderung des Materialflusssystems eine manuelle Adaption der Materialflusssteuerung nach sich zieht [Lang-97]. So ist ein großes Entwicklungspotenzial in der Geräte- und Materialflusssteuerung zu sehen. Insbe-sondere der Einsatz der Feldbustechnologien, der RFID-Technologie und der PC-Steuerungen stand hier zuletzt im Mittelpunkt [Frie-02, Homp-04b]. Dezentrale Steu-erungen mit objektorientierter Programmierung halten bei fast allen Materialflusssys-temen Einzug [Mönc-99]. Innovationen gehen ebenso von einer schnellen Kommuni-kation bzw. Datenübertragung und einer effizienten Datenverarbeitung aus. In der Steuerungstechnik gewinnen Standards aus der Internettechnologie (Ethernet, WLAN, XML etc.) immer mehr an Bedeutung [Scha-04, Homp-04a]. Bei ortsverän-derlichen Materialflusssystemen finden Infrarot- und Funkübertragung ihren Einsatz, wie z. B. bei Staplerleitsystemen, Laserscannern und beleglosem Kommissionieren, aber auch bei der Übertragung von Bussignalen [Schw-00].

Alle genannten Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Materialflusstechnik und der Materialflusssteuerung sind nicht auf die Problematik einer dynamischen Produktion


10

von individualisierten Gütern in kleinen Losgrößen ausgerichtet. Sie bieten keine ex-pliziten Lösungskonzepte für wandelbare dezentral gesteuerte Materialflusssysteme an, die aus unstetig fördernden Materialflussmitteln aufgebaut sind.

2.1 Aufbau der Materialflusssteuerung

Die Materialflusssteuerung koordiniert, unter Synchronisation von Materialfluss und Informationsfluss, die Bereitstellung der an der Produktion beteiligten Materialien und Waren zur rechten Zeit am richtigen Ort in gewünschter Menge und Qualität. Sie ist als Bestandteil der Logistik das Bindeglied zwischen den Funktionen Auftragsbear-beitung, Disposition, Beschaffung, Lagerung, Fertigung, Verpackung, Versand und dem verbindenden Materialfluss. Dabei ist sie im Gesamtablauf mehrfach mit den einzelnen Bereichssteuerungen dieser Funktionen verknüpft [VDI-3961].

Im VDMA-Einheitsblatt 15276 „Datenschnittstellen in Materialflusssteuerungen“ wer-den die unterschiedlichen Aufgaben der Materialflusssteuerungen in einem Ebenen-modell definiert [VDMA-15276]. Es legt die Funktionalität der Ebenen und der Schnittstellen fest. Dafür bietet es verschiedene Hardwarekonfigurationen an.

Das in Abb. 2.1 dargestellte Ebenenmodell unterscheidet unterhalb der Leitebene, welche die Auftragserfassung und –disposition sowie die Lagerverwaltung vollzieht, zwischen sechs Ebenen der Materialflusssteuerung. Diese Einteilung stellt jedoch keine Festlegung dar. Sie dient zur allgemeinen Abbildung der Funktionalität von Ma-terialflusssteuerungen. Je nach Komplexität des zu steuernden Systems können ver-schiedene Ebenen zusammengefasst werden. Bei der Anwendung des Ebenenmo-dells werden zwei grundlegende Prinzipien verfolgt:

Top-Down-Design: Die Materialflusssteuerung wird beginnend mit der höchsten Ebene entworfen.

Hardwareunabhängige Beschreibung der Steuerung: Die Materialflusssteue-rung ist durch die beschriebenen Funktionen, Schnittstellen und deren Einord-nung in das Ebenenmodell definiert


11

LagerverwaltungLagerverwaltung

PPSPPS

Antriebe und GeberAntriebe und Geber

ElementsteuerungElementsteuerung

BereichssteuerungBereichssteuerung

SubsystemsteuerungSubsystemsteuerung

SystemsteuerungSystemsteuerung

Darstellung undKommunikation


Ebene 1

Ebene 6

Ebene 2

Ebene 3

Ebene 4

Ebene 5


USTUST

USTUST

USTUST

USTUST

MFRMFR

MFRMFR

MFRMFR

LVR

LVR

LVR

LVR

LVR

LVR

Hos

tH

ost

Hardwarekonfigurationen1. 2. 3. 4.

Steuerungsstruktur

PPS: Übergeordnetes Hostsystem (Produktionsplanung und -steuerung)LVR: LagerverwaltungsrechnerMFR: MaterialflussrechnerUST: Unterlagerte Steuerung

LagerverwaltungLagerverwaltung

PPSPPS


ElementsteuerungElementsteuerung

BereichssteuerungBereichssteuerung

SubsystemsteuerungSubsystemsteuerung

SystemsteuerungSystemsteuerung



Ebene 1

Ebene 6

Ebene 2

Ebene 3

Ebene 4

Ebene 5


USTUST

USTUST

USTUST

USTUST

MFRMFR

MFRMFR

MFRMFR

LVR

LVR

LVR

LVR

LVR

LVR

Hos

tH

ost

Hardwarekonfigurationen1. 2. 3. 4.

Steuerungsstruktur

PPS: Übergeordnetes Hostsystem (Produktionsplanung und -steuerung)LVR: LagerverwaltungsrechnerMFR: MaterialflussrechnerUST: Unterlagerte Steuerung

Abb. 2.1: Hardwarekonfiguration und Steuerungsarchitektur der Materialflusssteuerung nach VDMA15276 [VDMA-15276]


12

Zwischen den Ebenen findet der Informationsaustausch statt, der sich zum Teil auch über verschiedene Kommunikationssysteme erstrecken kann. Die Auswahl der Kommunikationsmittel hängt dabei von dem Umfang der Informationen, und unter welchen zeitlichen Bedingungen diese zwischen den Materialflusssteuerungsebenen ausgetauscht werden, ab.

Jede Ebene in dem VDMA-Ebenenmodell wird durch ihre Funktionen und den Da-tenaustausch mit den Steuerungen der unterlagerten Ebene beschrieben. Eine Gruppe von Steuerungen kann von einer Steuerung der übergeordneten Ebene ge-führt werden. Damit nimmt in der hierarchischen Ordnung die Anzahl der Steuerungselemente in den oberen Ebenen ab [VDMA-15276, Homp-05a].

Ebene 6: Darstellung und Kommunikation

Die Ebene 6 ist die höchste Steuerungsebene im Materialflusssystem. Sie bildet die Schnittstelle zum PPS-System bzw. Warehouse Management. Von dort übermittelte logistische Transportaufgaben werden unter Generierung von Systemkoordinaten an die untergelagerte Systemsteuerung (Ebene 5) weitergereicht. Umgekehrt erfolgt über diese Ebene die Rückmeldung an die Lagerverwaltung bzw. das PPS-System durch Auftragsvollzug- oder Störmeldungen. Weitere Funktionen sind die Anlagen-bedienung, die Visualisierung und die Protokollierung der Abläufe. Die genannten Funktionen koppeln die Ebene 6 sehr eng an die Ebene 5. Es ist deshalb nahe lie-gend, diese Funktionen auf einer gemeinsamen Hardware mit Ebene 5 zu implemen-tieren.

Gebräuchliche Bezeichnungen für die in dieser Ebene eingesetzten Rechnersysteme sind Materialflussrechner (MFR) bzw. Material-Flow-Control (MFC). Abhängig von der Anlagengröße werden üblicherweise ein oder mehrere miteinander vernetzte In-dustrie-PC eingesetzt.

Ebene 5: Systemsteuerung

Auf dieser Ebene werden alle Transportvorgänge des Materialflusssystems zentral gesteuert. Die Transportaufträge werden von der Lagerverwaltung bzw. dem PPS-System eingelastet. Daher ist in dieser Ebene üblicherweise ein Modell des Material-flusssystems mit allen Topologiedaten, Transportauftragsbeständen und Statusin-formationen hinterlegt. Hier sind ebenfalls Transportstrategien implementiert, durch die eine optimierte Auftragssteuerung der Transportaufträge im System je nach An-


13

lagenzustand erfolgen soll. Die Systemsteuerung verteilt die Transportaufträge auf die einzusetzenden Fördersysteme und leitet sie an die jeweiligen Subsystemsteue-rungen weiter.

Ebene 4: Subsystemsteuerung

Die Steuerungseinheiten dieser Ebene befehligen dezentral alle Operationen jeweils abgeschlossener Teilsysteme einer Anlage, wie z. B. ein Hochregallager oder ein Fahrerloses Transportsystem. Subsystemsteuerungen werden auch als unterlagerte Steuerungen (UST) bezeichnet und sind üblicherweise durch Industrie-PC oder spei-cherprogrammierbare Steuerungen (SPS) realisiert. Sie verfügen über Bedienober-flächen und Visualisierungen für eine autarke Steuerung des Subsystems. Zu ihren Funktionen gehört die Verwaltung der Topologiedaten, der Zustandsinformationen und der Transportauftragsbestände des Subsystems. Dazu gesellen sich Aufgaben wie die Wegplanung und Stauverhinderung innerhalb des Subsystems.

Die Ebene 4 ist die niedrigste Ebene, in der ein Bediener durch Eingabe eines Transportauftrages einen entsprechenden automatischen Transportvorgang einleiten kann.

Ebene 3: Bereichssteuerung

Eigenständige Bereichssteuerungen kontrollieren den Betrieb einzelner Fördermittel bzw. Geräte. Dies können Fahrerlose Transportfahrzeuge in einem Verbund von Fahrzeugen oder ein Abschnitt einer Förderstrecke sein. Die Bereichssteuerungen übernehmen die Steuerung von funktionalen Bereichen in einem Subsystem. Die Ab-laufsteuerung erfolgt hier durch Folgeschaltungen ereignis-, positions- oder zeitab-hängig. Die Bedienoberfläche ist nur für den Wartungsbetrieb ausgelegt und erlaubt keine automatischen Transportabläufe.

Ebene 2: Elementsteuerung

Die Elementsteuerungen führen ein oder mehrere Antriebe einer Fördermittelkompo-nente. Sie sind entweder Bestandteil einer Bereichssteuerung oder als Mikrocontrol-ler ausgeführt. Je nach Fördermittel werden typische Abläufe und Führungsgrößen (Sollwerte) für Antriebe erzeugt und überwacht. Auf dieser Ebene werden Sicher-heitsmechanismen und die Synchronisation mit benachbarten Elementsteuerungen


14

durchgeführt. Die unterlagerten Antriebssteuerungen (Ebene 1) werden typabhängig durch digitale oder analoge Steuersignale geführt.

Ebene 1: Antriebe und Geber

Sensoren (Geber) und Aktoren (Antriebe, Stellglieder) bilden die Schnittstelle zwi-schen Materialflusssteuerung und Materialflussebene. Die Sensoren liefern Mess-werte über den Ist-Zustand des Systems und der darin ablaufenden Materialflusspro-zesse an die Steuerungen der nächst höheren Ebenen. Dementsprechend führen die Antriebe die gewünschten Transportbewegungen aus.

Die Abb. 2.2 zeigt die Anwendung des Ebenenmodells auf ein Materialflussteue-rungssystem. Dieses besteht beispielsweise aus einem Produktionsplanung und -steuerungssystem, einem Lagerverwaltungssystem, einem Fertigungsleitstand, ei-nem Transportleitstand sowie einem Materialflussrechner mit untergeordneten Kom-ponenten. Dem Materialflussrechner sind mehrere Subsysteme in Form eines Hoch-regallagers, eines Pufferlagers, eines Staplerleitsystems und eines Fahrerlosen Transportssystems untergeordnet. In den Subsystemen werden wiederum Bereichs-, Element- und Antriebssteuerungen zur Steuerung der einzelnen Regalbediengeräte, Fördertechnik und Fahrzeuge eingesetzt.


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FFZ: FlurförderzeugFTS: Fahrerloses TransportsystemFT: FördertechnikLVR: LagerverwaltungsrechnerPPS: Produktionsplanungs- und –steuerungssystemRBG: Regalbediengerät

RBG 1RBG 1 RBG 2RBG 2 UmsetzerUmsetzerVorzonen-

förder-

technik

Vorzonen-förder-

technikFTFT RBGRBG

Bediener

Manuelles FFZ

Bediener

Manuelles FFZ

FTF 1FTF 1 FTF 2FTF 2

MaterialflussrechnerMaterialflussrechner

Subsystem Hochregallager


Subsystem Pufferlager


Subsystem FFZ

Subsystem FFZ

Subsystem FTS

Subsystem FTS

2,1

Ebene

3

4

5,6

LVRLVR PPSPPS TransportleitstandTransportleitstand FertigungsleitstandFertigungsleitstand

FFZ: FlurförderzeugFTS: Fahrerloses TransportsystemFT: FördertechnikLVR: LagerverwaltungsrechnerPPS: Produktionsplanungs- und –steuerungssystemRBG: Regalbediengerät


förder-

technik

Vorzonen-förder-

technikFTFT RBGRBG

Bediener

Manuelles FFZ

Bediener

Manuelles FFZ







Subsystem FFZ

Subsystem FFZ

Subsystem FTS

Subsystem FTS

2,1

Ebene

3

4

5,6



förder-

technik

Vorzonen-förder-

technikFTFT RBGRBG

Bediener

Manuelles FFZ

Bediener

Manuelles FFZ

FTF 1FTF 1 FTF 2FTF 2RBG 1RBG 1 RBG 2RBG 2 UmsetzerUmsetzerVorzonen-

förder-

technik

Vorzonen-förder-

technikFTFT RBGRBG

Bediener

Manuelles FFZ

Bediener

Manuelles FFZ







Subsystem FFZ

Subsystem FFZ

Subsystem FTS

Subsystem FTS





Subsystem FFZ

Subsystem FFZ

Subsystem FTS

Subsystem FTS

2,1

Ebene

3

4

5,6


Abb. 2.2: Beispielhafte Hardwarekonfiguration [VDMA-15276]

Das Ebenenmodell stellt eine gute Empfehlung für die Planung und Ausführung von Materialflusssteuerungssystemen dar. Allerdings legt es nur die Funktionalität der Ebenen fest und beschreibt grob, welche Informationen zwischen den Ebenen aus-getauscht werden. Kommunikationsmittel, –protokolle und Inhalte müssen von den Herstellern explizit aufeinander abgestimmt werden. Des Weiteren verhindert dieses Modell nicht unerwünschte redundante Datenhaltung. Es muss ein permanenter Ab-gleich der Datenbanken zwischen den Ebenen erfolgen, da z. B. Topologiedaten auf mehreren Ebenen gespeichert werden. Änderungen im Aufbau und in den Abläufen des Materialflusses können u. U. zu Softwareanpassungen in mehreren Ebenen füh-ren.


16

2.2 Defizite bisheriger Automatisierungslösungen im Be-reich der Materialflusstechnik

Die Wandelbarkeit und die Leistungsfähigkeit eines automatisierten Materialflusssys-tems ergeben sich zum einen aus der Leistungsfähigkeit und der Flexibilität der ein-zelnen materialflusstechnischen Komponenten (Lastaufnahmemittel, Transporthilfs-mittel, Lagertechnik usw.) und zum anderen aus dem Zusammenspiel dieser Kom-ponenten. Dieses Zusammenspiel besteht aus physischen Prozessen wie z. B. der Lastübergabe und aus Kommunikationsprozessen zur Steuerung der Vorgänge. Ge-rade in komplexen automatisierten Systemen gestaltet sich dieses Zusammenspiel sehr schwierig und ist für die Starrheit und Komplexität heutiger automatisierter Ma-terialflusssysteme verantwortlich. So gaben in einer Trendstudie der Bundesvereini-gung Logistik die befragten Unternehmen an, dass Schnittstellenprobleme mit inter-nen (38% der Befragten) und mit externen Systemen (57% der Befragten) als hohe technologische Hemmnisse bei der Realisierung von Logistikprojekten angesehen werden [Stra-05].

Untersuchungen an technischen Umsetzungen und entsprechende Fallstudien aus der Literatur [Sche-03, Mehl-91] mit dem Fokus auf der Wandelbarkeit der Automati-sierung zeigen, dass die Automatisierungslösungen meist aus einer zentralen Steuerung (SPS, PC, IPC) mit überwiegend dezentral über einen Feldbus ange-schlossenen Aktoren und Sensoren oder intelligenten Feldgeräten bestehen. Die Bustechnologie ersetzt hierbei hauptsächlich die früheren klassischen Parallelver-drahtungen der zentralen Automatisierung und erlaubt zusätzlich, Informationen für die Parametrierung und Diagnose zu übertragen. Aber trotz des Einsatzes von Feld-bussystemen stellen die verwendeten Automatisierungslösungen größtenteils abge-schlossene Systeme dar und sind nur veränder- und erweiterbar hinsichtlich vorge-planter Parameter. Der Datenaustausch zwischen weiteren Systemen bzw. System-komponenten findet dabei über proprietäre Schnittstellen statt. Diese Schnittstellen sind oft ursächlich für Probleme bei der Durchsatzgeschwindigkeit, der Änderungs-freundlichkeit und der Stabilität der Datenkommunikation.

Bei konventionellen Steuerungen von Stückgutförderern verwaltet ein zentraler Leit-rechner die gesamte Materialflusstechnik und erzeugt die Fahraufträge z. B. für Flur-förderfahrzeuge und Fahrerlose Transportsysteme. Dazu ist der Leitrechner in der Regel an Datenbankensysteme angeschlossen. Dezentrale Steuerungen in Form von SPSen übernehmen nur Antriebs- und Stellfunktionen. Die eigentlichen intelli-

2.2 Defizite bisheriger Automatisierungslösungen im Bereich der Materialflusstechnik

17

genten Steuerungsfunktionen, wie das Zuordnen der Fahraufträge auf Fördermittel und die Berechnung bzw. Auswahl der Wege, werden vom zentralen Leitrechner ausgeführt [Büch-00].

Bedingt durch die hohen Anforderungen an die Materialflusssysteme nimmt der Auf-wand der zu steuernden Aufgaben zu und führt zu komplexen Automatisierungs-systemen mit sehr vielen Steuerungsvorgängen und großen zu verarbeitenden Da-tenmengen. So stellen der Betrieb und die Wartung hohe Anforderungen an das Per-sonal. Bei einem erforderlichen Umbau bzw. einer Erweiterung der Anlage entsteht ein erheblicher Engineeringaufwand, der bis zur Größenordnung einer kompletten Neuplanung des entsprechenden Systems reichen kann.

Eine weitere Ursache hierfür ist die getrennte Optimierung von mechanischen, ener-getischen und steuerungstechnischen Komponenten der Maschinen bzw. der Materi-alflussmodule. So wird die Software nach softwaretechnischen Gesichtspunkten ge-staltet, anstatt den mechanischen Aufbau und dessen Funktionalität abzubilden. Ge-rade beim Umbau eines komplexen automatisierten Systems entstehen hier Schwie-rigkeiten, da die Systemgrenzen der Mechanikmodule nicht mit den Systemgrenzen der Softwaremodule übereinstimmen. So zeigt sich, dass die heutigen Automatisie-rungslösungen für Materialflusssysteme die Anforderungen an die Wandelbarkeit nicht ausreichend erfüllen.

19

3 Wandelbarkeit

3.1 Anforderungen an wandelbare Materialflusssysteme

3.1.1 Begriffliche Abgrenzung

Der Begriff Wandelbarkeit steht in einem engen Zusammenhang mit den Definitionen der Flexibilität, der Reaktionsfähigkeit und der Wandlungsfähigkeit. Im Folgenden werden diese erläutert und, darauf aufbauend, die Eigenschaften bzw. Anforderun-gen an ein wandelbares System beschrieben.

3.1.1.1 Flexibilität

Flexibilität ist die Fähigkeit, sich geänderten Umweltbedingungen und alternativen Situationen, die in der Zukunft eintreten können, anzupassen [Pfoh-94]. Verallgemei-nert kann Flexibilität als Möglichkeit zur Veränderung in vorgehaltenen Dimensionen und Szenarios bezeichnet werden [Bles-99].

Chryssolouris [Chry-96] stellt die Flexibilität als eine Funktion der Anzahl aller zur Verfügung stehenden Optionen und der Freiheit, aus diesen Optionen auswählen zu können, dar.

Westkämper und Zahn definieren die Flexibilität eines Systems wie folgt: „Ein System wird als flexibel bezeichnet, wenn es im Rahmen eines prinzipiell vorgedachten Um-fangs von Merkmalen sowie deren Ausprägungen an veränderte Gegebenheiten re-versibel anpassbar ist [West-00].“

Hinsichtlich produktionstechnischer und logistischer Belange wird nach Wiendahl [Wien-02] die Flexibilität als die taktische Fähigkeit eines ganzen Produktions- oder Logistikbereichs, sich auf eine neue – aber ähnliche – Familie von Komponenten ein-schließlich der zugehörigen Eigenfertigungs- und Zukaufteile überwiegend reaktiv durch Veränderung der Fertigungsverfahren, Materialflüsse und Logistikfunktionen in mittlerer Zeit mit mittlerem Aufwand hinsichtlich Hard- und Software umstellen zu können, bezeichnet. Die Umstellung erfolgt überwiegend manuell und bedarf in der Regel eines Planungsvorlaufs mit einer anschließenden Hochlauf- und Optimie-rungsphase.

3 Wandelbarkeit

20

Häufig wird auch in diesem Zusammenhang zwischen der operativen und strategi-schen Flexibilität unterschieden. Nach Günthner [Günt-97] ist die Fähigkeit, kurzfristig auf Veränderungen reagieren zu können, von operativer Bedeutung und die Fähig-keit, in angemessener Zeit auf veränderte Umweltbedingungen reagieren zu können, von strategischer Bedeutung.

3.1.1.2 Reaktionsfähigkeit

Werden Freiheitsgrade auch für unvorhergesehene Situationen geschaffen, spricht man hier von der Reaktionskapazität oder Reaktionsfähigkeit [Pfoh-94]. Diese er-möglicht es, auch jenseits vorgedachter Dimensionen, Korridore und Szenarios zu agieren [Bles-99]. Die Reaktionsfähigkeit kann am einfachsten mit der Kreativität und Innovationsfähigkeit der Menschen beschrieben werden, die neue Lösungen erfinden und vor allem auch in kurzer Zeit umsetzen können.

3.1.1.3 Wandlungsfähigkeit und Wandelbarkeit

Die Vereinigung der Merkmale Flexibilität und Reaktionsfähigkeit wird auch als Wandlungsfähigkeit bezeichnet [Rein-99], [Dürr-01], die nach Reinhart als „neue Di-mension der Flexibilität“ verstanden wird [Rein-97]. In der Literatur werden die Begrif-fe Wandelbarkeit und Wandlungsfähigkeit synonym verwendet. Dabei wird bei der Beschreibung von technischen Systemen eher der Begriff „wandelbar“ und bei Orga-nisationsstrukturen/-formen der Begriff „wandlungsfähig“ verwendet.

Unter Wandlungsfähigkeit versteht Wiendahl [Wien-02] die taktische Fähigkeit einer ganzen Fabrikstruktur, sich auf eine andere – meist aber ähnliche – Produktfamilie reaktiv oder proaktiv umzustellen und/oder die Produktionskapazität zu verändern. Dabei werden strukturelle Eingriffe in die Produktions- und Logistiksysteme, in die Gebäudestruktur und deren Einrichtungen, in die Aufbau- und Ablauforganisation sowie in den Personalbereich erforderlich. Die Umstellung erfordert einen längeren Planungsvorlauf, ist aber in verhältnismäßig kurzer Zeit durchführbar. Sie erfolgt in abgegrenzten Teilprojekten mit straffem Projektmanagement und einer Hochlauf- und Optimierungsphase. Die Wandlungsfähigkeit setzt flexible, rekonfigurierbare und umrüstbare Systeme auf den darunter liegenden Ebenen voraus.

Westkämper [West-03] versteht unter Wandlungsfähigkeit die Eigenschaft, frühzeiti-ge und vorausschauende Anpassungen der Unternehmensstrukturen und –prozesse

3.2 Beurteilung der Wandelbarkeit eines Materialflusssystems

21

aufgrund von Turbulenzen durchzuführen. „Ein System wird als wandlungsfähig be-zeichnet, wenn es aus sich selbst heraus über gezielt einsetzbare Prozess- und Strukturvariabilität sowie Verhaltensvariabilität verfügt. Wandlungsfähige Systeme sind in der Lage, neben reaktiven Anpassungen auch antizipative Eingriffe vorzu-nehmen. Diese Aktivitäten können auf Systemveränderungen wie auch auf Umfeld-veränderungen hinwirken [West-00].“

Zusammengefasst kann man bei der Wandelbarkeit von einer Art Steigerung der Flexibilität sprechen. In Ergänzung zur Flexibilität, die als Möglichkeit zur Verände-rung in vorgehaltenen Dimensionen und Szenarios bezeichnet werden kann, müssen wandelbare Materialflusssysteme zusätzlich die Anforderung erfüllen, auf ungeplante und nicht vorgedachte eintretende Ereignisse selbstständig reagieren zu können.

3.2 Beurteilung der Wandelbarkeit eines Materialflusssys-tems

Übertragen auf den Bereich der Materialflusstechnik lässt sich diese Definition der Wandelbarkeit in die Forderungen nach Layoutflexibilität, Durchsatzflexibilität und Fördergutflexibilität spezifizieren.

Dabei definieren sich die Flexibilitätskriterien wie folgt [Hand-01, Günt-02, Günt-03a]:

Fördergutflexibilität: Das System muss in der Lage sein, unterschiedliche Produkte, unabhängig von deren Abmessung und Gewicht, transportieren zu können.

Layoutflexibilität: Jeder Ort in der Fabrik muss bedient werden können, bzw. das Materialfluss-system muss sich schnell auf veränderte Materialflusswege einstellen können.

Durchsatzflexibilität: Durchsatzflexible Materialflusssysteme müssen sich den Leistungsänderun-gen der Produktion durch geeignete Maßnahmen anpassen können. Exempla-risch für solche Maßnahmen zur Steigerung der Durchsatzflexibilität sollen an dieser Stelle die Auswahl alternativer Wegstrecken und die Variation der An-zahl der zu befördernden Güter pro Fördermittel genannt werden.

3 Wandelbarkeit

22

Diese drei Flexibilitätskriterien lassen sich zu einer operativen Flexibilität zusammen-fassen. Mit dieser werden Schwankungen im laufenden Betrieb, wie z. B. Auftrags-mengenschwankungen und geringfügige Änderungen innerhalb des vorgegebenen Produktspektrums gehandhabt.

Um zu gewährleisten, dass ein Materialflusssystem in der Lage ist, auf jedes unge-plante Ereignis bzw. Aufgabe reagieren zu können, müssten diese drei Anforderun-gen vollständig erfüllt sein. Ein wirtschaftlicher Betrieb und eine technische Umset-zung wären unter diesen Gesichtspunkten nicht bzw. kaum zu realisieren.

Damit jedoch ein Materialflusssystem so gestaltet werden kann, dass eine Reaktion auf ungeplante Ereignisse und trotzdem noch ein wirtschaftlicher Betrieb möglich ist, müssen zusätzlich folgende Leitmotive erfüllt werden:

Erweiterungsfähigkeit: Eine Erweiterung des Produktionsbereiches erfordert von Materialflusssyste-men sowohl die Bedienung neuer Hallenbereiche als auch zusätzlicher Über-gabeplätze innerhalb bestehender Bereiche. Man versteht dabei die Möglich-keit, ein bestehendes Materialflusssystem durch Hinzufügen von systemeige-nen Bauteilen und Fahrzeugen zu erweitern.

Integrationsfähigkeit: Sie beschreibt nicht nur die Fähigkeit, Materialflusssysteme auf der steue-rungstechnischen Seite in Leit- oder PPS-Systeme zu integrieren, sondern auch die Fähigkeit, technische und steuerungstechnische Verbindungen mit anderen Materialflusssystemen eingehen zu können [Hand-01]. In Ergänzung zur Erweiterungsfähigkeit bezieht sich die Integrationsfähigkeit deshalb auf das Hinzufügen von verschiedenartigen Materialflusssystemen. Diese Integra-tion soll unabhängig vom Materialflusssystem und Hersteller möglich sein. Um die Integrationsfähigkeit zu gewährleisten, ist es notwendig, dass die einzel-nen Systeme über offene, standardisierte mechanische, energetische und steuerungstechnische Schnittstellen, auch als standardisierte mechatronische Schnittstellen bezeichnet, verfügen. In wandelbaren Materialflusssystemen zählt fehlende Integrationsfähigkeit als Ausschlusskriterium und muss deshalb auf jeden Fall erfüllt sein.

Mit den Eigenschaften Erweiterungsfähigkeit und Integrationsfähigkeit besitzt das Materialflusssystem die Fähigkeit, auf vorab nicht geplante Änderungen zu reagieren.

3.2 Beurteilung der Wandelbarkeit eines Materialflusssystems

23

Diese Art der Reaktionsfähigkeit wird als strategische Wandelbarkeit bezeichnet. Sie wird bedient, wenn die operative Flexibilität eines Materialflusssystems nicht mehr ausreicht, um auf Veränderungen im Produktspektrum entsprechend zu reagieren, bzw. den Umstieg auf neue Produkte zu bewältigen.

Fördergutflexibilität

Mindestanforderung an die Wandelbarkeit desMaterialflusssystems

Durchsatzflexibilität

Layoutflexibilität

1 1

1

Operative Flexibilitäteines beispielhaftenMaterialflusssystems Strategische Wandelbarkeit

eines Materialflusssystems

Theoretische max. Wandelbarkeit

Erweiterungs- und Integrationsfähigkeit

Fördergutflexibilität

Mindestanforderung an die Wandelbarkeit desMaterialflusssystems

Durchsatzflexibilität

Layoutflexibilität

1 1

1

Operative Flexibilitäteines beispielhaftenMaterialflusssystems Strategische Wandelbarkeit

eines Materialflusssystems

Theoretische max. Wandelbarkeit

Erweiterungs- und Integrationsfähigkeit

Abb. 3.1: Beurteilung der Wandelbarkeit eines Materialflusssystems (Beispiel)

Der Grad der operativen Flexibilität lässt sich aus der Fläche eines entstehenden Dreiecks ablesen, wenn man die technischen Fähigkeiten eines Materialflusssystems hinsichtlich Fördergut-, Layout- und Durchsatzflexibilität in einem dreidimensionalen Koordinatensystem aufträgt (Abb. 3.1). Die Eigenschaften Erweiterungs- und Integra-tionsfähigkeit vergrößern die Fläche des Dreiecks von der operativen Flexibilität bis hin zur strategischen Wandelbarkeit.

Die Darstellung der Wandelbarkeitskriterien in Form eines Dreiecks wie in Abb. 3.1 ermöglicht eine qualitative Bewertung eines Materialflusssystems hinsichtlich Wan-delbarkeit und liefert somit eine Basis für den Vergleich verschiedener Materialfluss-

3 Wandelbarkeit

24

systeme bzw. materialflusstechnischer Varianten [Zäh-03]. Des Weiteren kann mit dieser Darstellungsform qualitativ überprüft werden, ob von einem ausgewählten Ma-terialflusssystem die Mindestanforderungen an Wandelbarkeit erfüllt werden. Über das Verhältnis der drei Innenwinkel des Dreiecks ist es weiterhin möglich, eine Ge-wichtung in Richtung bestimmter Anorderungen, wie z. B. einer stärkeren Layoutfle-xibilität, vorzunehmen.

Dieses entwickelte qualitative Bewertungs- und Auswahlverfahren lässt sich mit den Arbeiten von Schuh zur Bewertung der Flexibilität von Produktionssystemen ergän-zen. Schuh stellt hierzu ein Kennzahlenssystem vor, mit dem sich die Stückzahl-, Va-rianten- und Produktänderungsflexibilität von Produktionssystemen bewerten lässt [Schuh-04a, Schuh-04b].

Die Eigenschaften Erweiterungsfähigkeit und Integrationsfähigkeit stellen die Grund-fähigkeiten und Leitmotive für ein wandelbares Materialflusssystem dar und müssen von dessen technischen Komponenten unbedingt realisiert werden. In weiteren Aus-bau- bzw. Entwicklungsstufen können die materialflusstechnischen Komponenten über zusätzliche Fähigkeiten verfügen. Hier sei z. B. die Lernfähigkeit zu nennen. Mit dieser Fähigkeit können Materialflussmodule aus erledigten Aufgaben lernen, um so die gewonnenen Erkenntnisse in die Bearbeitung neuer Aufträge miteinzubeziehen. Dies ermöglicht beispielsweise Fahrzeugen bei der Wegplanung nicht nur den kür-zesten, sondern auch den schnellsten Weg zu wählen.

3.3 Vorauswahl geeigneter Materialflusstechnik für wan-delbare Systeme

Für die technische Realisierung eines wandelbaren Materialflusssystems mit markt-üblichen Materialflussmitteln muss zwischen manuellen Systemen wie Hubwagen und Gabelstapler und automatisierten Systemen für Stückgüter (Rollenförderer, Elektrohängebahnen) unterschieden werden.

Manuelle Systeme erfüllen zwar zum großen Teil die Anforderungen an die Wandel-barkeit und verursachen die geringsten Investitionskosten. Sie verfügen aber weder über die höchste Produktivität noch über eindeutig quantifizierbare Kundenvorteile wie Nullfehler-Strategie oder zeitoptimierte Anwendungen. Darüber hinaus verursa-chen manuelle Transporte nicht nur hohe Betriebs- und Personalkosten, sondern

3.3 Vorauswahl geeigneter Materialflusstechnik für wandelbare Systeme

25

weisen auch ein großes Gefahren- und Fehlerpotenzial auf und führen mitunter zu Qualitätseinbußen beim Fördervorgang [Dull-99].

Die heutzutage verwendeten Automatisierungslösungen für Materialflusssysteme stellen trotz des Einsatzes von Feldbussystemen größtenteils abgeschlossene Sys-teme dar und sind nur veränder- und erweiterbar hinsichtlich vorgeplanter Parameter. Die Kommunikation zwischen weiteren Systemen bzw. Systemkomponenten findet dabei über hersteller- und systemspezifische Schnittstellen statt [Sche-03]. Im Allge-meinen gelten automatisierte Systeme als starr und unflexibel und damit weniger ge-eignet für wandelbare Materialflusssysteme [Stra-05].

Abb. 3.2 zeigt eine Übersicht der Fördermittel, die auf Grund ihrer Funktionsweise und der damit verbundenen systemeigenen Flexibilität, die besten Voraussetzungen für ein wandelbares Materialflusssystem bieten [Hand-01].

3 Wandelbarkeit

26

Regalbe-diengerät

Gleis-gebunden

Stapler

Gleislos

Brücken-kran

Krane

FlurfreieFörderm.

Kreis-förderer

Schubplatt-formförd.

Rollenbahnangetrieben

Rollen- u.Kugelbahn

Platten-bandförd.

Ketten-förderer

Gurt-förderer

Band-förderer

Flurgebunden Flurfördermittel

Kurvengurt-förderer

Teleskop-gurtförderer

Stahlband-förderer

Glieder-bandförd.

Drahtgurt-förderer

Riemen-förderer

Rollenbahnnicht angetr.

Röllchen-bahn

Schlepprol-lenförderer

Rollenstau-förderer

Kugelbahn

EPB/ETB

Bodentrans-portsystem

InvertedP&F

Schlepp-kreisförd.

Hänge-kran

Seilhänge-bahn

Dreh-kran

Wagen

Verschiebe-einrichtung

Hand-wagen

FTS

Elekrohängebahn

Schlepper

Hubwagen

Schlepp-zugförd.

Stapler-kran

Schlepp-gurtförd.

Portal-kran

Schuppen-förderer

Kipp-schalenförd.

Quergurt-sortierförd.

Schuh-sortierförd.

Schleppket-tenförderer

Vorauswahl geeigneter Fördermittelfür wandelbare Materialflusssysteme

Legende:

Tragketten-förderer

Stauketten-förderer

Schaukel-förderer

Stetigförderer für Stückgüter Unstetigförderer

Abb. 3.2: Fördermittelübersicht: Eingrenzung und Vorauswahl geeigneter Fördermittel [Hand-01]

Handrich [Hand-01] zeigt in seiner Arbeit, dass zwar Materialflusssysteme vorhanden sind, die einzelne Anforderungen hinsichtlich Wandelbarkeit, z. B. Layout- oder Durchsatzflexibilität, gut erfüllen. Aber ein Materialflusssystem, das systembedingt für alle Anforderungen eine gleichermaßen gute Lösung darstellt, gibt es derzeit nicht:

Stapler schneiden im Vergleich sehr gut ab. Sie erreichen aber ihre hohe Fle-xibilität nur als manuelles Fördergerät mit den Nachteilen hoher Betriebskos-ten und einem hohen Gefahren- und Fehlerpotenzial. Für ihre Layoutflexibilität sind sie auf Fahrgassen angewiesen

3.3 Vorauswahl geeigneter Materialflusstechnik für wandelbare Systeme

27

Fahrerlose Transportsysteme stellen relativ flexible, flurgebundene Systeme dar, die aber wie Stapler Fahrgassen benötigen. Nachteilig sind hier die hohen Systemkosten und der komplexe Aufbau. Die aus Sicherheitsgründen einge-schränkten Transportgeschwindigkeiten und die begrenzte Antriebsenergie lassen nur kleine Fördergutströme zu. Als weitere eingrenzende Parameter gelten die hohe Störungsanfälligkeit, die nur befriedigende Verfügbarkeit so-wie die hohen Anschaffungs- und Betriebskosten. Jüngste Entwicklungen wie Low-Cost-Ansätze und berührungslose Energieübertragung zeigen aber Ver-besserungspotenziale auf.

Rollenbahnen, Tragkettenförderer und Elektrohängebahnen (EHB) eignen sich für hohe Förderleistungen. Fest installierte Förderstrecken und zusammen-hängende Förderwege begrenzen sie aber in ihrer Layoutflexibilität.

Krane bieten im Vergleich die größte Layoutflexibilität. Durch die Verlagerung der Transportvorgänge in den Überflurbereich kann auf Layoutänderungen in dynamischen Produktionsstrukturen weitaus flexibler als mit herkömmlichen Fördermitteln reagiert werden. Allerdings sind sie oft nur als manuelle Syste-me oder als automatisierte Einzel- und Sonderlösungen im Einsatz. Des Wei-teren sind Krane in ihrer Durchsatzflexibilität und Förderleistung einge-schränkt.

Eine Kombination aus Elektrohängebahnsystem und Hängekranen, bei der die EHB-Fahrzeuge auf die Hängekrane überwechseln können, vereinigt die Vorteile beider Systeme. In so einem System kommen die hohe Förderleistung und die Durchsatz-flexibilität einer Elektrohängebahn und die Layoutflexibilität von Kranen zum Tragen. Zusätzlich wird der Materialfluss in den Überflurbereich gelegt. Dies schafft Freiräu-me bei der Aufstellung der Produktionseinrichtungen.

Allerdings erfüllt solch ein System noch nicht die Anforderungen an die Wandelbar-keit. Ob ein Materialflusssystem wandelbar ist, hängt von der Gestaltung seiner Sys-temkomponenten ab. Diese müssen in ihrer technischen Realisierung die Leitmotive Erweiterungs- und Integrationsfähigkeit aufweisen. Hierzu sind bei der Systemgestal-tung neue Ansätze in der Modularisierung und Automatisierung nötig, wie sie im Fol-genden beschrieben werden.

29

4 Gestaltungsmethodik

4.1 Funktionsorientierte Modularisierung auf Basis der verteilten Automatisierung

Für die Konzeption eines automatisierten wandelbaren Materialflusssystems und dessen materialflusstechnischen Komponenten, das den Anforderungen dynami-scher Produktionsstrukturen genügt, wird in dieser Arbeit als Gestaltungsmethode eine funktionsorientierte Modularisierung in Verbindung mit einer mechatronischen Betrachtungsweise angewendet.

Bei dieser Methode wird das Materialflusssystem aus mechatronischen Modulen auf-gebaut, deren Modulgrenzen entsprechend der Funktionalität gezogen werden und die nach dem Konzept der verteilten Automatisierung automatisiert sind.

Das Konzept der verteilten Automatisierung, auch verteilte Intelligenz bzw. Distribu-ted Automation genannt, vereint die Vorteile der zentralen und dezentralen Automati-sierung. Alle Teilnehmer stellen autonome mechatronische Module dar, deren ge-samte Funktionalität in Form von Mechanik, Energie und Steuerung zu einer me-chatronischen Funktionseinheit vereinigt wird. Gepflegt und spezifiziert wird dieser offene Standard für die Automatisierungstechnik von der IDA-Organisation (Interface for Distributed Automation) [Ida-02]. Weitere Organisationen wie die PROFIBUS Nut-zerorganisation bieten ähnliche Konzepte an [Prof-02].

Ein mechatronisches Modul ist zum Beispiel ein Fahrzeug einer Elektrohängebahn und besteht wiederum aus Elementen wie Antrieb, Fahrwerk etc. Je nach Granulie-rung lassen sich einzelne Module zu Subsystemen (z. B. Lagerbereich, Elektrohän-gebahnsystem etc.) zusammenfassen. Die Anzahl der Hierarchiestufen ist dabei va-riabel, solange die betrachteten Module immer eigenständige Funktionseinheiten mit klaren, eindeutigen Schnittstellen darstellen (Abb. 4.1).

Über eine mechatronische Schnittstelle lassen sich die Module zusammenschalten. Dabei vereinigen sich die Funktionalitäten, Leistungsfähigkeiten und Schnittstellen der Module in einem größeren Subsystem. Verschmelzen bei diesem Prozess die Systemgrenzen der Basismodule, so stellt das neue Modul/Subsystem die kleinste eigenständige Funktionseinheit dar.


30

Durchgängige funktionsorientierte, mechatronische Betrachtung und Modularisierung

Module (Fahrzeug / RBG ...)

Subsysteme (EHB / FTS / Lager ...)

Gesamtes Materialflusssystem

Durchgängige funktionsorientierte, mechatronische Betrachtung und Modularisierung

Module (Fahrzeug / RBG ...)

Subsysteme (EHB / FTS / Lager ...)

Gesamtes Materialflusssystem

Abb. 4.1: Methodisches Vorgehen bei einer funktionsorientierten Modularisierung

4.1.1 Gestaltungsregeln für Module

Wie in Kapitel 3.1 beschrieben, müssen die Module eines wandelbaren Materialfluss-systems die Eigenschaften Erweiterungs- und Integrationsfähigkeit aufweisen. Diese Leitmotive wirken sich sowohl auf die Gestaltung der Module als auch auf deren Schnittstellen aus. Als Gestaltungsmethodik bietet sich eine funktionsorientierte Mo-dularisierung an. Die Regeln dieser Methodik lehnen sich dabei an Methoden aus dem Bereich des Software Engineerings und der Produktentwicklung an [Kohl-97]. So unterscheidet Meyer [Meye-97] bei der Gestaltung der Modularität zwischen fünf Kriterien (Tab. 4.1): Zerlegbarkeit, Kombinierbarkeit, Verständlichkeit, Stetigkeit und Geschütztheit.

Diese Gestaltungsregeln werden erweitert zum einen um die Forderung nach identi-schen Systemgrenzen auf der mechanischen, energetischen und steuerungstechni-schen Ebene. Zum anderen müssen die Systemgrenzen entsprechend der Funktio-

4.1 Funktionsorientierte Modularisierung auf Basis der verteilten Automatisierung

31

nalität eines Moduls gezogen werden. Ein Modul definiert sich nach der Funktion bzw. Aufgabe, die es erfüllt, wie z. B. das Transportieren.

Damit bestimmen sich die Kriterien für eine funktionsorientierte Modularisierung wie folgt:

Tab. 4.1: Kriterien für eine funktionsorientierte Modularisierung

Kriterium Erklärung

Zerlegbarkeit Ein System lässt sich in Subsysteme/Module zerlegen.

Kombinierbarkeit Module lassen sich frei und unabhängig voneinander zu neuen Systemen und Subsystemen kombinieren.

Verständlichkeit Die Funktion eines Moduls muss für einen Anwender (Bediener/Planer) verständlich sein.

Die Verwendung eines Moduls erfordert keine Kennt-nisse über seinen inneren Aufbau (Black-Box-Prinzip)

Stetigkeit und Geschütztheit (Kapselung)

Änderungen im Inneren eines Moduls, welche seine Schnittstellen unverändert lassen, dürfen keine Rück-wirkungen auf das übrige System haben.

Fehler und Störungen in einem Modul sollten auf das Modul beschränkt bleiben.

Identität der Systemgrenzen Die Systemgrenzen von Mechanik, Energie und Steuerungstechnik eines Moduls müssen identisch sein.

Funktionsorientierte Betrach-tungsweise

Modulgrenzen werden entsprechend der Funktionalität des Moduls gezogen

Das Modul kann seine Funktion ohne Einbettung in ein Gesamtsystem erfüllen.

Es lässt sich unabhängig von anderen Modulen testen und in Betrieb nehmen

Diese Kriterien gelten nicht nur für die Softwarearchitektur, sondern auch für die me-chanische und energetische Ebene des Moduls.


32

4.2 Modul- und Schnittstellenbeschreibung

Um verschiedenste Materialflussmodule miteinander koppeln zu können, müssen die Schnittstellen eindeutig definiert sein. Dazu müssen sie die geforderte Erweiterungs-fähigkeit und Integrationsfähigkeit gewährleisten, um Freiräume für zukünftige Funk-tionalitäten anbieten zu können.

Die Schnittstelle eines Moduls untergliedert sich in eine mechanische, eine energeti-sche und in eine steuerungsstechnische Ebene. Die mechanischen und die energeti-schen Beschreibungen einer Modulschnittstelle werden gut über Normen und Richtli-nien geregelt und stellen bei Planung und der Inbetriebnahme eines Systems keine großen Schwierigkeiten dar. Anders sieht es auf der Seite der Informations- und Steuerungstechnik aus (siehe Kap. 2.2). Deshalb konzentriert sich die vorliegende Arbeit im Folgenden auf die Beschreibung der steuerungstechnischen Ebene einer mechatronischen Modulschnittstelle.

Zu der Schnittstellendefinition gehört aber auch eine Beschreibung der Funktionalität, der Leistungsfähigkeit und der Geometrie des Moduls. Diese Modulbeschreibungen werden zum einen für die Planung des Materialflusssystems und zum anderen für den laufenden Betrieb des Systems benötigt. In ihnen ist definiert, welche Funktion ein Modul erfüllt und wie es von außen angesprochen wird. Über sie kann ein PPS-System bei der Planung der Transportaufträge erfahren, welche Transportbehälter ein bestimmtes Lager- oder Montagemodul automatisch verarbeiten kann und welche Fördermittel dann für den Transport in Frage kommen können. Nur diese Fahrzeuge bekommen den Auftrag zugeteilt. Aber auch die Fahrzeuge selbst können bei der Entscheidung, ob sie einen Auftrag annehmen möchten, aus den Modulbeschreibun-gen erfahren, ob sie mit ihrem Lastaufnahmemittel in der Lage sind, an der Modul-schnittstelle den Lastwechsel durchzuführen.

Der Aufbau und die Erstellung der Modulbeschreibungen, in denen sowohl die Funk-tionsweise der Steuerungslogik als auch die Schnittstellendefinitionen hinterlegt sind, orientiert sich an einer Technologie aus dem IT-Bereich für verteilte Web-Anwendungen. Mit dieser Technologie können verschiedene Clients, z. B. Handhelds im Internet, verteilte Web-Anwendungen automatisch aufrufen, um z. B. die aktuellen Wetterberichte für bestimmte Orte abzufragen. Hier kommen so genannte WSDL-Dateien (Web Service Description Language) zum Einsatz. Diese liefern eine genaue Beschreibung der Fähigkeiten (Methoden und Parameter) eines Web Services und


33

ermöglichen so dem Client, den entsprechenden Dienst zu starten. Bei der funkti-onsorientierten Modularisierung wird die Aufgabe der WSDL-Dateien durch so ge-nannte XML-Modulbeschreibungen übernommen. Diese sind in der Datensprache XML (Extensible Markup Language) kodiert. XML stammt aus dem IT-Bereich und ermöglicht eine offene, erweiterungsfähige Datenstruktur. XML-Dokumente bestehen dabei aus Elementen und Unterelementen, die in einer Baumstruktur angeordnet sind. Neben dem Dateninhalt wird auch die Datenbezeichnung übermittelt (siehe Kap. 5.1.3.).

4.2.1 Struktur der Modulbeschreibung

Die Modulbeschreibung (Abb. 4.2) gliedert sich in vier Bereiche. Dabei beschreiben die Elemente <Allgemein> und <Funktion> den statischen Teil des Moduls. Hier ist u. a. hinterlegt, um welchen Modultyp (z. B. Fahrzeug, Übergabeplatz) es sich han-delt und welche Funktion er ausübt (z. B. Transportieren). Im dynamischen Teil der Modulbeschreibung, der die Elemente <Status> und <Modulschnittstelle> umfasst, wird einerseits der aktuelle Zustand, sowohl in der Planungs- als auch in der Be-triebsphase, dargestellt. Andererseits werden hier die Befehle und Antworten mit wei-teren Modulen ausgetauscht.

Das Element <Allgemein> enthält Informationen wie die Bezeichnung, Herstelleran-gaben, den Typ des Moduls, den Standort und die Hauptabmessungen. Zusätzlich können hier Verweise auf weitere Datenquellen (CAD-Zeichnungen, Daten-/Typen-blätter des Herstellers) angelegt werden. Eine Aufgaben- und Funktionsbeschreibung sowie die Leistungskennzahlen des Moduls befinden sich in dem Element <Funktion>. Diese beiden Elemente sind hauptsächlich für den Planer von Bedeu-tung. Während des Materialflussbetriebes ist es für die Module nicht erforderlich, die-se Inhalte auszulesen (außer den Modulnamen). Für sie sind dagegen die Elemente <Status> und <Modulschnittstelle> von Bedeutung.


34

FunktionFunktion

Funktions- und Aufgabenbeschreibung

ModulnameModulname

ModultypModultyp

StandortStandort +

HauptabmessungenHauptabmessungen +

HerstellerHersteller

…

AllgemeinAllgemein

Allgemeine Informationen über das Modul

ModulbeschreibungModulbeschreibung

Beschreibt ein Modul hinsichtlich Funktionalität, Leistungsfähigkeit, Geometrie und Schnittstellen

-

-

FunktionsartFunktionsart

FunktionsbeschreibungFunktionsbeschreibung

KennzahlenKennzahlen

BetriebsartBetriebsart

BetriebszustandBetriebszustand

AuftragsstatusAuftragsstatus

PlanungszustandPlanungszustand

MechanikMechanik

EnergieEnergie

SteuerungSteuerung

+

+

+ModulschnittstelleModulschnittstelle

Beschreibung der Modulschnittstelle

-

StatusStatus

Darstellung des aktuellen Modulstatus

-

- +

+

FunktionFunktion

Funktions- und Aufgabenbeschreibung

ModulnameModulname

ModultypModultyp

StandortStandort ++

HauptabmessungenHauptabmessungen ++

HerstellerHersteller

…

AllgemeinAllgemein

Allgemeine Informationen über das Modul

ModulbeschreibungModulbeschreibung


-ModulbeschreibungModulbeschreibung


--

--















MechanikMechanik

EnergieEnergie

SteuerungSteuerung

++

++

++ModulschnittstelleModulschnittstelle


-ModulschnittstelleModulschnittstelle


--

StatusStatus


-StatusStatus


--

-- ++

++

Abb. 4.2: Schematischer Aufbau der XML-Modulbeschreibung


35

Im Element <Status> wird der aktuelle Zustand des Moduls festgehalten. Dieser kann ein Planungszustand (Grobplanung, Feinplanung, Aufbauphase usw.) oder der aktuelle Betriebszustand (Initialisierung, Fehler-, Notaussituation, Bereit) sein. Dazu gesellt sich die Betriebsart (Manuell, Manuell in Automatik, Automatik) und der Auf-tragsstatus (kein Auftrag, Auftragsannahme, Auftrag akzeptiert, Auftragsbearbeitung, Auftrag erledigt, Auftrag abgebrochen).

Neben den Elementen <Allgemein>, <Funktion> und <Status> beinhaltet die Modul-beschreibung eine Definition der Modulschnittstelle. Diese gliedert sich in eine me-chanische, eine energetische und in eine steuerungstechnische Ebene (Abb. 4.3), die im Folgenden erläutert werden.

ModulschnittstelleModulschnittstelle


-

SteuerungSteuerung +

Steuerungstechnische Ebene der Modulschnittstelle

MechanikMechanik +

Mechanische Ebene der Modulschnittstelle

EnergieEnergie +

Energetische Ebene der Modulschnittstelle

ModulschnittstelleModulschnittstelle


--

SteuerungSteuerung +


SteuerungSteuerung +SteuerungSteuerung ++


MechanikMechanik +


MechanikMechanik +MechanikMechanik ++


EnergieEnergie ++

Energetische Ebene der Modulschnittstelle

Abb. 4.3: Schematischer Aufbau der Modulschnittstelle

4.2.2 Mechanische Ebene der Modulschnittstelle

Die mechanische Ebene der Modulschnittstelle besteht aus den allgemeinen An-schlussmaßen wie z. B. der Befestigung des Moduls am Boden oder auch die kon-struktive Beschreibung des Fahrwerkes eines Elektrohängebahnfahrzeuges, damit dieses auf die Schiene passt (Abb. 4.4). Des Weiteren werden hier die benötigten Betriebsmittel (Schmierstoffe, Werkzeuge etc.) aufgeführt.

Ferner gehört zu dem Element <Mechanik> das Unterelement <Fördergutschnittstel-le>. Dieses Element definiert die förderguttechnische Seite der Modulschnittstelle. Diese Modulschnittstelle ist z. B. bei einem Lagermodul der E/A-Platz und bei einem


36

EHB-Fahrzeug das Lastaufnahmemittel. Sollte das Modul über mehrere Fördergut-schnittstellen verfügen, wird jede mit einem eigenen Element <Fördergutschnitt-stelle> charakterisiert. Das Element <Fördergutschnittstelle> beinhaltet die Bezeich-nung des Übergabeplatzes und gibt an, ob es sich dabei um einen Moduleingang, -ausgang oder um beides handelt (<SchnittstellenTyp>). Ein Modul-eingang kann nur Waren aufnehmen und ein Modulausgang nur Waren abgeben. Ein Lastaufnahmemittel übernimmt nach dieser Definition sowohl die Funktion eines Moduleingangs als auch die eines Modulausgangs.

ZulaessigesGewichtZulaessigesGewicht

AbmessungenAbmessungen +

Abmessungen der Fördergutschnittstelle

StandortStandort +

Standortkoordinaten der Fördergutschnittstelle, sowohl absolut bezogen auf das Hallenkoordinatensystem, als auch relativ bezogen auf das Koordinatensystem des Moduls

ZugriffZugriff +

Beschreibung der möglichen Zugriffsrichtungen und -arten

TransporthilfsmittelTypTransporthilfsmittelTyp

Typ der Transport- bzw. Ladehilfsmittel, die gehandhabt werden können (KLT-Behälter, Gitterbox, Palette etc.)

SchnittstellenTypSchnittstellenTyp

Festlegung, ob es sich um einen Moduleingang, -ausgang oder um beides handelt

NameName

Bezeichnung der Fördergutschnittstelle

AnschlussmaßeAnschlussmaße +

Anschlussmaße des Moduls (Fahrwerk in Schiene; Abstand der Befestigungsschrauben etc.)

FördergutschnittstelleFördergutschnittstelle -

MechanikMechanik -

BetriebsmittelBetriebsmittel

Benötigte Betriebsmittel (Schmierstoffe, Werkzeuge etc.)

+

ZulaessigesGewichtZulaessigesGewicht

AbmessungenAbmessungen +


AbmessungenAbmessungen +AbmessungenAbmessungen ++


StandortStandort +


StandortStandort +StandortStandort ++


ZugriffZugriff +


ZugriffZugriff ++










NameName


NameName


AnschlussmaßeAnschlussmaße ++

Anschlussmaße des Moduls (Fahrwerk in Schiene; Abstand der Befestigungsschrauben etc.)

FördergutschnittstelleFördergutschnittstelle -FördergutschnittstelleFördergutschnittstelle --

MechanikMechanik --

BetriebsmittelBetriebsmittel

Benötigte Betriebsmittel (Schmierstoffe, Werkzeuge etc.)

++

Abb. 4.4: Mechanische Ebene der Modulschnittstelle


37

Mit dem Element <TransporthilfsmittelTyp> wird aufgeführt, welche Transporthilfsmit-tel bzw. Ladehilfsmittel von dieser Schnittstelle gehandhabt werden können. Auch dieses Element kann mehrmals vorkommen. Zulässige Fördergutgewichte werden mit dem Element <ZulaessigesGewicht> beschränkt.

Die Position der Fördergutschnittstelle legt das Element <Standort> fest. Die Koordi-naten können sowohl absolut, bezogen auf ein Hallenkoordinatensystem, als auch relativ, bezogen auf das Koordinatensystem des Moduls, angegeben werden. Die absoluten Koordinaten der Fördergutschnittstelle können erst während der Planungs- bzw. Inbetriebnahmephase des Moduls festgelegt werden, da sie davon abhängen, wo das Modul augestellt wird. Die relativen Koordinaten werden direkt vom Hersteller des Moduls angeben.

Neben der Angabe, welche Lade- bzw. Transporthilfsmittel die Fördergutschnittstelle handhaben kann, lassen sich die Abmessungen dieser explizit anführen (Element <Abmessungen>).

Kann ein Übergabeplatz oder ein Lastaufnahmemittel nur aus einer bestimmten Rich-tung das Fördergut aufnehmen oder abgeben, z. B. von oben, wird dies in dem Ele-ment <Zugriff> über die erlaubte Zugriffsrichtung geregelt. Hier ist ebenso festgehal-ten, ab wann eine langsame Ein- und Ausfahrt des Lastaufnahmemittels erforderlich ist.


38

4.2.3 Steuerungstechnische Ebene der Modulschnittstelle

Die Zusammenarbeit der Module erfolgt über die steuerungstechnische Schnittstelle. Möchte ein Modul A einem anderen Modul B eine Anweisung geben, z. B. bei einer Lastübergabe, trägt das Modul A diese in die XML-Modulbeschreibung des Moduls B durch Senden einer entsprechenden XML-Nachricht ein. Dieses reagiert darauf, in-dem es wiederum in seine XML-Modulbeschreibung die entsprechende Antwort stellt (Abb. 4.5). Welche Anweisungen ein Modul verarbeiten kann und welche Antworten möglich sind, ist in der Beschreibung des Befehlssatzes hinterlegt (Abb. 4.7).

Modul Bz.B. Übergabeplatz

SteuerungSteuerung -

BefehlssatzBefehlssatz +

ModulanweisungModulanweisung -

AbsenderAbsender EHB-Fahrzeug 1

AttributAttribut automatisch

AnweisungAnweisung will_geben

EmpfängerEmpfänger Übergabeplatz

Auftrags_IDAuftrags_ID Auftrag_xy

AbsenderAbsender Übergabeplatz

AttributAttribut 30 sek

AntwortAntwort warten

EmpfängerEmpfänger EHB-Fahrzeug 1


ModulantwortModulantwort -

SteuerungSteuerung -SteuerungSteuerung --

BefehlssatzBefehlssatz +BefehlssatzBefehlssatz ++

ModulanweisungModulanweisung -ModulanweisungModulanweisung --






AbsenderAbsender EHB-Fahrzeug 1AbsenderAbsender EHB-Fahrzeug 1

AttributAttribut automatischAttributAttribut automatisch

AnweisungAnweisung will_gebenAnweisungAnweisung will_geben

EmpfängerEmpfänger ÜbergabeplatzEmpfängerEmpfänger Übergabeplatz

Auftrags_IDAuftrags_ID Auftrag_xyAuftrags_IDAuftrags_ID Auftrag_xy






AbsenderAbsender ÜbergabeplatzAbsenderAbsender Übergabeplatz

AttributAttribut 30 sekAttributAttribut 30 sek

AntwortAntwort wartenAntwortAntwort warten

EmpfängerEmpfänger EHB-Fahrzeug 1EmpfängerEmpfänger EHB-Fahrzeug 1


ModulantwortModulantwort -ModulantwortModulantwort --

Modul Az.B. EHB-Fahrzeug

Modulanweisung„will geben“

Modulantwort„muss warten“

XML-Modulbeschreibung

Modul Bz.B. Übergabeplatz



ModulanweisungModulanweisung -











ModulantwortModulantwort -

SteuerungSteuerung -SteuerungSteuerung --

BefehlssatzBefehlssatz +BefehlssatzBefehlssatz ++

ModulanweisungModulanweisung -ModulanweisungModulanweisung --






AbsenderAbsender EHB-Fahrzeug 1AbsenderAbsender EHB-Fahrzeug 1

AttributAttribut automatischAttributAttribut automatisch

AnweisungAnweisung will_gebenAnweisungAnweisung will_geben

EmpfängerEmpfänger ÜbergabeplatzEmpfängerEmpfänger Übergabeplatz







AbsenderAbsender ÜbergabeplatzAbsenderAbsender Übergabeplatz

AttributAttribut 30 sekAttributAttribut 30 sek

AntwortAntwort wartenAntwortAntwort warten

EmpfängerEmpfänger EHB-Fahrzeug 1EmpfängerEmpfänger EHB-Fahrzeug 1


ModulantwortModulantwort -ModulantwortModulantwort --

Modul Az.B. EHB-Fahrzeug

Modulanweisung„will geben“

Modulantwort„muss warten“

XML-Modulbeschreibung

Abb. 4.5: Kommunikation zwischen zwei Modulen


39

Modulanweisung

Eine Modulanweisung besteht aus einem Absender, einem Empfänger und der An-weisung selbst, die mit Attributen versehen sein kann (Abb. 4.6). Optional kann die Anweisung an einen Auftrag gebunden sein. Dies wird mit dem entsprechenden Auf-trags-Identifier gekennzeichnet. Der Absender ist das fremde Modul, z. B. das Fahr-zeug einer Elektrohängebahn, und der Empfänger ist das Modul, zu dem die Modul-beschreibung gehört, bzw. dessen Fördergutschnittstelle. Will das Fahrzeug ein För-dergut an das Modul abgeben, weist es das Modul mit dem entsprechenden Befehl „will_geben“ dazu an. Ein Befehl oder eine Antwort kann über Attribute genauer spe-zifiziert werden. In diesem Fall z. B. durch die Information, ob die Lastübergabe au-tomatisch oder manuell erfolgen soll.

Modulantwort

Die Modulantwort ist vergleichbar aufgebaut. Nur ist hier der Absender das Modul bzw. dessen Fördergutschnittstelle und der Empfänger ist derjenige, der die Anwei-sung gegeben hat. Die Antwort beinhaltet die Reaktion auf eine vorher gegebene Anweisung, z. B. „warten“ (Abb. 4.6).


40



Beschreibung des Befehlssatzes, den das Modul verarbeiten kann

ModulanweisungModulanweisung

Anweisung von einem fremden Modul an das Modul

-

AbsenderAbsender

Absender der Anweisung; z.B. EHB-Fahrzeug

EHB-Fahrzeug 1

AttributAttribut

Attribut der Anweisung; Eine Anweisung kann über mehrere Attribute verfügen

automatisch

AnweisungAnweisung

Anweisung an die Modulschnittstelle; Inhalt und Wirkung werden im Befehlssatz (unter Kommunikations-parameter) beschrieben

will_geben

EmpfängerEmpfänger

Empfänger der Anweisung: Name der Modulschnittstelle

Übergabeplatz

Auftrags_IDAuftrags_ID

Die Anweisung an das Modul wird im Rahmen einer Auftragsbearbeitung gesendet; Angabe der Auftrags-bezeichnung (optional)

Auftrag_xy

AbsenderAbsender

Absender der Antwort:(Empfänger der dazugehörigen Anweisung)

Übergabeplatz

AttributAttribut

Attribut der Antwort (z.B. Wartezeit); Eine Antwort kann über mehrere Attribute verfügen

30 sek

AntwortAntwort

Antwort an Anweisungsgeber; Inhalt und Wirkung werden im Befehlssatz (unter Kommunikationsparameter) beschrieben

warten


Empfänger der Antwort: (Absender der dazugehörigen Anweisung)

EHB-Fahrzeug 1


Die Antwort an das Modul wird im Rahmen einer Auftragsbearbeitung gesendet; Angabe der Auftragsbezeichnung (optional)

Auftrag_xy

ModulantwortModulantwort

Eine Modulantwort bezieht sich immer auf eine Anweisung

-SteuerungSteuerung -SteuerungSteuerung --

BefehlssatzBefehlssatz ++

Beschreibung des Befehlssatzes, den das Modul verarbeiten kann



-ModulanweisungModulanweisung




--

AbsenderAbsender

Absender der Anweisung; z.B. EHB-Fahrzeug

EHB-Fahrzeug 1

AttributAttribut


automatischAttributAttribut


automatisch

AnweisungAnweisung


will_gebenAnweisungAnweisung


will_geben



ÜbergabeplatzEmpfängerEmpfänger


Übergabeplatz



Auftrag_xyAuftrags_IDAuftrags_ID


Auftrag_xy

AbsenderAbsender

Absender der Antwort:(Empfänger der dazugehörigen Anweisung)

Übergabeplatz

AttributAttribut

Attribut der Antwort (z.B. Wartezeit); Eine Antwort kann über mehrere Attribute verfügen

30 sek

AntwortAntwort


wartenAntwortAntwort


warten


Empfänger der Antwort: (Absender der dazugehörigen Anweisung)

EHB-Fahrzeug 1



Auftrag_xyAuftrags_IDAuftrags_ID


Auftrag_xy

ModulantwortModulantwort


-ModulantwortModulantwort


--

Abb. 4.6: Steuerungstechnische Ebene der Modulschnittstelle


41

Beschreibung des Befehlssatzes

Eine Definition des Befehlssatzes, also welche Anweisungen ein Modul verarbeiten kann und wie die entsprechenden Antworten aussehen, geschieht in dem Element <Befehlsatz> (Abb. 4.7).

NameName

Name der Anweisung

will_geben

AttributAttribut

Erstes mögliches Attribut der Anweisung

automatisch

AttributAttribut

Zweites mögliches Attribut der Anweisung

manuell

KommunikationsparameterKommunikationsparameter

Verwendete Kommunikationsprotokolle und deren Einstellungen z.B. Profibus, Ethernet etc.

+

BeschreibungBeschreibung

Beschreibung der Anweisung in Inhalt und Wirkung (nur für Programmierer)

+

NameName

Name der Antwort

darf_geben

AttributAttribut

Erstes mögliches Attribut der Antwort

automatisch

AttributAttribut

Zweites mögliches Attribut der Antwort

manuell



+


Beschreibung der Antwort in Inhalt und Wirkung (nur für Programmierer)

+

DefinitionModulanweisungDefinitionModulanweisung +

DefinitionModulantwortDefinitionModulantwort -

DefinitionModulantwortDefinitionModulantwort +

BefehlssatzBefehlssatz -

DefinitionModulanweisungDefinitionModulanweisung -Definition einer Anweisung, die dem Modul gegeben werden kann

Definition einer Antwort, die das Modul geben kann

NameName

Name der Anweisung

will_geben

AttributAttribut




automatisch

AttributAttribut

Zweites mögliches Attribut der Anweisung

manuell



++



++

NameName

Name der Antwort

darf_geben

AttributAttribut




automatisch

AttributAttribut

Zweites mögliches Attribut der Antwort

manuell



++


Beschreibung der Antwort in Inhalt und Wirkung (nur für Programmierer)

++

DefinitionModulanweisungDefinitionModulanweisung +DefinitionModulanweisungDefinitionModulanweisung ++

DefinitionModulantwortDefinitionModulantwort -DefinitionModulantwortDefinitionModulantwort --

DefinitionModulantwortDefinitionModulantwort +DefinitionModulantwortDefinitionModulantwort ++

BefehlssatzBefehlssatz -BefehlssatzBefehlssatz --

DefinitionModulanweisungDefinitionModulanweisung -DefinitionModulanweisungDefinitionModulanweisung --Definition einer Anweisung, die dem Modul gegeben werden kann

Definition einer Antwort, die das Modul geben kann

Abb. 4.7: Definition des Befehlssatzes


42

Für jeden Befehl und jede Antwort existiert ein eigenes Definitions-Element. Dieses besteht aus einem Namen und Attributen. In dem Definitions-Element ist beschrie-ben, welche Attribute eine Anweisung haben kann.

Des Weiteren werden in dem Element <DefinitionModulanweisung> bzw. in dem Element <DefinitionModulantwort> die Kommunikationsparameter definiert. Diese legen fest, auf welche Art und Weise die Modulanweisung erfolgen kann. Das in die-ser Arbeit entwickelte Konzept einer funktionsorientierten Modularisierung beinhaltet ein Kommunikations- und Schnittstellenkonzept auf Basis von XML (siehe Kap. 5). Dementsprechend muss das Modul jeden Befehl in Form einer XML-Anweisung ver-stehen können. Zusätzlich können noch weitere Kommunikationsprotokolle unter-stützt werden, falls diese in den Parametern hinterlegt sind.

Abb. 4.8 zeigt, wie die Anweisung „will_geben“ mit alternativen Protokollen zu der XML-Variante übertragen werden kann. In diesem Beispiel kann das zum einen als CAN-Telegramm und zum anderen durch Betätigen eines elektromechanischen Tas-ters, der an dem Modul angebracht ist, geschehen. Das Versenden der Anweisung mittels CAN-Bus [Etsch-00] könnte z. B. über ein CAN-Telegramm mit dem Identi-fier „3F4“ geschehen. Die Länge (<Length>) des Telegramms würde zwei Byte betragen. Dabei würde das erste Byte die Information beinhalten, dass es sich um den Befehl „will_geben“ handelt und das zweite Byte würde festlegen, dass dieser Vorgang automatisch erfolgen soll.

Die Anweisung „will_geben“ lässt sich nicht nur über Feldbusse übermitteln, sondern kann auch bei einem manuellen Zugriff auf das Modul durch ein einfaches Betätigen eines Tasters oder Schalters erfolgen. Der Name dieses Tasters wird in dem Ele-ment <SchalterTaster> angezeigt.


43

NameName

Name der Anweisung

will_geben

AttributAttribut


automatisch


Verwendete Kommunikationsprotokolle und deren Einstellungen z.B. Profibus, Ethernet, CAN etc.



+

BefehlssatzBefehlssatz

DefinitionModulanweisungDefinitionModulanweisung -

…

…

Wert des zweiten Byte ist eins (z.B. für automatisch)

Identifier des CAN-Telegramms

PDO_IDPDO_ID 3F4

Länge des Telegramms (Byte)

LengthLength 2

Es handelt sich um ein Datentelegramm

RemoteRemote FALSE

Wert des ersten Byte ist eins (z.B. will geben)

DataByteDataByte 1

DataByteDataByte 1

Übertragungsrate beträgt 125 KHz

BaudrateBaudrate 125

CANCAN

Die Anweisung kann alternativ auch als CAN Telegramm gesendet werden. Kodierung der Anweisung als CAN-Telegramm

+

Über den am Modul angebrachten Schalter/Taster mit der Bezeichnung Taster_will_geben lässt sich die Anweisung auch manuell geben, z.B. bei einer manuellen Lastübergabe

SchalterTasterSchalterTaster Taster_will_geben

--

IP-Adresse

IPIP 10.149.0.60

Portnummer

PortPort 8060EthernetEthernet +

NameName

Name der Anweisung

will_geben

AttributAttribut


automatisch


Verwendete Kommunikationsprotokolle und deren Einstellungen z.B. Profibus, Ethernet, CAN etc.



++

BefehlssatzBefehlssatz

DefinitionModulanweisungDefinitionModulanweisung -DefinitionModulanweisungDefinitionModulanweisung --

…

…

……

…

Wert des zweiten Byte ist eins (z.B. für automatisch)

Identifier des CAN-Telegramms

PDO_IDPDO_ID 3F4

Länge des Telegramms (Byte)

LengthLength 2LengthLength 2

Es handelt sich um ein Datentelegramm

RemoteRemote FALSERemoteRemote FALSE

Wert des ersten Byte ist eins (z.B. will geben)

DataByteDataByte 1DataByteDataByte 1

DataByteDataByte 1DataByteDataByte 1

Übertragungsrate beträgt 125 KHz

BaudrateBaudrate 125BaudrateBaudrate 125

CANCAN

Die Anweisung kann alternativ auch als CAN Telegramm gesendet werden. Kodierung der Anweisung als CAN-Telegramm

++





----

IP-Adresse

IPIP 10.149.0.60

Portnummer

PortPort 8060EthernetEthernet ++

Abb. 4.8: Alternative Kommunikationsparameter


44

4.2.4 Energetische Ebene der Modulschnittstelle

EnergieEnergie -

ElektrikElektrik +

HydraulikHydraulik +

PneumatikPneumatik +EnergieEnergie -EnergieEnergie --

ElektrikElektrik +ElektrikElektrik ++

HydraulikHydraulik +HydraulikHydraulik ++

PneumatikPneumatik +PneumatikPneumatik ++

Abb. 4.9: Energetische Ebene der Modulschnittstelle

Neben der mechanischen und steuerungstechnischen Ebene existiert noch eine drit-te, energetische Ebene der Modulschnittstelle. Diese regelt die Strom-, Druckluft- oder Hydraulikversorgung des Moduls.

4.3 Zusammenfassung Gestaltungsmethodik

Ein wandelbares automatisiertes Materialflusssystem erfordert einen konsequenten, dezentralen Modularisierungsansatz, der nicht nur die mechanische Seite berück-sichtigt, sondern auch auf energetischer und steuerungstechnischer Seite autonome und eigenintelligente Komponenten vorsieht. Als Gestaltungsmethode bietet sich ei-ne funktionsorientierte Modularisierung in Verbindung mit einer mechatronischen Be-trachtungsweise an. Bei dieser Methode wird das Materialflusssystem aus mechatro-nischen Modulen aufgebaut, deren Modulgrenzen entsprechend der Funktionalität gezogen und die nach dem Konzept der verteilten Automatisierung automatisiert sind. Alle Teilnehmer des Systems wie Krane, Katzen bzw. EHB-Fahrzeuge, Wei-chen und Übergabeplätze stellen autonome mechatronische Module dar, deren ge-samte Funktionalität in Form von Mechanik, Energie und Steuerung zu einer me-chatronischen Funktionseinheit vereinigt wird. Die Definition der Funktionalität, der Leistungsfähigkeit und der Geometrie des Moduls sowie dessen Schnittstellen erfolgt über so genannte XML-Modulbeschreibungen, die sowohl während der Planungs-phase als auch während des laufenden Betriebes benötigt werden.

45

5 Kommunikationskonzept

5.1 Kommunikationsschnittstelle für autonome Material-flussmodule

Damit in einem wandelbaren modularisierten Materialflusssystem materialflusstech-nische Module verschiedener Hersteller ohne großen Engineeringaufwand miteinan-der gekoppelt, ausgetauscht bzw. neu eingebunden werden können, müssen die Module über eine einheitliche, kompatible und leistungsfähige Kommunikations-schnittstelle verfügen. Diese Schnittstelle muss so definiert sein, dass sie auch den Anforderungen zukünftiger neuer Materialfluss- und Produktionsmodule entspricht, ohne dass eine explizite Vorplanung nötig ist. Es muss sowohl eine horizontale Kommunikation zwischen den Modulen als auch eine vertikale Kommunikation zu übergeordneten PPS und ERP-Systemen möglich sein. Analog zu den beschriebe-nen Anforderungen an die Wandelbarkeit eines Materialflusssystems stehen bei der Kommunikation die Eigenschaften Erweiterungs- und Integrationsfähigkeit im Vor-dergrund.

5.1.1 Übertragungstechnik: Ethernet

Für eine technische Realisierung der Kommunikation bietet sich als Informationsträ-ger Ethernet an. Ethernet wurde 1975 von der US-Firma Rank Xerox PARC entwi-ckelt und von der IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) genormt (Abb. 5.1). Im Bereich der Informationstechnologie ist Ethernet seit Jahren der Stan-dard. Es zeichnet sich vor allem durch seine Systemunabhängigkeit, Leistungsfähig-keit, seine Verbreitung und den niedrigen Komponentenkosten aus. Neben den lei-tungsgebundenen Übertragungstechniken wie Kupferdraht und Lichtwellenweiter, sind auch leistungsfähige Funkübertragungstechniken (z. B. WLAN) am Markt erhält-lich [Furr-00].


46

Abb. 5.1: Prinzip des Ethernets von Robert Metcalfe aus dem Jahre 1973

Vorteile von Ethernet:

• Systemunabhängigkeit

• Niedrige Kosten

• Hohe Übertragungsraten

• Kostengünstige und leistungsfähige Funklösungen vorhanden

• Standard im IT-Sektor

• Zunehmende Bedeutung im Feldbusbereich

Im Bereich der Automatisierungstechnik spielt Ethernet eine immer stärkere Rolle [Scha-04]. Allerdings sind hier noch Weiterentwicklungen nötig, um einen uneinge-schränkten Einsatz (z. B. Echtzeitfähigkeit, Steckerverbindungen) von Ethernet auch als Feldbusprotokoll zu ermöglichen.

Die Echtzeitfähigkeit ist bei vielen industriellen Anwendungen ein kritischer Faktor und bestimmt die Auswahl der Steuerungs- und Kommunikationssysteme. Die Echt-zeitfähigkeit eines Systems hängt dabei nicht von einer allgemein gültigen Rechen-geschwindigkeit oder einer bestimmten Datenübertragungsrate ab, sondern nur von dem Anwendungsfall. Der Prozess gibt vor, was im Bereich der Echtzeit liegt. Ein Steuerungs- und Kommunikationssystem ist echtzeitfähig, wenn es in allen Betriebs-bedingungen rechtzeitig und richtig auf alle möglichen auftretenden Ereignisse rea-giert [Furr-00]. Das Hauptproblem für die fehlende Echtzeitfähigkeit von Ethernet liegt

5.1 Kommunikationsschnittstelle für autonome Materialflussmodule

47

in dem verwendeten Buszugriffsverfahren CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Ac-cess/Collision Detection).

Bei diesem CSMA/CD-Verfahren sind alle Teilnehmer im Gegensatz zu Master-kontrollierten Netzwerken oder zu Token-Passing-Verfahren gleichberechtigt. So muss ein Teilnehmer beim Senden seiner Nachricht überprüfen, ob der Bus frei ist. Falls dieser belegt ist, wartet er eine zufällige Zeit, um es danach erneut zu versu-chen. Dieses Verfahren kann bei einer großen Netzauslastung nicht garantieren, dass zeitkritische Nachrichten (z. B. Not-Halt) rechtzeitig abgesendet werden kön-nen. Deshalb verwenden Bussysteme wie CAN, die auch auf dem CSMA-Verfahren aufbauen, statt dem CD-Verfahren ein CA-Verfahren (Collision Avoidance). CA er-laubt über die Priorisierung von Nachrichten das Versenden von wichtigen Nachrich-ten innerhalb einer berechenbaren Zeitspanne zu gewährleisten.

Ethernet Powerlink [Powe-04], EtherCaT [Ethe-04] und PROFInet [Prof-02] sind drei Beispiele für die Arbeiten an technischen Spezifikationen, die einen industriellen Ein-satz von Ethernet ermöglichen. Neben Spezifikationen für industrietaugliche Stecker-verbindungen und dem industrietauglichen Design der Komponenten sieht man in dem Einsatz von Switched-Ethernet die Lösung für die Realisierung der Echtzeitfä-higkeit. Dazu wird das Rechnernetz mit Hilfe von Switches in Teilnetze zerlegt. Die Switches stellen die Kopplung zwischen den Teilnetzen dar und sorgen dafür, dass nur Nachrichten, die für die Mitglieder eines Teilnetzes bestimmt sind, hineingelan-gen. Die pure Verwendung von Switches in Rechnernetzen garantiert noch keine Echtzeitfähigkeit. Die Switches senken nur das Kommunikationsaufkommen in den einzelnen Teilnetzen und vermeiden Kollisionen (Abb. 5.2).

In einem automatisierten Materialflusssystem finden vor allem bei den Positioniervor-gängen zeitkritische Kommunikationsprozesse statt. Hier gilt es, die Motoren recht-zeitig zu stoppen. Hingegen ist das Austauschen von Auftrags- und Statusinformatio-nen als weniger zeitkritisch anzusehen. Nur diese Nachrichtentypen werden in dem angewendeten Kommunikationskonzept mit Ethernet übertragen. Das Konzept der funktionsorientierten Modularisierung beinhaltet, dass zeitkritische Vorgänge wie das Positionieren von der Modulsteuerung und damit über interne echtzeitfähige Feld-bussysteme zwischen Antrieb, Wegmesssystem und Steuerung übernommen wer-den.


48

Anhand der aufgezählten Eigenschaften zeigt sich, dass ein industrieller Einsatz von Ethernet die Forderungen nach Erweiterungs- und Integrationsfähigkeit als Voraus-setzung für eine technische Wandelbarkeit sehr gut erfüllt.

Abb. 5.2: Funktionsprinzip eines Switches mit Beispiel [Spat-00]

5.1.2 Berührungslose Datenübertragung: Wireless LAN

Je einfacher der Aufbau autonomer Gerätesteuerungen und die Verbindung einzel-ner Steuerungskomponenten sind, desto flexibler lässt sich ein Materialflusssystem gestalten. Gerade für mobile Materialflussteilnehmer eignen sich berührungslose Da-tenübertragungssysteme, die keine aufwendigen Kabelzuführungen oder Schleiflei-tungen erfordern. Dies bringt erhebliche Vorteile für Verbindungen zwischen mobilen Teilnehmern, zwischen mobilen und ortsfesten Teilnehmern, aber auch für die Ver-bindungen zwischen ortsfesten Steuerungskomponenten.

Die Industrie bietet verschiedene Systeme für die drahtlose Datenübertragung an. Dabei unterscheidet man zwischen optischen Datenübertragungsverfahren (Infrarot, Laser) und funkbasierten Verfahren. Optische Verfahren erfordern eine direkte Sicht-verbindung zwischen den Teilnehmern. Dies stellt aber eine zu starke Einschränkung hinsichtlich der Layoutflexibilität dar. Aus diesem Grund wurden sie in dieser Arbeit


49

nicht weiter berücksichtigt und stattdessen die funkbasierten Verfahren näher be-trachtet.

Tab. 5.1 zeigt einen Überblick über die wichtigsten Funktechnologien im industriellen Bereich. Auf diese Funktechnologien lassen sich die gängigen Feldbussysteme mehr oder weniger gut abbilden. Für eine genauere Untersuchung sei hierbei auf das BMBF-Verbundprojekt „Drahtlose Feldbusse im Produktionsumfeld“ verwiesen [PFT-00], das einen ausführlichen Überblick über Funksysteme im industriellen Produkti-onsumfeld bietet.

Tab. 5.1: Eigenschaften ausgewählter Funktechnologien für den Einsatz im industriellen Produktionsumfeld [PFT-00, Beik-01, Fuch-02]

Funk-standard

Frequenz/ Band

Reich-weite

Max. Bitrate (brutto)

Übertragbare Feldbusprotokolle

(ggf. mit Einschrän-kungen)

Bemerkungen

DECT 1,9 GHz 50m in/ 300m out

1152 kbit/s CAN, Interbus Deterministisch

DPRS 1,9 GHz 50m in/ 300m out

3456 kbit/s CAN Basiert auf DECT-Standard; deterministisch

WLAN (IEEE 802.11)

2,4/5,8 GHz ISM

50m in/ 300m out

Bis 2/11/54 Mbit/s

auf Ethernet aufbauen-de Protokolle; PROFI-BUS

Sehr schnell; Unbegrenzte An-zahl von Teilnehmern (8 pro Access Point)

Hiperlan 5,8 GHz ISM

35m in/ 80m out

6 bis 54 Mbit/s

Sehr schnell

ISM 433/868 MHz / 2,4 GHz

200/1000/1500m

100 bis 500 kbit/s

Interbus; PROFIBUS

Bluetooth 2,4 GHz ISM

10/100m 1 Mbit/s CAN; TCP/IP; UDP Piconet mit max. 8 Knoten

HomeRF 2,4 GHz ISM

50m 1,6 Mbit/s; 10 Mbit/s

Kombiniertes Protokoll aus DECT und IEEE 802.11-; 127 Teilnehmer pro Netzwerk


50

Wie in Kap. 5.1.1 beschrieben, stellt ein Datenaustausch auf Basis von Ethernet die beste Lösung für die Realisierung der Kommunikationsschnittstelle zwischen den Modulen eines wandelbaren Materialflusssystems dar. Deshalb werden im Weiteren nur noch Bluetooth und Wireless LAN auf ihre Eignung in wandelbaren automatisier-ten Materialflusssystemen untersucht, da diese die auf Ethernet aufbauenden Proto-kolle unterstützen.

Folgende Vorteile machen die Bluetooth–Technologie [Blue-03] interessant für einen Einsatz in wandelbaren Materialflusssystemen. Bluetoothgeräte sind in der Lage, Kommunikationspartner selbstständig zu finden (Inquiry) und die bereitgestellten Ge-räteinformationen, Dienste und Leistungsmerkmale zu erfragen (Service Discovery Protocol). Dies ermöglicht einen systemunabhängigen Kommunikationsaufbau zwi-schen neuen und unbekannten Partnern (Materialflussmodulen). Zusätzlich kann Bluetooth die Ethernet-Protokolle übertragen. Allerdings liegt die maximale Netto-Bitrate nur bei 444 kBit/s (symmetrische Datenübertragung). Dies schränkt die Mög-lichkeiten der zu übertragenden Daten verglichen mit WLAN erheblich ein. Ein Nach-teil besteht in der geringen Reichweite von 10m. Damit wäre es denkbar, den Daten-austausch zwischen Transportfahrzeugen und Übergabeplätzen beim Lastspiel zu realisieren, aber eine durchgängige Kommunikation im gesamten Produktionsumfeld wäre nur bedingt möglich. Ein weiterer Nachteil besteht in der Störanfälligkeit des Systems. So kann schon ein Bluetooth-Handy, das versucht, sich ins Bluetooth-Netz einzuloggen, die Kommunikation stören.

Wireless LAN-Komponenten verfügen zwar nicht über die ausgeprägten Adhoc-Networking-Fähigkeiten wie Bluetoothgeräte, trotzdem kann man mit minimalem Konfigurationsaufwand WLANs aufbauen. Für WLAN spricht des Weiteren die we-sentlich höhere Leistungsfähigkeit (Übertragungsraten bis 54 Mbit/s; IEEE 802.11g mit einer Nettorate von ca. 20 MBit/s) bei nur etwas höheren Komponentenkosten.

Ein wichtiger Aspekt für die Konzeption einer Funkanbindung der Materialflussmodu-le ist die weltweite Standardisierung der Funktechnologie. Dafür ist eine problemlose Integration der eingesetzten Technologie die Voraussetzung. WLAN nach IEEE 802.11 erfüllt diese Anforderung (Tab. 5.2).


51

Tab. 5.2: Anforderungen an eine drahtlose Kommunikation für wandelbare Materialflusssysteme

Anforderungen an eine drahtlose Kommunikation für wandelbare Materialflusssysteme

Wird von WLAN erfüllt

Offener und erweiterbarer Datenaustausch ++

System- und Herstellerunabhängigkeit ++

Weltweit einsetzbar (Frequenzfreigabe) ++

Sicherheit und Zuverlässigkeit +

Niedrige Kosten ++

Kein Systemsprung zwischen drahtloser und drahtgebundener Da-tenübertragung

++

Echtzeitfähigkeit O

Erfüllung der Wandelbarkeitskriterien (Layoutflexibilität, Durchsatz-flexibilität, Fördergutflexibilität, Erweiterungsfähigkeit, Integrations-fähigkeit)

++

Zusammenfassend zeigt sich, dass WLAN die beste momentan auf dem Markt er-hältliche technische Lösung für eine drahtlose Kommunikation zwischen mobilen Ma-terialflussmodulen darstellt. Allerdings ist noch genauer zu verifizieren, inwieweit WLAN die Sicherheits- und Verfügbarkeitsanforderungen für ein industrielles Umfeld erfüllt. Besonderes Augenmerk liegt hier auf den Sicherheitsanforderungen für einen flurfreien automatisierten Materialtransport über Personen. Hierfür sei aber auf ande-re Forschungsprojekte und sich in Bearbeitung befindende Spezifikationen verschie-dener Entwickler- und Anwenderorganisationen verwiesen [VDI-2185, Günt-02a, Prof-02].


52

5.1.3 Datenkodierung: XML

Für eine flexible, firmenunabhängige Kommunikation für ein wandelbares Material-flusssystem ist neben einer systemunabhängigen technischen Übertragung von Da-ten (Ethernet) die Gestaltung der Anwendungsschicht (Schicht 7, ISO/OSI-Referenzmodell [Tane-97]) von entscheidender Bedeutung.

Übliche Datenübertragungsmechanismen wie bei klassischen Feldbusprotokollen (PROFIBUS, CAN) oder einem einfachen Datenaustausch in Form eines ASCII-Formates bedingen, dass Empfänger und Sender über einen gemeinsamen Kodie-rungsschlüssel verfügen. Dabei werden grundsätzlich Informationen in Form von Zahlenwerten bzw. Bit-Kombinationen übertragen. Die einzelnen Daten sind durch Trennzeichen oder die Verteilung auf verschiedene Telegramme voneinander ge-trennt. In dem gemeinsamen Kodierungsschlüssel ist festgelegt, in welcher Reihen-folge und wie die Daten zu verstehen sind. Eine gewisse Erweitungsfähigkeit wird erreicht, indem Freiräume in der Datenübermittlung vorher festgelegt werden. Aller-dings ist man darauf angewiesen, dass diese Freiräume ausreichend dimensioniert und an den logisch richtigen Stellen sind, um nicht die anfänglich definierte logische Grundstruktur der Daten zu verlieren.

Ein Datenaustausch auf Basis von CAN, PROFIBUS etc. ist in seiner Integrationsfä-higkeit (gemeinsamer, bekannter Kodierungsschlüssel) und in seiner Erweiterungs-fähigkeit (Freiräume müssen in der Datenstruktur vordefiniert sein) eingeschränkt.

Einen weit besseren Lösungsansatz für einen offenen und erweiterungsfähigen Da-tenaustausch bietet die Datensprache XML (Extensible Markup Language) [W3C-04].

XML ist eine Metasprache, die die Regeln für die Erstellung von Dateistrukturen auf Basis von Textformaten beschreibt. So kann man mit XML die logische Bedeutung von Daten, Informationen und Texten definieren. Neben der eigentlichen Information werden gleichzeitig auch die Datenbezeichnung und das Datenformat übermittelt.

Um einzelne Informationen voneinander zu trennen und zu kennzeichnen, verwendet man so genannte Markups (daher auch der Name Markup Language; Auszeich-nungssprache). Ein einfaches Beispiel hierfür ist die Funktion des Leerzeichens, mit dem Wörter voneinander getrennt werden.


53

Markups werden z. B. auch dafür eingesetzt, um bei einem Datenaustausch von Adressen zwischen zwei Datenbanken zu definieren, bei welcher Information es sich beispielsweise um einen Vornamen oder eine Hausnummer handelt. In XML werden diese Markups als Tags bezeichnet.

Ein XML-Dokument besteht aus Elementen und Elementinhalten. Ein Element be-ginnt mit einem Starttag und schließt mit einem Endtag ab. Das Starttag besteht aus dem Elementnamen, der in spitzen Klammern eingefasst ist (<adresse>). Darauf folgt der Elementinhalt und abschließend das Endtag, das auch in spitzen Klammern, allerdings zusätzlich mit einem Schrägstich, den Elementnamen wiederholt (</adresse>). Ein Element kann auch als Inhalt weitere Elemente besitzen.

Folgendes Beispiel zeigt, wie einer Adresse Tags zugeordnet werden, um sie in XML darzustellen. Das Element <adresse> verfügt dabei über mehrere Unterelemente (Vorname, Nachname etc.).

Alternativ erlaubt XML die Benutzung von Attributen, die mit den Eigenschaften eines Elementes versehen werden. Die Werte der Attribute werden mit Hochkommata ein-geschlossen.

Beispiel: Michael Mustermann Musterweg 11 80999 München Beispiel in XML: <adresse>

<vorname>Michael</vorname>

<nachname>Mustermann</nachname>

<strasse>Musterweg</strasse>

<hausnummer>11</hausnummer>

<plz>80999</plz>

<ort>München</ort>

</adresse>


54

Hat ein Element keinen Inhalt, kann auf das Endtag verzichtet werden, wenn als letz-tes Zeichen vor der schließenden spitzen Klammer ein Schrägstrich geschrieben wird (<adresse />).

Die Typdefinition eines solchen Elementes wird in einer so genannten DTD (Docu-ment Type Definition) hinterlegt. Eine Alternative dazu ist die Definition mit Hilfe eines XML-Schemas. Dieses entspricht anders als die DTD den XML-Syntaxregeln und kann weit reichende Vorgaben für Dokumente enthalten. Außer den Namen und Da-tentypen kann zum Beispiel auch festgelegt werden, wie oft ein bestimmtes XML-Element in dem so definierten Dokument auftauchen darf. Zusätzlich können dem XML-Dokument auch Style-Sheets zugeordnet werden, um bestimmte Elemente des Dokumentes graphisch hervorzuheben (z. B. größere Schriftart und Farbe bei der PLZ und der Ortsangabe). Die W3C bietet eine Definition von Standarddatentypen und –schemata an. Die Zuordnung, welche DTDs bzw. Schemata von dem XML-Dokument verwendet werden, wird im Kopf des Dokumentes angegeben [W3C-04].

Vorteile von XML

Ein XML-Dokument lässt sich von unterschiedlichsten Anwendungen nach Daten durchforsten. Benötigt zum Beispiel die Lagerverwaltungssoftware die Maße und das Gewicht eines bestimmten Artikels, der eingelagert werden soll, kann diese die ent-sprechenden Informationen in der CAD-Datei ohne großen Aufwand direkt nach-schlagen, wenn sie dort in XML-kodiert abgelegt sind. Die Software muss auf diese Weise weder mit Funktionen zur Interpretation von CAD-Zeichnungen ausgestattet

Beispiel in XML mit Attributen: <adresse

vorname=“Michael“

nachname=“Mustermann“

strasse=“Musterweg“

hausnummer=“11“

plz=“80999“

ort=“München“

/>


55

sein, noch müssen die Informationen vorher in gesonderte Dateien übertragen wer-den.

Mit XML kann man die logische Bedeutung von Daten, Informationen und Tex-ten definieren.

XML ist erweiterbar (extensible Markup)

Plattformunabhängig

XML basiert auf der Textform; Förderung der Transparenz und Portabilität (Einfache Darstellungsmöglichkeit über Web-Browser)

XML trennt die Struktur eines Dokuments von ihrem Inhalt;

Daten können in Umfang und Struktur variieren; sie müssen nicht in vordefi-nierte Tabellen eingefügt werden.

Nachteile von XML

Die Vorteile von XML sind aber auch mit Nachteilen verbunden. Zum einen nimmt das Datenvolumen deutlich zu. Dies muss durch entsprechend leistungsfähige Kommunikationssysteme ausgeglichen werden. Zum anderen hilft es zunächst we-nig, wenn ein Absender seine Daten zwar mit den dazugehörigen Bezeichnungen versieht, aber dabei nicht wie erwartet die Auftragsnummer mit dem Tag <Auftrags-nummer> bezeichnet, sondern vielleicht mit <Order-ID> markiert. Dieses Problem lässt sich vermeiden, wenn Absender und Empfänger sich auf das gleiche XML-Schema geeinigt haben. In diesem können zusätzlich auch alternative Bezeichnun-gen/Übersetzungen für ein Element hinterlegt sein. Welches XML-Schema verwen-det wird, ist am Anfang eines XML-Dokumentes definiert.


56

5.1.4 Verarbeitung von XML-Dokumenten

Das Be- und Verarbeiten von XML-Dokumenten geschieht mit Hilfe eines Parsers. Ein XML-Parser ist eine Software, die ein XML-Dokument einliest und Struktur und Eigenschaften der enthaltenen Daten bestimmt. Der Parser bricht die Daten in Teile auf und gibt die Informationen an andere Softwarekomponenten weiter. XML-Parser lassen sich nach zwei Kriterien unterscheiden:

Validierend oder nicht validierend

Schnittstelle zum Zugriff auf das XML-Dokument (SAX oder DOM).

Ein nicht validierender Parser überprüft nur, ob das XML-Dokument der XML-Spezifikation folgt, also wohlgeformt ist. Die Wohlgeformtheit (oder Zulässigkeit) ei-nes XML-Dokumentes hängt von dem Aufbau bzw. dem korrekten Umgang mit den Elementen unabhängig von deren Inhalten ab. Bei diesem Parser-Typ ist weder eine DTD noch ein Schema nötig.

Ein validierender Parser überprüft das XML-Dokument auf die Einhaltung der in einer DTD oder in einem XML-Schema definierten Regeln. So kontrolliert er z. B. auf die Existenz oder das Nichtvorkommen bestimmter Elemente sowie auf die korrekte Ver-schachtelung der Elemente. Außerdem wird auch die Wohlgeformtheit des Doku-ments getestet.

Des Weiteren unterscheidet man Parser danach, wie sie XML-Dokumente verarbei-ten. Ein SAX-Parser (Simple API for XML) arbeitet ereignisgesteuert. Dazu liest er das XML-Dokument von vorne nach hinten durch und löst Ereignisse aus, wenn er z. B. ein XML-Element korrekt erkannt oder Fehler bemerkt hat. Diese Ereignisse können dann von einer nachgelagerten Applikation verarbeitet werden.


57

Beim Lesen des nachstehenden Beispiels würde dieser Parser folgende Ereignisse auslösen:

<nachname>Mustermann</nachname>

Identifizierung eines Starttags: <nachname>

Inhalt des Elementes: Mustermann

Identifizierung des Endtags: </nachname>

Ein DOM-Parser (Document Object Model) ist ein Standard des World Wide Web Consortium (W3C). Dieser baut beim Parsen des XML-Dokuments einen Baum auf, den DOM-Tree. Das Root-Element des XML-Dokuments fungiert als Wurzel für den DOM-Tree (Abb. 5.3). Dieser Baum steht dann im Speicher zur Verfügung. Er ist quasi das Abbild des XML-Dokuments.

<buch> <Titel>Die Physiker</Titel>

<Autor>

<Vorname>Friedrich</Vorname>

<Nachname>Dürrenmatt</Nachname>

</Autor>

</buch>

AutorAutorVornameVorname Friedrich

NachnameNachname Dürrenmatt

TitelTitel Die Physiker

BuchBuch -

-AutorAutorVornameVorname FriedrichVornameVorname Friedrich

NachnameNachname DürrenmattNachnameNachname Dürrenmatt

TitelTitel Die PhysikerTitelTitel Die Physiker

BuchBuch -BuchBuch --

--

Abb. 5.3: DOM-Tree eines XML-Dokuments

DOM und SAX bieten auf Grund ihres unterschiedlichen Verhaltens verschiedene Vorteile an. SAX geht die einzelnen Elemente und damit das ganze Dokument zügig durch. Stellt SAX allerdings am Ende eines langen XML-Dokumentes einen Fehler


58

fest, ist es meist schwierig, die bis dahin geschehenen Aktionen wieder rückgängig zu machen. Ebenso steht keine Datenstruktur zur Verfügung, auf die nach dem Par-sen zugegriffen werden kann. Somit ist SAX ideal für alle Anwendungen, die das XML-Dokument nur einmal “durchlesen" sollen, beispielsweise um es anzuzeigen.

DOM hingegen ist bedeutend langsamer und speicherintensiver, da erst die Baum-struktur aufgebaut werden muss. Es bietet aber die Möglichkeit der einfachen Mani-pulation des DOM-Trees (also des XML-Dokuments).

Die Wahl, welcher Parser in der Modulsteuerung eingesetzt wird, kann der Hersteller des Moduls selber treffen. Sie hängt stark von der verwendeten Hardware ab. Über-nehmen SPSen die Steuerung, ist aus den oben genannten Gründen (schneller; ge-ringerer Speicherbedarf) eher ein SAX-Parser zu empfehlen.

5.1.5 Zugriffsverfahren: SOAP

Neben einer entsprechenden Übertragungstechnik (Ethernet) und einer geeigneten Datenkodierung (XML) wird ein Zugriffsverfahren benötigt, das den Kommunikations-teilnehmern ermöglicht, Informationen abzurufen bzw. Funktionen in anderen Modu-len zu starten. Auch hier bieten Technologien aus dem IT-Bereich Lösungen an.

Um im Internet verteilte Anwendungen zu realisieren, werden so genannte Remote Procedure Calls (RPC) verwendet. Über diese RPCs können Funktionen auf anderen Rechnern innerhalb eines Client-Server-Modells aufgerufen werden.

Zugriffsverfahren wie zum Beispiel CORBA (Common Object Request Broker Archi-tecture), DCOM (Distributed Component Object Model) und JAVA RMI (Remote Me-thod Invocation) werden schon seit vielen Jahren für verteilte Anwendungen einge-setzt. Sie sind aber teilweise von einem bestimmten Betriebssystem oder einer Technologie abhängig und deshalb aufgrund proprietärer Kommunikationsmecha-nismen als Kommunikationslösung für wandelbare Materialflusssysteme nur bedingt geeignet.


59

Eine wesentlich bessere Lösung stellen drei neue RPC-Verfahren dar:

XML-RPC [Wine-99],

FactoryXML [Fact-02]

SOAP [W3C-03]

Alle drei Verfahren benutzen HTTP (Hypertext Transfer Protocol) bzw. TCP/IP als Transportprotokoll und XML (Extensible Markup Language) als Datensprache und arbeiten nach einem Client-Server-Modell. Der Client teilt über ein Request dem Ser-ver mit, welche Funktionen (WebServices) zu starten sind. Dabei werden gleichzeitig die erforderlichen Parameter in einem XML-Dokument eingebettet mit übertragen. Das Ergebnis wird - ebenfalls in XML kodiert - vom Server als Response zurückge-sendet.

XML-RPC (XML Remote Procedure Call) ist eine Spezifikation, die es Software auf verschiedenen Systemen und unter verschiedenen Umgebungen erlaubt, miteinan-der über das Internet zu kommunizieren. Neben HTTP für den Transport wird XML als Codierungssprache der Remote Procedure Calls genutzt. Das Protokoll ist ein-fach aufgebaut und erlaubt dennoch komplexe Daten zu versenden und zu verarbei-ten. Es wurde von Dave Winer im Jahre 1998 spezifiziert und gilt als der Vorgänger von SOAP.

FactoryXML [Fact-02] ist ein auf XML basierendes Kommunikationsprotokoll zum Da-tenaustausch zwischen Automatisierungskomponenten und PC- bzw. Internetsoft-wareanwendungen. Es funktioniert nach den gleichen Mechanismen wie SOAP, kommt aber mehr aus dem Automatisierungsbereich und hat seinen Schwerpunkt auf der vertikalen Integration. Zusätzlich lässt sich FactoryXML schon auf Low-Level-Protokollen wie UDP aufsetzen; im Gegensatz zu SOAP, das HTTP bzw. TCP/IP als Transportprotokoll benötigt.

Das Simple Object Access Protocol (SOAP) stellt eine Weiterentwicklung von XML-RPC dar. SOAP [W3C-03] ist eine Protokollspezifikation, die vom World Wide Web Consortium (W3C) veröffentlicht wurde und an der unter anderem Hersteller wie Microsoft (.NET-Technologie) und IBM beteiligt sind. Seit der Version 1.2 stellt die Bezeichnung SOAP keine Abkürzung mehr dar, sondern ist ein eigenständiger Na-me.


60

Eine SOAP-Nachricht besteht aus drei Hauptbestandteilen (Abb. 5.4):

Umschlag (SOAP Envelope)

Kopf (SOAP Header)

Rumpf (SOAP Body)

Der SOAP-Envelope legt den Start und das Ende einer SOAP-Nachricht fest. Er ent-spricht dem Root-Element eines XML-Dokuments. Im optionalen SOAP-Header be-finden sich die Metainformationen der Nachricht. Diese können Informationen über das Routing, über eine eventuelle Verschlüsselung und/oder über die Zugehörigkeit zu einer Transaktion umfassen. Der SOAP-Body enthält die eigentlichen Nutzdaten der Nachricht.

Zu dem SOAP-Envelope, dem SOAP-Header und dem SOAP-Body kommt noch der Protocol-Header des verwendeten Übertragungsprotokolls (z. B. HTTP).

SOAP Message

Protocol-HeaderKopf des Übertragungsprotokolls

(z.B.: HTTP, SMTP)

SOAP-EnvelopeUmschlag der SOAP Nachricht

SOAP-HeaderOptional; Metainfos über Routing,

Verschlüsselung etc.

SOAP-BodyEnthält die Nutzdaten in XML

SOAP Message

Protocol-HeaderKopf des Übertragungsprotokolls

(z.B.: HTTP, SMTP)

SOAP-EnvelopeUmschlag der SOAP Nachricht

SOAP-HeaderOptional; Metainfos über Routing,

Verschlüsselung etc.

SOAP-BodyEnthält die Nutzdaten in XML

Abb. 5.4: Aufbau einer SOAP-Nachricht

Alle drei Protokollspezifikationen greifen zum Kodieren der Informationen auf die Da-tensprache XML zu. Für SOAP, dem Nachfolger von XML-RPC, sprechen im Ge-gensatz zu FactoryXML seine zunehmende Bedeutung im IT-Bereich und die interna-

5.2 Zusammenfassung des Kommunikationskonzeptes

61

tionale Spezifizierung durch das W3-Consortium. Aus diesem Grunde wurde in die-ser Arbeit SOAP als Lösungsansatz für das Zugriffsverfahren ausgewählt.


Ein Teilziel dieser Arbeit war es, ein Kommunikationskonzept anzubieten, dass es erlaubt, verschiedenste dezentral gesteuerte Materialflussmodule miteinander zu koppeln und an übergeordnete PPS und ERP-Systeme anzubinden. Dabei wurde großer Wert auf die Erweiterungs- und Integrationsfähigkeit der Kommunikation ge-legt.

Aktuelle Kommunikationsarchitekturen bestehen im Allgemeinen aus einer Leit-, ei-ner Zellen- und einer Feldbusebene (Abb. 5.5). Die Abgrenzung dieser Ebenen ver-schwimmt allerdings im Zuge der technischen Weiterentwicklung zunehmend. Intelli-gente Aktor-Sensorsysteme und intelligente Antriebe übernehmen z. B. immer mehr Funktionen aus der Zellenebene.

Abb. 5.5: Aktuelle Kommunikationsarchitektur im produzierenden Unternehmen [Spat-00]


62

Durch den voranschreitenden Einsatz von Ethernet bis hinunter auf die Feldbusebe-ne lösen sich auch die Systemsprünge in der Kommunikation auf. Kombiniert mit ei-ner funktionsorientierten Modularisierung ermöglicht dies neue Formen der Datenhal-tung und der Kommunikation. Dezentral gesteuerte Module sind an eine gemeinsa-me hierarchielose Kommunikationsschicht angeschlossen und stellen ihre Informati-onen und Dienste allen anderen Teilnehmern zur Verfügung (Abb. 5.6). Die Teilneh-mer sind dabei weitere Module oder auch PPS-Systeme [Wilk-05].

Steuerung von Modul 1


Hierarchielose Kommunikationsschicht







ERP und PPS ERP und PPS Controlling Controlling

0

50

100

150

200

1 2 3 40

50

100

150

200

1 2 3 4

Jedes Modul kann auf die dezentral verteilten Informationen zugreifen

XML SOAP XML SOAP XML SOAP XML SOAP





Hierarchielose Kommunikationsschicht











ERP und PPS ERP und PPS ERP und PPS ERP und PPS Controlling Controlling

0

50

100

150

200

1 2 3 40

50

100

150

200

1 2 3 4

Controlling Controlling

0

50

100

150

200

1 2 3 40

50

100

150

200

1 2 3 4

Jedes Modul kann auf die dezentral verteilten Informationen zugreifen

XML SOAP XML SOAP XML SOAP XML SOAP

Abb. 5.6: Kommunikationsarchitektur bei einer funktionsorientierten Modularisierung

Die Analyse bestehender Kommunikationstechnologien zeigt, dass eine Kommunika-tion auf Basis von Ethernet, XML und SOAP einen sehr guten Lösungsansatz für die horizontale Kommunikation zwischen den Modulsteuerungen eines wandelbaren Ma-terialflusssystems und auch für die vertikale Kommunikation zur Anbindung an PPS- und ERP-Systeme darstellt. Mit diesem Kommunikationskonzept ist es möglich, die


63

informationstechnische Ebene einer mechatronischen Schnittstelle so zu gestalten, dass die Anforderungen an die Wandelbarkeit erfüllt werden.

Das Zusammenspiel der ausgewählten Technologien (Ethernet, TCP/IP, HTTP, SOAP und XML) innerhalb des Kommunikationskonzeptes stellt Abb. 5.7 dar. Um den Aufbau besser zu veranschaulichen, wurde eine vereinfachte Analogie zu einem Postunternehmen gezogen.

Ethernet:Vernetzungstechnologie

TCP/IP:Transmission Control Protocol / Internet ProtocolProtokoll zum Übertragen von Datenpaketen

HTTP:HyperText Transfer ProtocolProtokoll zum Übertragen von HTML, XML, und SOAP

SOAP:Simple Object Access ProtocolÜbernimmt die Zugriffssteuerung von Web-Diensten

XML:eXtensible Markup LanguageDatensprache zur Kodierung der eigentlichen Information

Deutsche Post AG

Briefträger

Briefumschlag mit Adresse:Straße, Hausnummerund PLZ

Name des Empfängers

Brief

Ethernet:Vernetzungstechnologie

TCP/IP:Transmission Control Protocol / Internet ProtocolProtokoll zum Übertragen von Datenpaketen

HTTP:HyperText Transfer ProtocolProtokoll zum Übertragen von HTML, XML, und SOAP

SOAP:Simple Object Access ProtocolÜbernimmt die Zugriffssteuerung von Web-Diensten

XML:eXtensible Markup LanguageDatensprache zur Kodierung der eigentlichen Information

Deutsche Post AG

Briefträger

Briefumschlag mit Adresse:Straße, Hausnummerund PLZ

Name des Empfängers

Brief

Abb. 5.7: Aufbau des Kommunikationskonzeptes und Analogievergleich mit einem Postunternehmen

Das in dieser Arbeit angewandte Kommunikationskonzept setzt Ethernet als Vernet-zungstechnologie ein. Die Aufgaben des Ethernets lassen sich mit denen eines Postunternehmens vergleichen. Bei der Post übernehmen Briefträger das Austragen der Briefe und Pakete. In dem Kommunikationskonzept erledigt das Protokoll TCP/IP diese Aufgabe. Führt man die Analogie fort, beinhaltet HTTP die Adresse des Brie-fes. Gleichzeitig dient es aber als Übertragungsprotokoll u. a. für HTML und SOAP.


64

Die bisher genannten Protokolle sorgen dafür, dass der Brief bzw. die Nachricht an die richtige Adresse bzw. Rechner geliefert wird. Für welchen Bewohner bzw. welche Anwendung dieser bestimmt ist, wird über SOAP geregelt. Dabei sind die eigentli-chen Informationen in der Nachricht mit XML kodiert.

Der Einsatz von XML schafft die Voraussetzungen, dass automatisierte Module in einem wandelbaren Materialflusssystem miteinander kommunizieren können und da-zu in einer Sprache, die auch für den Menschen verständlich ist. Eine gemeinsame Kommunikationssprache zwischen Mensch und Maschine vereinfacht ebenso die Realisierung von unterschiedlichen Automatisierungsgraden innerhalb einer Anlage.

Zusammenfassung der Vorteile der ausgewählten Kommunikationstechnolo-gien:

Gleiches Datenformat und gleiche Kommunikationstechnik auf administrativer und gerätesteuerungstechnischer Ebene (horizontale und vertikale Integration)

Integrationsfähigkeit durch offene und international standardisierte Kommuni-kationstechnologien

XML gewährleistet die Erweiterungsfähigkeit und Offenheit der Kommunikati-on durch seine flexible, erweiterbare Datenstruktur

Der Einsatz von WLAN ermöglicht einfache, kostengünstige, ortsflexible Da-tenübertragung

Mensch und Maschine kommunizieren über eine für beide verständliche Da-tensprache

Die Maschine wird zum „Internetsurfer“ durch den Einsatz von Internettechno-logien (SOAP und XML)

65

6 Fahrzeugsteuerungskonzept

6.1 Funktionsweise des Steuerungskonzeptes

Aufbauend auf den Wandelbarkeitsanforderungen, unter Berücksichtung des Kon-zeptes der funktionsorientierten Modularisierung und einem Kommunikationskonzept auf Basis von XML, wurde in dieser Arbeit das folgende Fahrzeugsteuerungskonzept für ein wandelbares Materialflusssystem entwickelt. Die Funktionsweise des Konzep-tes lässt sich an einem Analogiebeispiel veranschaulichen.

Das Straßennetz stellt mit den Autofahrern ein wandelbares Materialflusssystem dar. Jeder Autofahrer kann jeden Ort unabhängig von den anderen Fahrern erreichen und dabei die unterschiedlichsten Dinge transportieren. Dazu plant der Autofahrer seine Route anhand einer Straßenkarte und orientiert sich unterwegs an den Ortsschildern bzw. Wegweisern. Dabei spielt es für ihn im Gegensatz zu einem starr automatisier-ten System keine Rolle, ob er an zwei oder mehreren Abzweigungen vorbeikommt oder sogar ungeplante Umleitungen fahren muss. Seine Wandelbarkeit beruht auf dem Auswerten einer Straßenkarte und der Orientierung anhand von Straßenschil-dern.

Das in dieser Arbeit entwickelte Fahrzeugsteuerungskonzept adaptiert dieses Verhal-ten mit Hilfe von einfachen Regeln. Hierzu benötigen die Fahrzeuge eine Art Stra-ßenkarte. Diese ist eine Matrix, in der die Informationen abgelegt sind, welche Orte (z. B. Übergabestellen, Weichen, etc.) über welche Art von Wegen miteinander ver-bunden sind.

Diese Matrix wird als Waypointmatrix bezeichnet und stellt quasi das informations-technische Abbild des Materialflusssystems dar. Sie spiegelt das Layout, die Eigen-schaften (z. B. Länge der Strecken, Streckenkapazitäten) und den aktuellen Zustand des Materialflusssystems (z. B. Reservierungen, Positionen der Fahrzeuge, etc.) wi-der und zeigt so nicht nur den statischen, sondern auch den dynamischen Zustand des Systems an.

Die Daten in der Waypointmatrix werden von allen Modulen, die an Transportvorgän-gen beteiligt sind (Fahrzeuge, Weichen, Hängekrane etc.), benötigt. Dabei werden die Informationen nicht nur ausgelesen, sondern auch von den Modulen verändert.


66

Ein Fahrzeug berechnet dezentral und vollkommen autonom seinen Fahrweg. An-schließend wird dieser in Form von Reservierungen in die Matrix eingetragen. Das ermöglicht den Fahrzeugen, die Positionen und Fahrwege der anderen Fahrzeuge bei der eigenen Wegplanung zu berücksichtigen, ohne mit diesen direkt kommunizie-ren zu müssen. Aber nicht nur die Fahrzeuge holen sich die Informationen aus der Matrix. Ebenso erfahren die Weichenmodule, die in der Matrix einen Waypoint dar-stellen, aus den Reservierungen, wie sie sich zu stellen haben.

Neben der Waypointmatrix als Straßenkarte benötigen die Transportfahrzeuge des Materialflusssystems Straßenschilder, an denen sie sich unterwegs orientieren kön-nen. Technisch lassen sich diese Straßenschilder mit Transpondern (RFID-Technologie) realisieren. RFID (Radio Frequency Identification) ist ein Auto-Ident-Verfahren, mit dem Daten berührungslos und ohne Sichtkontakt von einem mobilen Datenträger (Transponder) gelesen und darauf gespeichert werden können. Die Transponder verfügen über eine eindeutige Kennung und sind neben der Fahrbahn angebracht. Sie markieren Übergabestellen und Verzweigungen und stellen damit die so genannten Waypoints in der Waypointmatrix dar. Die Fahrzeuge lesen im Vor-beifahren die Transponder aus, um zu erfahren, wo sie sich befinden.

6.2 Steuerungstechnisches Abbild des Fahrweges: Way-pointmatrix

In einem Materialflusssystem sind die Aufnahme- und Abgabeorte über Transport-wege miteinander verbunden. Technisch werden diese Transportwege abhängig vom Typ des Materialflusssystems als Markierungen auf dem Boden (FTS, Stapler) als Schienen (EHB) oder als Förderstrecken (Rollen-, Bandförderer) realisiert. In einem funktionsorientiert modularisierten Materialflusssystem bildet das Wegsystem wie ein Fahrzeug ein autonomes mechatronisches Modul. Es hat dabei die Aufgabe, den Fahrzeugen die Wege zu den verschiedenen Orten des Materialflusssystems zur Verfügung zu stellen.

Das Wegsystem setzt sich aus passiven Elementen und aktiven, funktionsorientier-ten Modulen, wie z. B. Weichen und Hängekranen zusammen. Aktive Module unter-scheiden sich von den passiven Elementen, indem sie Bewegungen bzw. Verände-rungen des Fahrweges vornehmen. Passive Elemente dagegen bilden nur statische Verbindungen zwischen den aktiven Modulen des Wegsystems. Somit müssen bei

6.2 Steuerungstechnisches Abbild des Fahrweges: Waypointmatrix

67

diesen nur die mechanischen (Traglast, Geometrie usw.) und elektrischen Daten und Schnittstellen (Stromversorgung usw.) des Elementes beschrieben werden. Bei den aktiven Modulen hingegen kommt die Beschreibung der steuerungstechnischen Schnittstelle hinzu, da in diesen Modulen Steuerungsvorgänge stattfinden.

Entsprechend dem Konzept einer funktionsorientierten Modularisierung müssen der Aufbau und die Funktionalitäten des Wegsystems steuerungstechnisch hinterlegt werden. Dies geschieht, indem die aktiven Module (Verzweigungen) des Systems als globale Wegpunkte betrachtet werden, die über passive Elemente miteinander ver-bunden sind und so das Wegsystem abbilden. Diese Wegpunkte sind Teil des Positi-oniersystems und dienen zur Orientierung. Trägt man nun die globalen Wegpunkte in die Zeilen und Spalten einer Matrix ein und füllt deren Eigenschaftsfelder mit den Da-ten der passiven Wegelemente, erhält man das steuerungstechnische Abbild des Wegsystems (Waypointmatrix).

Die Waypointmatrix lässt sich in drei Abstraktionsschritten erzeugen (Abb. 6.1). Zu-erst muss jedem aktiven Modul (Verzweigung, Hängekran, Übergabeplatz etc.) ein globaler Waypoint zugewiesen werden (1. Abstraktionsschritt).

In einem zweiten Abstraktionsschritt betrachtet man das System mechatronisch im Sinne der funktionsorientierten Modularisierung (siehe Kap. 4.1). Das bedeutet, zu jeder mechanischen Schnittstelle gehört auch eine informationstechnische Beschrei-bung. Da eine Weiche drei mechanische Ein- bzw. Ausgänge besitzt, muss also je-dem Ein-/Ausgang ein lokaler Waypoint zugeordnet werden. Diese Waypoints sind einfache Transponder, die an der Schiene befestigt sind und über eine eindeutige Kennung verfügen. Die Transponder stellen gewissermaßen die informationstechni-schen Abbildungen der realen Verzweigungen dar.

Des Weiteren wird für die Wegplanung eine Art Straßenkarte benötigt. Dazu werden in einem dritten Abstraktionsschritt die Waypoints mit ihren Verbindungen und den Eigenschaften dieser Verbindungen in eine Matrix eingetragen. Zu den Eigenschaf-ten, die im nächsten Kapitel erläutert werden, gehören z. B. die Länge, die Kapazität oder die Durchfahrtsrichtung einer Strecke.


68

Globaler Waypoint

Lokaler Waypoint

Waypointmatrix

Globaler Waypoint

Lokaler Waypoint

Waypointmatrix

Abb. 6.1: Vorgehensweise zur Erstellung der Waypointmatrix

Die Waypointmatrix stellt einen gemeinsamen Datenpool dar, auf den sowohl die Fahrzeuge als auch die Weichenmodule zugreifen. Sie spiegelt das Layout, die Ei-genschaften und den aktuellen Zustand des Materialflusssystems wider.

Die Informationen in dieser Matrix sind mit der Datensprache XML kodiert (siehe Kap. 5.1.3), damit jederzeit zusätzliche Informationen für erweiterte Funktionen von neuen Teilnehmern (z. B. Fahrzeuge, Wegmodule oder Übergabeplätze) in die Way-pointmatrix aufgenommen werden können. Auf diese Art und Weise werden die ge-forderte Erweiterungsfähigkeit und Integrationsfähigkeit auch auf der steuerungs-technischen Ebene realisiert.


69

Eine besondere Rolle spielt die Diagonale in der Waypointmatrix. Ihre Eigenschafts-felder sind direkt den einzelnen Wegpunkten zugeordnet und beschreiben deren Aufbau. So ist in ihnen hinterlegt, welche Verbindungen z. B. eine Weiche oder ein Hängekran schalten kann. Fahrzeuge können hier über Reservierungseinträge den Wegelementen indirekt Anweisungen geben, wie sie sich zu stellen zu haben. Die Wegelemente müssen nur ihr entsprechendes Diagonalfeld in der Waypointmatrix auslesen, um zu erfahren, welche Schaltungen sie vornehmen sollen.

GWP01 GWP02 GWP03 ··· G

WP0

1 G

WP0

2

GW

P03

···

Es besteht eine VerbindungArt der Verbindung (fest/schaltbar)Strecke ist frei oder belegtAnhalten erlaubt oder DurchfahrtsstreckeFahrtrichtungStreckenkapazitätWer befindet sich auf dem Streckenabschnitt?Wie viele Fahrzeuge befinden sich auf dem Streckenabschnitt?Länge des Streckenabschnitts

Eigenschaften:

Diagonalfeld:Beschreibt den internen Aufbau eines Waypoints; z.B. mögliche Schaltstellungen einer Weiche

Eigenschaften der Verbindung zwischen GWP02 und GWP03

Globaler Waypoint

GWP01 GWP02 GWP03 ··· G

WP0

1 G

WP0

2

GW

P03

···

Es besteht eine VerbindungArt der Verbindung (fest/schaltbar)Strecke ist frei oder belegtAnhalten erlaubt oder DurchfahrtsstreckeFahrtrichtungStreckenkapazitätWer befindet sich auf dem Streckenabschnitt?Wie viele Fahrzeuge befinden sich auf dem Streckenabschnitt?Länge des Streckenabschnitts

Eigenschaften:

Diagonalfeld:Beschreibt den internen Aufbau eines Waypoints; z.B. mögliche Schaltstellungen einer Weiche

Eigenschaften der Verbindung zwischen GWP02 und GWP03

Globaler Waypoint

Abb. 6.2: Eigenschaftsfelder der Waypointmatrix

Die restlichen Felder der Matrix zeigen die Verbindungen zwischen den globalen Waypoints an. Sie werden nur von den Fahrzeugen ausgelesen und mit Reservie-rungen versehen. Über sie verständigen sich die Fahrzeuge indirekt miteinander, wann welche Strecke reserviert bzw. frei ist.


70

6.2.1 Aufbau der Waypointmatrix

Die Waypointmatrix setzt sich aus den einzelnen Beschreibungen der globalen Way-points zusammen. Eine Waypointbeschreibung (GWP-Beschreibung) beinhaltet den internen Aufbau, den aktuellen Zustand und die Schnittstellen zu den anderen Way-points (Abb. 6.3). Sie besteht aus den Elementen <GWPName> (eindeutige Be-zeichnung des Waypoints), <GWPStatus> und <GWPAufbau>.

GWPGWP -Die Waypointbeschreibung GWP beschreibt den internen Aufbau, den aktuellen Zustand und die Schnittstellen zu den anderen Waypoints

GWPNameGWPName

Eindeutige Bezeichnung des globalen Waypoints

GWPStatusGWPStatus

Status des GWPs: Reservierungen, Aktive interne Verbindungen, Belegungen

+

GWPAufbauGWPAufbau

Interner Aufbau des GWPs: gliedert sich in die LWPs

+

GWPGWP --Die Waypointbeschreibung GWP beschreibt den internen Aufbau, den aktuellen Zustand und die Schnittstellen zu den anderen Waypoints

GWPNameGWPName


GWPNameGWPName


GWPStatusGWPStatus

Status des GWPs: Reservierungen, Aktive interne Verbindungen, Belegungen

++

GWPAufbauGWPAufbau


+GWPAufbauGWPAufbau


GWPAufbauGWPAufbau


++

Abb. 6.3: Schematische Struktur einer Waypointbeschreibung

Element <GWPStatus>

Das Element <GWPStatus> (Abb. 6.4) zeigt den aktuellen Zustand des Waypoints an. Hier werden Reservierungen und, falls es sich bei dem globalen Waypoint z. B. um eine Weiche handelt, Schaltanweisungen für das Herstellen bestimmter interner Verbindungen eingetragen. Das Element <Reservierung> sammelt die einzelnen Re-servierungswünsche (<Reservierungseintrag>) der Fahrzeuge für diesen GWP. Die-se müssen von den Fahrzeugen bei der Wegplanung berücksichtigt werden, um z. B. die erlaubte Streckenkapazität nicht zu überschreiten.

Zusätzlich ist in <GWPStatus> hinterlegt, welche interne Verbindung zwischen den lokalen Waypoints aktuell hergestellt ist (Element <VerbindungAktivZu>), d. h. wie z. B. gerade eine Weiche geschaltet ist. Von welchem Fahrzeug der GWP momentan belegt wird, wird im Element <BelegtVon> angegeben. Mit dem Element <Befahrbar> werden im laufenden Betrieb Freigaben für die Verbindung geregelt, z. B. das War-


71

ten, bis ein Schaltvorgang an einer Weiche erfolgt ist. Dies ist vergleichbar mit einer Ampelschaltung im Straßenverkehr. In das Element <BelegtVon> tragen sich die Fahrzeuge mit ihrem Namen ein. Es kann so oft vorkommen, wie Fahrzeuge sich auf dem GWP befinden. Der Waypoint zählt die Anzahl der Fahrzeuge und gibt sie im Element <AnzahlFahrzeuge> wieder.

VerbindungAktivZuVerbindungAktivZu

Name der aktiven internen Verbindung bzw. Angabe des lokalen Waypoints zu dem eine Verbindung hergestellt ist (Stellung einer Weiche)

BelegtVonBelegtVon

Fahrzeuge, die sich momentan auf dem GWP befinden

AnzahlFahrzeugeAnzahlFahrzeuge

Aktuelle Anzahl der Fahrzeuge auf dem GWP

GWPStatusGWPStatus

AnzahlReservierungenAnzahlReservierungen

Anzahl der Reservierungen für die interne Verbindung des GWPs

ReservierungseintragReservierungseintrag

Reservierung eines Fahrzeuges

+

ReservierungenReservierungen

Reservierungen für den GWP

-

BefahrbarBefahrbar

Freigabesteuerung der Verbindung; Angabe von Sperrungen/Freigaben, die vom laufenden Betrieb abhängen

-

VerbindungAktivZuVerbindungAktivZu

Name der aktiven internen Verbindung bzw. Angabe des lokalen Waypoints zu dem eine Verbindung hergestellt ist (Stellung einer Weiche)

BelegtVonBelegtVon




GWPStatusGWPStatus

AnzahlReservierungenAnzahlReservierungen

Anzahl der Reservierungen für die interne Verbindung des GWPs

ReservierungseintragReservierungseintrag

Reservierung eines Fahrzeuges

++


Reservierungen für den GWP

--

BefahrbarBefahrbar


--

Abb. 6.4: Struktur des Elementes GWPStatus

Element <Reservierungen>

Ein Reservierungseintrag (Abb. 6.5) besteht aus den Angaben, von wem die Reser-vierung vorgenommen wurde (Element <ReservierungVon>), einer optionalen ein-deutigen Bezeichnung einer Reservierung (Element <ReservierungsID>) und einer Gültigkeitsdauer der Reservierung. Die Informationen über den Reservierungszeit-raum werden für eine optimierte Wegplanung mit zeitlich begrenzten Reservierungen benötigt. Des Weiteren kann der Reservierungseintrag bei schaltbaren Verbindungen eine Schaltanweisung an den Waypoint beinhalten, um eine angebotene Verbindung herzustellen.


72

Mit den Elementen <EingangGesperrt> und <AusgangGesperrt> wird geregelt, in welche Fahrtrichtung die Verbindung von nachfolgenden Fahrzeugen während der Gültigkeitsdauer des Reservierungseintrages befahren werden darf. Ist der Wert von <EingangGesperrt> TRUE, dann bedeutet dies, dass der globale Waypoint nicht mehr über die lokalen Waypoints, die zu der Gruppe Eingang gehören, betreten wer-den darf. Ein Verlassen über diese Gruppe ist aber möglich. Damit lässt sich eine allgemeingültige und absolute Fahrtrichtungsreservierung realisieren.

ReserviertVonReserviertVon

Reservierender Teilnehmer

StartzeitReservierungStartzeitReservierung

Beginn des Reservierungszeitraumes(optional für eine verbesserte Wegplanung mit zeitlich begrenzten Reservierungen)

EingangGesperrtEingangGesperrtReservierungseintragReservierungseintrag

ReservierungsIDReservierungsID

Eindeutige Reservierungsbezeichnung (optional); wird vom Fahrzeug vergeben

<EingangGesperrt> und <AusgangGesperrt> regeln, in welche Richtung eine Verbindung während der Gültigkeitsdauer einer Reservierung befahren werden darf

AusgangGesperrtAusgangGesperrt

SchaltanweisungSchaltanweisung

Schaltanweisung an den Waypoint, um eine angebotene Verbindung herzustellen (optional); Nur bei aktiven Modulen wie z.B. Weichen

EndzeitReservierungEndzeitReservierung

Ende des Reservierungszeitraumes (optional)

-

ReserviertVonReserviertVon

Reservierender Teilnehmer

StartzeitReservierungStartzeitReservierung

Beginn des Reservierungszeitraumes(optional für eine verbesserte Wegplanung mit zeitlich begrenzten Reservierungen)

EingangGesperrtEingangGesperrtReservierungseintragReservierungseintrag

ReservierungsIDReservierungsID

Eindeutige Reservierungsbezeichnung (optional); wird vom Fahrzeug vergeben

<EingangGesperrt> und <AusgangGesperrt> regeln, in welche Richtung eine Verbindung während der Gültigkeitsdauer einer Reservierung befahren werden darf


SchaltanweisungSchaltanweisung

Schaltanweisung an den Waypoint, um eine angebotene Verbindung herzustellen (optional); Nur bei aktiven Modulen wie z.B. Weichen

EndzeitReservierungEndzeitReservierung

Ende des Reservierungszeitraumes (optional)

--

Abb. 6.5: Struktur des Elementes Reservierungseintrag


73

Element <GWPAufbau>

Das Element <GWPAufbau> spiegelt die interne Struktur des globalen Waypoints wider (Abb. 6.6). Es beschreibt, aus wie vielen lokalen Waypoints der globale Way-point besteht, wie diese untereinander und wie sie zu lokalen Waypoints externer GWPs verbunden sind. Hierfür besteht <GWPAufbau> aus den Elementen <LWP> und <LWPAnzahl>. Für jeden lokalen Waypoint, den ein globaler Waypoint besitzt, gibt es jeweils ein Element <LWP>. Eine Weiche, die über einen Eingang und zwei Ausgänge verfügt, ist demnach mit drei LWP-Elementen ausgestattet. Die Anzahl der existierenden lokalen Waypoints wird in <LWPAnzahl> angegeben.

LWPAnzahlLWPAnzahl

Name der aktiven internen Verbindung

GWPAufbauGWPAufbau

LWPLWP

Beschreibung eines LWPs; Für jeden LWP des GWPs gibt es jeweils eine eigene LWP-Beschreibung

Anzahl der Verbindungen zu internen LWPs

VerbindungInternAnzahlVerbindungInternAnzahl

LWPGruppenTypLWPGruppenTyp

LWP gehört entweder zur Gruppe Eingang oder Ausgang; Wird benötigt, um Richtungswechsel an einen Waypoint zu berechnen

LWPNameLWPName

Bezeichnung des lokalen Waypoints

VerbindungExternVerbindungExtern

Beschreibung der Verbindung zu einem externen LWP; Ein LWP hat nur eine externe Verbindung

VerbindungInternVerbindungIntern

Beschreibung der Verbindung zu einem internen LWP

+

-

+

LWPLWP +

-

LWPAnzahlLWPAnzahl

Name der aktiven internen Verbindung

GWPAufbauGWPAufbau

LWPLWP

Beschreibung eines LWPs; Für jeden LWP des GWPs gibt es jeweils eine eigene LWP-Beschreibung

Anzahl der Verbindungen zu internen LWPs

VerbindungInternAnzahlVerbindungInternAnzahl

LWPGruppenTypLWPGruppenTyp

LWP gehört entweder zur Gruppe Eingang oder Ausgang; Wird benötigt, um Richtungswechsel an einen Waypoint zu berechnen

LWPNameLWPName

Bezeichnung des lokalen Waypoints

VerbindungExternVerbindungExtern

Beschreibung der Verbindung zu einem externen LWP; Ein LWP hat nur eine externe Verbindung

VerbindungInternVerbindungIntern

Beschreibung der Verbindung zu einem internen LWP

++

--

+

LWPLWP +

--

Abb. 6.6: Struktur des Elementes GWPAufbau

Die Eigenschaften und die Verbindungen der lokalen Waypoints sind in dem Element <LWP> festgehalten. Dazu gehören der Name (Element <LWPName>) und der Gruppentyp (<LWPGruppenTyp>) des LWPs. Ein lokaler Waypoint ist entweder der Gruppe Eingang oder der Gruppe Ausgang zugeordnet. Dies ist eine rein relative


74

Festlegung. Entscheidend ist dabei, dass ein LWP immer nur mit einem oder mehre-ren LWPs aus der anderen Gruppe verbunden ist und nicht mit denen der eigenen Gruppe. Für die meisten gebräuchlichen Wegelemente in einem Materialflusssystem, wie Weichen, Kreuzungen, Hängekrane sind zwei Gruppen ausreichend (Abb. 6.7). Denkbar ist aber, kompliziertere Elemente mittels mehreren verschiedenen Gruppen-typen abzubilden. Diese Gruppeneinteilung wird für die Ermittlung von Richtungs-wechseln bei der Wegplanung benötigt (siehe Kap. 6.3.6).

WP03.0WP03.2

WP03.1

GruppeEingang

GruppeAusgang

WP03.0WP03.2

WP03.1

GruppeEingang

GruppeAusgang

Abb. 6.7: Gruppeneinteilung an einer Weiche

Die Verbindungen zu weiteren internen sowie zu externen lokalen Waypoints werden in den Elementen <VerbindungIntern> und <VerbindungExtern> beschrieben. Pro Verbindung gibt es ein eigenes Element. Die jeweilige Anzahl der internen Verbin-dungen wird in dem Element <VerbindungInternAnzahl> aufgeführt. Die Zahl der ex-ternen Verbindungen ist auf eins beschränkt, da von jedem lokalen Waypoint nur ei-ne externe Verbindung weggehen kann.

Element <VerbindungIntern>

Eine Verbindung innerhalb eines globalen Waypoints definiert sich über den Namen des LWPs und dem Element <VerbundenMit> (Abb. 6.8). Die Eigenschaften dieser Verbindung werden unter <VerbindungInternEigen> aufgeführt. Dazu gehört eine op-tionale Bezeichnung der Verbindung, die sich aus den Namen der Start- und Ziel-waypoints zusammensetzt und außerdem die Information, ob diese Verbindung schaltbar ist, z. B. bei einer Weiche (Element <Schaltbar>) bzw., ob sie auch ge-schaltet werden darf, wenn sie gerade von einem Fahrzeug belegt ist (Element <SchaltenWennBelegt>). Streckensperrungen aufgrund von Wartungs- und Umbau-arbeiten bzw. bei längeren Störungen werden im Element <Gesperrt> festgehalten.


75

Ist hier eine Verbindung unterbrochen, wird sie bei der Wegplanung als nicht befahr-bar eingestuft. Kurzfristige Sperrungen, die aus dem normalen Betrieb heraus ent-stehen, wie z. B. das Warten bis sich eine Weiche gestellt hat, werden über das Element <Befahrbar> angezeigt. Da die Fahrzeuge selbstständig Ausweichmanöver fahren können, benötigen sie die Information, wo sie auch außerhalb von Lastüber-gabestellen anhalten dürfen und wo nicht (z. B. auf Durchfahrtsstrecken). Dies wird über das Element <AnhaltenErlaubt> gesteuert. Des Weiteren beinhalten die Verbin-dungseigenschaften Daten über die erlaubten Fahrtrichtungen, die maximale Stre-ckenkapazität und die Länge der Verbindung.

VerbindungInternEigenVerbindungInternEigen

Beschreibung der internen Verbindungen zwischen dem aktuellen LWP und dem unter <VerbundenMit> eingetragenen LWP

VerbindungInternVerbindungIntern -

VerbundenMitVerbundenMit

Zeigt an, mit welchem LWP dieser LWP verbunden ist

Sperrung der Strecke aufgrund von Wartungsarbeiten, längeren Störungen etc.

GesperrtGesperrt

SchaltbarSchaltbar

Verbindung ist ggf. schaltbar (z.B. bei einer Weiche)

FahrtrichtungFahrtrichtung

Gibt an, in welchen Richtungen die Verbindung befahren werden darf

VerbindungsnameVerbindungsname

Name der Verbindung (optional): z.B. WP03.0-WP03.2

AnhaltenErlaubtAnhaltenErlaubt

Regelung für das Anhalten

SchaltenWennBelegtSchaltenWennBelegt

Verbindung darf auch geschaltet werden, während sie durch ein Fahrzeug belegt ist. z.B. bei Kranbrücken und Drehscheiben

KapazitaetKapazitaet

Streckenkapazität

LaengeLaenge

Länge der Strecke in mm


Beschreibung der internen Verbindungen zwischen dem aktuellen LWP und dem unter <VerbundenMit> eingetragenen LWP

VerbindungInternVerbindungIntern --


Zeigt an, mit welchem LWP dieser LWP verbunden ist


GesperrtGesperrt

SchaltbarSchaltbar

Verbindung ist ggf. schaltbar (z.B. bei einer Weiche)







SchaltenWennBelegtSchaltenWennBelegt

Verbindung darf auch geschaltet werden, während sie durch ein Fahrzeug belegt ist. z.B. bei Kranbrücken und Drehscheiben


Streckenkapazität

LaengeLaenge


Abb. 6.8: Struktur des Elementes VerbindungIntern


76

Element <VerbindungExtern>

Das Element <VerbindungExtern> (Abb. 6.9) ist im Aufbau ähnlich zum Element <VerbindungIntern> (Abb. 6.8). Allerdings beinhaltet es nicht die Elemente <Schalt-bar> und <SchaltenWennBelegt>, da externe Verbindungen grundsätzlich feste Ver-bindungen sind. Zusätzlich enthält das Element <VerbindungExtern> noch dynami-sche Informationen wie Reservierungen und Belegungen. Der Reservierungsteil ist deckungsgleich mit dem in dem Element <GWPStatus> (vgl. Abb. 6.4). Nur gilt er diesmal für die Verbindung zwischen zwei Waypoints.

Des Weiteren verfügt das Element <VerbindungExternEigen> über die Eigenschaften <EingangGesperrt> und <AusgangGesperrt>. Mit diesen beiden Informationen wird geregelt, in welche Richtung die Strecke aufgrund von vorliegenden Reservierungen befahren werden darf. Dazu wertet der Waypoint die eingegangenen Reservierungs-einträge aus und sperrt dementsprechend den Eingang (Element <EingangGe-sperrt>) bzw. den Ausgang (<AusgangGesperrt>). Als Eingang wird der lokale Way-point bezeichnet, der zu der Beschreibung desselben globalen Waypoints gehört und als Ausgang derjenige, der Teil des externen globalen Waypoints ist. Ist bei einer Strecke der Eingang gesperrt, darf diese über den entsprechenden Waypoint nicht betreten, aber verlassen werden. So lässt sich eine bestimmte Fahrtrichtung für nachfolgende Fahrzeuge festlegen.

Mit den Elementen <BelegtVon> und <AnzahlFahrzeuge> wird angezeigt, welche und wie viele Fahrzeuge sich auf der Verbindung befinden.


77

VerbindungExternEigenVerbindungExternEigen

Beschreibung der externen Verbindungen zwischen dem aktuellen LWP und dem unter <VerbundenMit> eingetragenen externen LWP

VerbindungExternVerbindungExtern -


Zeigt an, mit welchem externen LWP dieser LWP verbunden ist


GesperrtGesperrt








Streckenkapazität

LaengeLaenge


BefahrbarBefahrbar


BelegtVonBelegtVon




EingangGesperrtEingangGesperrt

Über EingangGesperrt und AusgangGesperrt wird angezeigt, in welche Richtung eine Verbindung auf Grund von bestehenden Reservierungen noch befahren werden darf; der Waypoint wertet die vorliegenden Reservierungs-einträge aus und stellt den aktuellen Zustand dar



Reservierungen für die Verbindung

+

-VerbindungExternEigenVerbindungExternEigen

Beschreibung der externen Verbindungen zwischen dem aktuellen LWP und dem unter <VerbundenMit> eingetragenen externen LWP

VerbindungExternVerbindungExtern --


Zeigt an, mit welchem externen LWP dieser LWP verbunden ist


GesperrtGesperrt








Streckenkapazität

LaengeLaenge


BefahrbarBefahrbar


BelegtVonBelegtVon




EingangGesperrtEingangGesperrt

Über EingangGesperrt und AusgangGesperrt wird angezeigt, in welche Richtung eine Verbindung auf Grund von bestehenden Reservierungen noch befahren werden darf; der Waypoint wertet die vorliegenden Reservierungs-einträge aus und stellt den aktuellen Zustand dar



Reservierungen für die Verbindung

++

--

Abb. 6.9: Struktur des Elementes VerbindungExtern


78

6.2.2 Erweiterungsmöglichkeiten der Waypointmatrix

Neben den Daten, die für die operative Abwicklung der Fahraufträge nötig sind, wie z. B. die Reservierungen, Weglängen usw. können auch strategische Information in den Eigenschaftsfeldern der Matrix hinterlegt werden. Diese strategischen Informati-onen erlauben eine Analyse der Materialflüsse und bilden so die Grundlage für an-schließende Optimierungen [VDI-2689]. So lassen sich z. B. automatisch die Reser-vierungen und Streckenbelegungen mitprotokollieren, um Daten für Materialflusssi-mulationen bzw. –planungen zu erhalten.

Eine Einführung des Elementes „Menge und Art des Materialflusses“ würde eine mat-rizenartige Materialflussdarstellung in Form einer Intensitätsmatrix entsprechend der VDI-Richtlinie 3596 [VDI-3596] ermöglichen. Hierfür tragen die Fahrzeuge die Art und Menge ihres Transportgutes in die Waypointmatrix ein. Diese lässt sich dann einfach in eine Intensitätsmatrix überführen, da die Informationen über die Verbindungen ebenfalls vorliegen. Die so erhaltene Intensitätsmatrix bietet einen einfachen und schematischen Überblick über das Transportaufkommen in einem wandelbaren Ma-terialflusssystem.

6.3 Ablauf eines Transportauftrages

6.3.1 Auftragsvergabe

Die Auftragsvergabe erfolgt auf zwei Arten. Zum einen kann jedem Fahrzeug direkt ein Auftrag von dem Materialflussrechner zugewiesen werden. Zum anderen ist es möglich, analog zu einer Transportbörse im Speditionsbereich, an alle freien Fahr-zeuge einen Auftrag zu senden. So eine dezentrale Auftragsvergabestrategie unter-stützt die Fähigkeiten und vor allem die Wandelbarkeit des entwickelten Steuerungs-konzeptes. Die Fördermittel können selbstständig unter Berücksichtigung ihrer eige-nen individuellen Leistungsfähigkeit entscheiden, ob sie den Auftrag annehmen und dementsprechend ein Angebot abgeben möchten. Das Fahrzeug mit dem besten Angebot erhält den Zuschlag. Ein Angebot kann entweder ganz einfach nur die Ent-fernung zwischen der aktuellen Position des Fahrzeuges und dem Startpunkt des Auftrages enthalten. Dann würde das Fahrzeug mit dem kürzesten Weg zum Start-punkt den Auftrag bekommen. Oder es werden andere Kriterien für die Auftragsver-


79

gabe, wie z. B. von den Fördermitteln prognostizierte Transportkosten bzw. –zeiten oder Fahrzeugauslastungen angewendet. Je nachdem, welche Materialflussstrategie zum Tragen kommen soll. Neben dem Materialflussrechner können auch die Produk-tionseinrichtungen selbst Aufträge vergeben.

Über den Auftrag bekommt das Fahrzeug mitgeteilt, von wo und wohin es fahren soll. Zunächst muss das Fahrzeug die Startanfahrt berechnen. Dazu liest sich das Fahr-zeug die zentral ablegte Waypointmatrix aus (gemeinsame Kommunikationsschicht). Als nächstes plant das Fahrzeug selbstständig den Fahrweg und schreibt diesen als Reservierungen wieder zurück in die Waypointmatrix (Abb. 6.10). Danach ist das nächste Fahrzeug an der Reihe, sich die Matrix auszulesen und seine Route zu pla-nen. Durch die Vergabe eines umlaufenden Tokens wird gewährleistet, dass jedes Fahrzeug den aktuellen Zustand der Waypointmatrix erhält. Nur das Modul, das den Token besitzt, darf die Matrix verändern.

Auftragsvergabe

Einlesen der Waypointmatrix

Wegplanung

Schritt 1: Grobplanung des WegesSchritt 1: Grobplanung des Weges

Schritt 2: Feinplanung des WegesSchritt 2: Feinplanung des Weges

Schritt 3: Schaltanweisungen generierenSchritt 3: Schaltanweisungen generieren

Schritt 4: Richtungswechsel einfügen Schritt 4: Richtungswechsel einfügen

Schritt 5: Reservierbarkeit überprüfen Schritt 5: Reservierbarkeit überprüfen

Zurückschreiben der Waypointmatrix

• Waypoints der Matrix werden einzeln als XML-Dokumente an das Fahrzeug versendet

• Zugriffssteuerung: SOAP



• Wegberechnung anhand einer Matrix

• Dijkstra-Algorithmus



• Zuordnung der Transponderbezeichnungen(Straßenschilder)


• Allgemeingültige Regeln legen fest, wann ein Weg reserviert werden darf

• Analyse der Eigenschaftsfelder der Waypointmatrix



Auftragsvergabe

Einlesen der Waypointmatrix

Wegplanung

Schritt 1: Grobplanung des WegesSchritt 1: Grobplanung des Weges

Schritt 2: Feinplanung des WegesSchritt 2: Feinplanung des Weges

Schritt 3: Schaltanweisungen generierenSchritt 3: Schaltanweisungen generieren

Schritt 4: Richtungswechsel einfügen Schritt 4: Richtungswechsel einfügen

Schritt 5: Reservierbarkeit überprüfen Schritt 5: Reservierbarkeit überprüfen

Zurückschreiben der Waypointmatrix















Abb. 6.10: Ablauf der Wegplanung


80

6.3.2 Einlesen der Waypointmatrix

Bevor das Fahrzeug die Waypointmatrix anfordern kann, muss es erst auf den Token warten, um sicher zu gehen, dass in der Matrix auch die aktuellen Positionen und Reservierungen der anderen Fahrzeuge hinterlegt sind.

Mit der Anweisung

<RequestWaypointmatrix>all</RequestWaypointmatrix>

fordert das Fahrzeug die Waypointmatrix an. Da in größeren Materialflusssystemen die Waypointmatrix entsprechend groß werden kann, wird die Matrix nicht als kom-plette Datei versendet, sondern Waypoint für Waypoint. So wird ein Empfänger nicht mit zu vielen Daten auf einmal überfordert. Jedes Mal nach Empfang und Auswerten eines Waypoints fordert das Fahrzeug mit

<RequestWaypointmatrix>Next GWP</RequestWaypointmatrix>

den nächsten Waypoint an.

Sind alle Waypoints an das Fahrzeug gesendet worden, wird dies dem Fahrzeug über

<ResponseWaypointmatrix>

Waypointmatrix is complete

</ResponseWaypointmatrix>

mitgeteilt. Diese Meldung ist nötig, da das Fahrzeug nicht wissen kann, wie groß die Matrix ist, bzw. wie viele Waypoints sie umfasst.

Das Fahrzeug liest Wegpunkt für Wegpunkt ein und parst die XML-Informationen. Beim Parsen eines Dokumentes wird dieses nach Schlüsselwörtern untersucht und die so erhaltenen Informationen abgespeichert. Das Fahrzeug wandelt dabei die XML-Dokumente der Waypoints in eine eigene Matrix um, an der die Wegberech-nungen vorgenommen werden können (Abb. 6.11).

Für die Überführung der XML-Waypointbeschreibung in eine Matrix zur Berechnung des Weges werden die Elemente <LWPName> und <VerbundenMit> benötigt. Bei der Grobplanung des Weges ist nur der Name des globalen Wegpunktes von Bedeu-tung. Dieser ist in der Bezeichnung des LWPs integriert. Dabei bestimmt


81

<LWPName> die Zeile und aus dem Element <VerbundenMit> ergibt sich die Spalte. Erst bei der Feinplanung ist eine Auswertung der lokalen Waypoints erforderlich.

LWPAnzahlLWPAnzahl

GWPAufbauGWPAufbau

VerbindungExternVerbindungExtern -VerbundenMitVerbundenMit

+LWPNameLWPName WP02.0

WP03.1

VerbindungExternEigenVerbindungExternEigen +

…

…

LWPLWP -

VerbindungExternEigenVerbindungExternEigenVerbindungExternVerbindungExtern -



WP01.0

+

…

…

LWPLWP --

2

GWP01 GWP02 GWP03 ···

GW

P01

GW

P02

GW

P03

···

LWPAnzahlLWPAnzahl

GWPAufbauGWPAufbau

VerbindungExternVerbindungExtern --VerbundenMitVerbundenMit

++LWPNameLWPName WP02.0

WP03.1

VerbindungExternEigenVerbindungExternEigen ++

…

…

LWPLWP --

VerbindungExternEigenVerbindungExternEigenVerbindungExternVerbindungExtern --



WP01.0

++

…

…

LWPLWP ----

2

GWP01 GWP02 GWP03 ···

GW

P01

GW

P02

GW

P03

···

Abb. 6.11: Überführung der Waypointbeschreibung in eine Matrix zur Wegberechnung

Die eigentliche Wegplanung läuft in fünf Schritten ab.


82

6.3.3 Schritt 1: Grobplanung des Weges

Im ersten Schritt findet eine Grobplanung des Weges statt. Dazu werden mit Hilfe eines Wegfindungsalgorithmus für Graphen anhand der Waypointmatrix die kürzes-ten Wege zwischen den globalen Waypoints ermittelt. Dieser Vorgang kann bei einer großen Matrix sehr rechenintensiv werden. Die Informatik stellt deshalb für diese Aufgabe verschiedene Algorithmen zur Verfügung, mit denen sich die Wegsuche auch in großen Matrizen schnell erledigen lässt. Hier seien vor allem die Algorithmen von Dijkstra und Bellman-Ford erwähnt.

Der Algorithmus von Dijkstra (nach seinem Erfinder Edsger Dijkstra) dient der Be-rechnung eines kürzesten Pfades zwischen zwei Knoten in einem zusammenhän-genden kantengewichteten Graphen [Dijk-59, Corm-01].

Der Bellman-Ford-Algorithmus ist ein modifizierter Dijkstra-Algorithmus, der ebenfalls zur Bestimmung der kürzesten Pfade in einem Graphen dient. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Algorithmen besteht darin, dass der Algorithmus von Bellman und Ford auch mit negativen Kantenbewertungen zu Recht kommt [Bell-58, Ford-56, Corm-01].

Daneben können aber auch genetische Algorithmen angewandt werden, die die evo-lutionären Mechanismen der Natur nachbilden. Ihre Funktionsweise besteht darin, aus einer Menge von Anfangslösungen innerhalb einer Population durch eine Zu-sammenführung bereits existierender Lösungen bessere, aber auch schlechtere Lö-sungen zu generieren (Rekombination). Die schlechteren Lösungen werden aus der Lösungsmenge aussortiert und durch bessere Varianten ersetzt. Dies wird über meh-rere Iterationsstufen wiederholt, bis keine deutlichen Verbesserungen mehr erzielt werden. Mit Hilfe der Methode der Mutation wird dafür gesorgt, dass ein genetischer Algorithmus während der Rekombination keine identischen Lösungen produziert. Bei der Mutation wird eine zufällige Veränderung in die rekombinierte Lösung integriert [Heis-94, Kinn-94].

Für die Realisierung des Fahrzeugsteuerungskonzeptes wurde der Dijkstra-Algorithmus aufgrund seiner Einfachheit und der trotzdem hohen Leistungsfähigkeit ausgewählt.

Das folgende Beispiel [Ottm-02, Rask-03] erläutert die Funktionsweise des Dijkstra-Algorithmus. Dazu werden von einem Startkonten (Knoten 1) aus die kürzesten We-


83

ge zu allen anderen Knoten berechnet. Die Idee besteht darin, von einem Startkno-ten aus einen Teilgraphen wachsen zu lassen, der erst nur wenige Knoten und am Ende alle Knoten des Ausgangsgraphen umfasst. Das Ergebnis ist eine Liste mit den jeweils kürzesten Wegen von einem Startpunkt aus zu den restlichen Punkten des Graphen bzw. des Wegsystems.

Dabei lassen sich die Knoten zu jedem Zeitpunkt in drei Klassen einteilen:

Grüne Knoten sind bereits besucht worden, d. h. ihre Entfernung zum Aus-gangsknoten ist schon bestimmt worden (gewählte Knoten).

Rote Knoten befinden sich am Rand des Teilgraphen. Sie sind über mindes-tens eine Kante mit einem Knoten verbunden, der nicht grün ist. Von einem roten Punkt aus beginnt der nächste Schritt der Wegplanung (Randknoten).

Schwarze Knoten sind noch nicht in den Teilgraphen aufgenommen worden. Sie sind noch nicht untersucht worden (unerreichter Knoten).

Genauso lassen sich drei Arten von Kanten unterscheiden:

Grüne Kanten sind Kanten, die zu einem kürzesten Weg im Teilgraphen gehö-ren.

Rote Kanten sind bereits in den Teilgraphen aufgenommen worden. Sie gehö-ren zum Betrachtungszeitpunkt nicht zu einem der kürzesten Wege.

Schwarze Kanten sind die noch nicht untersuchten Kanten des Ausgangsgra-phen.

Zu Beginn wird der Graph initialisiert: Dazu werden alle Kanten und Knoten schwarz eingefärbt. Der Startknoten (Knoten 1) wird mit rot markiert (Abb. 6.12).


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3 1

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6

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z Besuchter Knoten; Entfernung zum Ausgangsknoten ist bestimmt(grüner Knoten)

yRandknoten; von diesem Knoten aus beginnt der nächste Schritt der Wegplanung (roter Knoten)

xUnerreichter Knoten; er wurde noch nicht in die Wegsuche aufgenommen(schwarzer Knoten)

Kante, die bereits untersucht wurde und zum Betrachtungszeitpunkt nicht zu einem der kürzesten Wege gehört(rote Kante)

Kante, die zum kürzesten Weg im Teilgraphen gehört (grüne Kante)

Kante, die noch nicht untersucht wurde(schwarze Kante)

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2

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3 1

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6

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Abb. 6.12: Schritt 1: Initialisierter Graph mit Startmarkierung (Knoten 1)

Anschließend wird der Startknoten grün gefärbt. Seine schwarzen Nachbarn 2, 6 und 7 werden rot gefärbt. Sie befinden sich jetzt am Rand des untersuchten Teilgraphen. Der Knoten 1 ist als einziger Knoten im Innern des Teilgraphen. Die zu den Knoten 2, 6 und 7 führenden Kanten werden grün, da es die kürzesten Wege zu ihnen sind (Abb. 6.13).

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3 1

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Abb. 6.13: Schritt 2: Der momentan kürzeste Weg von 1 nach 7 hat die Länge 15


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Der Knoten 2 ist der Randknoten mit dem minimalen Abstand zum Knoten 1, darum geht bei ihm die Wegsuche weiter. Dazu wird er grün eingefärbt. Gleichzeitig werden seine Nachbarnknoten 3 und 7 rot. Die Kante zum Knoten 3 wird grün, da sie auf dem bislang kürzesten Weg von 1 nach 3 liegt. Die Kante von Knoten 2 zum Knoten 7 wird ebenfalls grün, da der neue Weg von 1 nach 7 über 2 eine Länge von 2 + 6 = 8 aufweist. Die bisher kürzeste Verbindung von 1 nach 7 war jedoch 15 lang und damit länger als die neue von Verbindung von 1 nach 7 über 2. Darum wird die Verbindung 1 nach 7 gelöscht und von grün nach rot eingefärbt (Abb. 6.14).

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2

4

615

215

2

1

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3 1

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Abb. 6.14: Schritt 3: Neuester kürzester Weg von 1 nach 7 hat die Länge 8


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Als nächstes werden wieder die Entfernungen vom Startpunkt (Knoten 1) zu den ak-tuellen Randknoten des Teilgraphen miteinander verglichen. Dabei ist die Distanz von 1 nach 3 am geringsten. Deshalb geht hier die Wegsuche weiter, d. h. Knoten 3 wird grün und Knoten 4 und 9 rot eingefärbt (Abb. 6.15).

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2

4

615

215

2

1

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3 1

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Abb. 6.15: Schritt 4: Entfernung von 1 nach 3 ist am geringsten

Der Vergleich der Distanzen zu den Randknoten (rot) zeigt, dass die Entfernung zu den Knoten 4 und 7 (jeweils Länge 8) am kürzesten sind. Nun muss der Zufall ent-scheiden, wo es weiter geht. In diesem Fall ist es der Knoten 4. Damit wird der Kno-ten 4 grün und die Knoten 5 und 9 rot. Da der Knoten 9 erneut erreicht wird, muss die bisherige Entfernung zum Knoten 1 (Länge 21) mit der neuen Entfernung über den Knoten 4 (Länge 9) verglichen werden. Da diese kürzer ist, wird die Kante von Knoten 4 nach Knoten 9 grün und die Kante von Knoten 3 nach Knoten 9 rot (Abb. 6.16).


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2

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2

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3 1

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6

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Abb. 6.16: Schritt 4: Entfernungen von 1 nach 4 und von 1 nach 7 sind gleich lang; Zufall muss entscheiden, wo es weitergeht (z. B. Knoten 4)

Aus dem Vergleich der Entfernungen zu den Randknoten ergibt sich, dass die Weg-suche bei dem Knoten 7 weiter gehen muss. Eine Wiederholung des in den vorheri-gen Schritten beschriebenen Vorgangs führt zu folgendem Schlussschritt, bei dem der letzte verbleibende Randknoten 8 abschließend grün eingefärbt wird. Da nun keine roten Nachbarknoten mehr vorhanden sind, ist die Wegsuche beendet (Abb. 6.17).


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2

1

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Abb. 6.17: Schlussschritt: Der Schlussgraph zeigt die jeweils kürzesten Wege vom Startknoten 1 zu den anderen Knoten

Die kürzesten Entfernungen von Knoten 1 zu allen anderen Knoten lassen sich leicht aus dem Schlussgraphen in Abbildung (Abb. 6.17) ablesen. Will man z. B. von Punkt 1 zu Punkt 9, ist der kürzeste Weg: 1 – 2 – 3 – 4 – 9

Im nächsten Schritt bei der Feinplanung und bei der Reservierung des Weges sollten aber dem Fahrzeug mehr als nur eine Alternative zur Verfügung stehen. Dazu wer-den nacheinander bestimmte Knoten, die zu dem kürzesten Weg gehören, entfernt und die Wegberechnung wiederholt. Dabei ist es sinnvoll, gerade bei größeren Lay-outs mit vielen Wegpunkten, die Anzahl der Berechnungszyklen zu begrenzen.

Nach der Grobplanung steht eine Liste mit den kürzesten Wegen zur Verfügung, über die man von einem Startpunkt aus (aktuelle Position des Fahrzeuges) den Ziel-punkt erreichen kann. Diese Wege sind Folgen von globalen Waypoints, die durch-fahren werden müssen. Ein Beispiel für einen gefunden Weg nach der Grobplanung zeigt Abb. 6.18.


89

Beispiel für die Wegplanung nach der Grobplanung:

Fahre GWP02 – Fahre GWP03 – Fahre GWP05

GWP03

GWP05

GWP02 GWP04GWP03

GWP05

GWP02 GWP04

Abb. 6.18: Grobplanung des Weges (nur globale Waypoints GWPs)

Der nächste Schritt der Wegplanung ist für die Feinplanung des Weges zuständig. Bei dieser wird ermittelt, welche lokalen Waypoints passiert werden müssen.

6.3.4 Schritt 2: Feinplanung des Weges

Nach der Grobplanung des Weges findet eine Feinplanung statt. Dazu analysiert das Fahrzeug die Eigenschaften der Waypoints dahingehend, welche lokalen Waypoints passiert werden müssen, um zu einem neuen globalen Waypoint zu kommen. Diese Informationen sind in dem Element <GWPAufbau> und in seinen Unterelementen hinterlegt.

Nach der Feinplanung sind in einem Weg auch die lokalen Waypoints eingefügt. Um bei der Analogie aus dem Kapitel 6.1 zu bleiben, sind in dem geplanten Weg alle Straßenschilder aufgeführt, die das Fahrzeug vorbeifahren muss.


90

Beispiel für die Wegplanung nach dem Schritt der Feinplanung:

Fahre WP02.0 – Fahre WP02.1 – Fahre WP03.0 – Fahre WP03.2 –Fahre WP05.0

WP02.1

WP03.2

WP03.1

WP05.0

WP02.0 WP04.0

WP03.0

WP02.1

WP03.2

WP03.1

WP05.0

WP02.0 WP04.0

WP03.0

Abb. 6.19: Feinplanung des Weges mit eingefügten lokalen Waypoints

6.3.5 Schritt 3: Schaltanweisungen generieren

Der Schritt 3 untersucht die internen Verbindungen zwischen den lokalen Waypoints desselben globalen Waypoints. In dem Element <VerbindungInternEigen>, einem Unterelement des Elementes <LWP>, ist der interne Aufbau des Waypoints hinter-legt. Bei der Wegplanung wird hier überprüft, ob die interne Verbindung zwischen den lokalen Waypoints schaltbar ist, wie es z. B. bei aktiven Wegmodulen (Weichen oder Hängekrane) der Fall ist. In Abb. 6.20 ist der globale Waypoint GWP02 aus dem obigen Wegbeispiel (Abb. 6.19) dargestellt. Dieser besitzt eine feste, nicht schaltbare Verbindung zwischen seinen zwei lokalen Waypoints. Somit braucht hier keine Schaltanweisung generiert werden.


91

VerbindungInternVerbindungIntern -VerbundenMitVerbundenMit


WP02.1

VerbindungInternEigenVerbindungInternEigen…

…

LWPLWP -

SchaltbarSchaltbar FALSE

…

…

Waypoints WP02.0 und WP02.1 sindfest miteinander verbunden=> Keine Schaltanweisung nötig

-

VerbindungInternVerbindungIntern --VerbundenMitVerbundenMit


WP02.1

VerbindungInternEigenVerbindungInternEigen…

…

LWPLWP --

SchaltbarSchaltbar FALSE

…

…

Waypoints WP02.0 und WP02.1 sindfest miteinander verbunden=> Keine Schaltanweisung nötig

--

Abb. 6.20: Überprüfung der internen Verbindung auf Schaltbarkeit – Keine schaltbare Verbindung (GWP02)

Anders verhält es sich bei dem globalen Waypoint GWP03 (Abb. 6.21). Dieser bildet eine Weiche ab. Hier muss vor dem Überfahren des Waypoints erst eine bestimmte interne Verbindung hergestellt werden, z. B. zwischen WP03.0 und WP03.2. Die ent-sprechende Schaltanweisung lässt sich auf das Schalten eines lokalen Waypoints reduzieren, wenn die Schaltanweisung eindeutig ist. Würde man z. B. in diesem Bei-spiel WP03.0 schalten, wäre dies nicht eindeutig, da von diesem lokalen Waypoint mehrere interne Verbindungen weggehen. Es wäre nicht klar, ob die Verbindung zu WP03.1 oder zu WP03.2 gemeint wäre. Wiederum wäre ein Schaltbefehl für WP03.2 für das Herstellen der Verbindung zwischen WP03.0 und WP03.2 eindeutig, da ein Schalten von WP03.2 eine implizite Verbindung zu WP03.0 nach sich zieht.

So werden in Schritt 3 die erforderlichen Schaltanweisungen identifiziert und in den bereits berechneten Weg integriert. Diese Schaltanweisungen werden in einem spä-teren Schritt für die Generierung von entsprechenden Reservierungsmeldungen be-nötigt (siehe Kap. 6.3.7).

Beispiel für die Wegplanung nach dem Einfügen von Schaltanweisungen:

Fahre WP02.0 – Fahre WP02.1 – Schalte WP03.2 – Fahre WP03.0 – Fahre WP03.2 – Fahre WP05.0


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VerbindungInternVerbindungIntern -



WP03.2


…

…

LWPLWP

SchaltbarSchaltbar TRUE

…

…

Waypoints WP03.0 und WP03.2 sind übereine schaltbare Verbindung miteinander verbunden=> Schaltanweisung muss eingefügt werden

-

VerbindungInternVerbindungIntern -VerbundenMitVerbundenMit WP03.1

VerbindungInternEigenVerbindungInternEigenSchaltbarSchaltbar TRUE

…

…-

-


LWPLWP



…

…-

-


LWPLWP



…

…-

-

LWPAnzahlLWPAnzahl 3

GWPAufbauGWPAufbau -

VerbindungInternVerbindungIntern --



WP03.2


…

…

LWPLWP

SchaltbarSchaltbar TRUE

…

…

Waypoints WP03.0 und WP03.2 sind übereine schaltbare Verbindung miteinander verbunden=> Schaltanweisung muss eingefügt werden

--

VerbindungInternVerbindungIntern --VerbundenMitVerbundenMit WP03.1


…

…--

--


LWPLWP



…

…-

-++LWPNameLWPName WP03.1

LWPLWP



…

…--

--


LWPLWP



…

…-

-++LWPNameLWPName WP03.2

LWPLWP



…

…--

--

LWPAnzahlLWPAnzahl 3LWPAnzahlLWPAnzahl 3

GWPAufbauGWPAufbau -GWPAufbauGWPAufbau --

Abb. 6.21: Schaltbarkeit einer internen Verbindung – Beispiel Weiche (GWP03)


93

6.3.6 Schritt 4: Richtungswechsel einfügen

Das entwickelte Fahrzeugsteuerungskonzept erlaubt es grundsätzlich, Strecken in beide Fahrtrichtungen zu befahren. Somit ist es möglich Wege zu benutzen, bei de-nen Änderungen der Fahrtrichtung nötig sind. Dies kann z. B. bei Weichen oder Hängekranen der Fall sein.

WP03.0WP03.2

WP03.1

WP03.0WP03.2

WP03.1

Abb. 6.22: Lokale Waypoints an einer Weiche

Ein Fahrzeug, das von dem Waypoint 03.2 zu dem Waypoint 03.1 fahren möchte, muss dazu am Waypoint 03.0 einen Wechsel der Fahrtrichtung vornehmen (Abb. 6.22). Der Schritt 4 identifiziert diese Richtungswechsel und fügt sie in den ge-planten Weg ein. Dazu muss das Fahrzeug wissen, zu welcher Gruppe ein lokaler Waypoint gehört. Hierzu werden die Informationen in dem Element <LWPGruppen-Typ> ausgewertet (vgl. Abb. 6.23).

Betritt z. B. das Fahrzeug den globalen Waypoint über einen lokalen Waypoint der Verbindungsgruppe „Output“ (<LWPGruppentyp>Output</LWPGruppentyp>) und will diesen wieder über einen anderen lokalen Waypoint der selben Gruppe verlassen, ist dazu ein Richtungswechsel an einem lokalen Waypoint der anderen Gruppe „Input“ erforderlich. Die Bezeichnungen „Input“ und „Output“ sind dabei rein relativ zu sehen. Es ist auch möglich, mehrere Gruppen zu definieren. Bei der Einteilung der lokalen Waypoints in bestimmte Gruppen ist lediglich darauf zu achten, dass lokale Way-points, zwischen denen ein Richtungswechsel nötig ist, der gleichen Gruppe angehö-ren.


94

GWPAufbauGWPAufbau

LWPNameLWPName WP03.0

LWPGruppentypLWPGruppentyp Input

…

…LWPLWP -



LWPGruppentypLWPGruppentyp Output

…

…LWPLWP -



…

…LWPLWP -

-GWPAufbauGWPAufbau


LWPGruppentypLWPGruppentyp Input

…

…LWPLWP --




…

…LWPLWP --



…

…LWPLWP --

--

Abb. 6.23: Auszug aus der Waypointbeschreibung einer Weiche

Um in Abb. 6.24 von WP05.0 zu WP04.0 zu gelangen, muss an WP03.0 ein Rich-tungswechsel vollzogen werden.

Der Fahrweg lautet dazu:

Fahre WP05.0 – Schalte WP03.2 – Fahre WP03.2 – Fahre WP03.0 –Schalte WP03.1 – Richtungswechsel – Fahre WP03.0 – Fahre WP03.1 –Fahre WP04.0


95

WP02.1

WP03.2

WP03.1

WP05.0

WP02.0 WP04.0

WP03.0

WP02.1

WP03.2

WP03.1

WP05.0

WP02.0 WP04.0

WP03.0

Abb. 6.24: Richtungswechsel am Waypoint 3.0

6.3.7 Schritt 5: Reservierbarkeit überprüfen

Nachdem das Fahrzeug eine Liste von möglichen Wegen vom Start- bis zum Ziel-punkt berechnet hat, überprüft es diese, beginnend mit dem Kürzesten, auf Reser-vierbarkeit. Dabei müssen folgende Reservierungsregeln eingehalten werden:

Ein Weg muss von der aktuellen Position des Fahrzeuges bis zum ersten Teil-ziel komplett reserviert werden.

Mit dieser Regel werden Staus durch eine zu hohe Fahrzeugdichte an Start- und Zielpunkten vermieden. Dies ist zwar mit dem Nachteil verbunden, dass bei langen Wegen weit entfernte Streckenabschnitte reserviert werden und so andere Fahrzeuge in ihrer Wegplanung und Auswahl eingeschränkt werden. Aber bei einer abschnittsweisen, fortlaufenden Reservierung des Weges be-steht das viel größere Problem, dass zu viele Fahrzeuge in einen bestimmten Bereich hineinfahren könnten und sich dann dort gegenseitig blockieren wür-den. Diese Staus sind bei einer dezentralen Wegplanung nur schwer zu ver-meiden bzw. rechtzeitig vorherzusagen. Die täglichen Verkehrsstaus der Auto-fahrer sind hierfür ein Beispiel. Je näher der Stau am gewünschten Zielort ist und je kurzfristiger ein Autofahrer über diesen informiert wird, desto weniger Alternativen hat er, diesen z. B. durch Ausweichrouten oder veränderte Ab-fahrtszeiten zu vermeiden.

Wenn aber die komplette Strecke vor dem Losfahren reserviert wird, ist ge-währleistet, dass das Fahrzeug seinen Auftrag in der berechneten Fahrtzeit erfüllen kann. Diese Regel stellt somit eine sinnvolle Vereinfachung für eine dezentrale Wegplanung dar. Eine Optimierungsmöglichkeit besteht darin, die Gültigkeit der Reservierungseinträge zeitlich zu begrenzen.


96

Reservierte Wege dürfen von fremden Fahrzeugen in Fahrtrichtung der ersten Reservierung mitbenutzt werden. Die entgegengesetzte Fahrtrichtung ist für sie aber gesperrt.

So ist es möglich, dass mehrere Fahrzeuge ganze Strecken oder auch nur Abschnitte in gleicher Fahrtrichtung mitbenutzen dürfen. Dies erhöht die An-zahl der planbaren Wege.

Sobald das Fahrzeug einen neuen globalen Waypoint passiert hat, muss es die Reservierungen für den zurückgelegten Weg aufheben. Es dürfen nur ei-gene Reservierungen storniert werden.

Mit dieser Regel wird erreicht, dass Reservierungen nur so kurz wie nötig gel-ten.

Globale Wegpunkte, die aktive Wegmodule wie z. B. Weichen, Hängekrane, Drehscheiben usw. darstellen, werden nicht vorreserviert, sondern bekommen ihren Schaltauftrag und damit ihre Reservierung erst, wenn das Fahrzeug sie erreicht hat.

Die Schaltaufträge werden in Form von Reservierungseinträgen an den ent-sprechenden Waypoints vorgenommen.

Strecken dürfen nicht reserviert werden, wenn dabei die vorgeschriebene ma-ximale Streckenkapazität überschritten wird. Wurde die Streckenkapazität z. B. aufgrund von Staus überschritten, muss das zuletzt eingefahrene Fahr-zeug die Strecke sofort wieder auf direktem Weg verlassen.

Diese aufgeführten Regeln haben ihre Gültigkeit und ihre Vorteile in verschiedenen materialflusstechnischen Simulationen gezeigt.

Kann eine von den genannten Reservierungsregeln nicht eingehalten werden, wählt das Fahrzeug den nächsten, kürzeren Weg aus der Wegeliste aus und überprüft die-sen.

6.4 Zusammenfassung Fahrzeugsteuerungskonzept

97

6.3.8 Zurückschreiben der Waypointmatrix

Lässt sich ein Weg komplett reservieren, werden von dem Fahrzeug die entspre-chenden Reservierungseinträge mit Hilfe von <DoReservation> - Nachrichten in der Waypointmatrix vorgenommen. Das Aufheben von Reservierungen geschieht mit <CancelReservation>. Für beide Vorgänge muss das Fahrzeug über einen Token verfügen.


Das in dieser Arbeit entwickelte Fahrzeugsteuerungs- und Kommunikationskonzept auf Basis einer Waypointmatrix erfüllt die Anforderungen hinsichtlich der geforderten Wandelbarkeit.

Dieses Konzept bietet eine sehr hohe Layoutflexibilität. Informationen über den phy-sischen Streckenverlauf sind an nur einem Ort, der Waypointmatrix, steuerungstech-nisch hinterlegt. Dort lassen sich Veränderungen in der Topologie schnell und ein-fach vornehmen. Selbst bei nicht vorgeplanten Veränderungen des Wegsystems müssen die Fahrzeugsteuerungen nicht umprogrammiert werden, da die Transport-fahrzeuge alle benötigten Informationen für eine dezentrale Wegplanung aus der Waypointmatrix beziehen.

Ebenso zeichnet sich dieses Konzept durch eine hohe Ausfallsicherheit aus. Fallen aufgrund von Störungen Streckenabschnitte aus, sind die Fahrzeuge in der Lage, sich selbstständig Alternativrouten zu suchen, ohne dass diese vorher festgelegt werden müssen.

Ferner erlaubt das entwickelte Konzept eine hohe Durchsatzflexibilität. Das Hinzufü-gen von Fahrzeugen ist ohne Softwareänderungen jederzeit möglich, da die Fahr-zeuge nicht direkt miteinander kommunizieren, sondern über die Reservierungsein-träge in der Waypointmatrix erfahren, ob Strecken frei oder von anderen Teilnehmern belegt sind. Dies erlaubt ebenso ein Befahren der Wege in beide Fahrtrichtungen, um z. B. durch eine kurze Rückwärtsfahrt den schnellsten Weg zu nehmen. Die Fahrzeuge reservieren nur eine gewünschte Fahrtrichtung, ohne die komplette Stre-cke für andere zu sperren. Nachfolgende Fahrzeuge können so die Teilstrecken in gleicher Fahrtrichtung mitbenutzen.


98

Die Wegplanung wird grundsätzlich dezentral von der Fahrzeugsteuerung übernom-men. Das Fahrzeug operiert dabei selbstständig nach eigenen Strategien. Die Way-pointmatrix ermöglicht es aber auch, die Fahrzeuge nach globalen Strategien fahren zu lassen, indem das Materialflusssystem durch ein zusätzliches Modul in Form ei-nes Verkehrsleitsystems erweitert wird. Dieses Modul analysiert und beobachtet pa-rallel zu den Fahrzeugen den aktuellen Zustand des Materialflusssystems in der Waypointmatrix. Registriert es z. B. das Bilden von Staus an bestimmten Orten oder zu gewissen Zeiten, kann es eingreifen, indem es die Waypointmatrix umschreibt, um so z. B. die Streckenkapazität auf diesen Abschnitten anzupassen. So lassen sich globale Materialflussstrategien, wie zum Beispiel das Benutzen bestimmter Aus-weichrouten zu gewissen Zeiten, einfach durch das Hinzufügen eines weiteren Mo-duls und ohne Eingriff in die Steuerungen bestehender Module realisieren. Sollte ei-ne Optimierung des Materialflusses allein durch Anpassung der Waypointmatrix nicht mehr ausreichend sein, kann das Modul den Planer darauf aufmerksam machen und zum Beispiel das Installieren von neuen Ausweichrouten empfehlen.

Selbst Fahrzeuge mit unterschiedlichen Strategien und Fähigkeiten können neben-einander in dem gleichen System operieren. Dies wird zum einen durch die funkti-onsorientierte Modularisierung und zum anderen durch die Waypointmatrix ermög-licht. Möchte z. B. ein Fahrzeug eine bestimmte Strecke befahren und diese somit für andere Fahrzeuge sperren, wird dies in der Waypointmatrix in dem Eigenschaftsfeld des entsprechenden Streckenabschnittes vermerkt. Das Fahrzeug muss also nicht jedes weitere Fahrzeug direkt über seine Absichten informieren, sondern kann dies für alle über die Waypointmatrix erledigen und damit auch unbekannte Teilnehmer erreichen.

Dieses Steuerungskonzept für dezentral gesteuerte autonome Fördermittel ist erwei-terungs- und integrationsfähig und erfüllt damit die wichtigen Leitmotive für ein wan-delbares automatisiertes Materialflusssystem. Es ist sowohl für Elektohängekran-/Hängebahnsysteme als auch für Fahrerlose Transportsysteme anwendbar. Durch die strikte funktionsorientierte Modularisierung und die klar gezogenen Systemgren-zen mit ihren standardisierten mechatronischen Schnittstellen werden außerdem un-erwünschte redundante Steuerungsvorgänge bzw. Datenhaltung vermieden.

In diesem Konzept wird die Funktionalität eines Materialflussrechners auf das Verge-ben von Transportaufträgen beschränkt. Aufgaben wie die Wegplanung und Stau-verhinderung, die üblicherweise nach dem VDMA-Ebenenmodell von der Sub-


99

systemsteuerung zentral gelöst werden [VDMA-15276], werden hier dezentral von den Fahrzeugen übernommen.

101

7 Verifikation und Realisierung

7.1 Materialflusssimulation

Der Aufwand für die Generierung von Simulationsmodellen für dezentral gesteuerte Materialflusssysteme ist trotz moderner Simulationssoftware sehr hoch. Ein Zugriff auf Standardbibliotheken ist nur im begrenzten Umfang möglich, da die dezentral ge-steuerten Materialflussmodule über individuelle Steuerungsprogramme verfügen und sich in Funktionalität und Leistungsfähigkeit stark voneinander unterscheiden kön-nen. Wichtige Bestandteile des entwickelten Steuerungskonzeptes sind die Kommu-nikationsprozesse der Fahrzeuge (Streckenreservierungen, Eintragen der Fahrzeug-position) mit der Waypointmatrix. Die Modellierung dieser Abläufe ist aber mit kom-merziellen Simulationstools nicht möglich. Aus diesen Gründen wurde ein eigenes Simulationstool für die Simulation einer dezentralen Fahrzeugsteuerung auf Basis einer Waypointmatrix entwickelt. Dieses verfügt über einen Editor, mit dem das Lay-out eines Materialflusssystems schnell und einfach in Form einer Waypointmatrix ab-gebildet werden kann. Des Weiteren ist es möglich, verschiedene Aufnahme- und Abgabeplätze zu definieren und über beliebige Auftragslisten miteinander zu verket-ten. Die Fahraufträge werden über Anfrage-Angebots-Verhandlungen an eine ein-stellbare Anzahl von Fahrzeugen vergeben. Um das Verhalten des Materialflusssys-tems bei Streckenausfällen zu untersuchen, können zeitlich begrenzte Sperrungen von Wegpunkten und Strecken festgelegt werden. Ein Visualisierungstool stellt die Reservierungen und Fahrwege der Fahrzeuge graphisch dar.

Mit diesem Simulationstool wurden materialflusstechnische Simulationen an einem Beispielszenario durchgeführt, um das Fahrzeugsteuerungskonzept hinsichtlich Wandelbarkeit, Leistungsfähigkeit und Robustheit zu verifizieren.

Das Szenario besteht aus dem Layout eines Fahrerlosen Transportsystems in einer Getränkeabfüllanlage, das auf einen Betrieb von bis zu sieben Fahrzeugen ausgelegt ist. Abb. 7.1 zeigt den Streckenverlauf mit dreizehn definierten Übergabeplätzen, die sowohl Waren annehmen als auch abgeben können.


102

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP: Übergabeplatz

ÜP

ÜP

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ÜP: Übergabeplatz

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

Abb. 7.1: Layout eines Fahrerlosen Transportsystems

Im Vordergrund stand bei der Simulation des Materialflusses die Frage, nach welcher Zeit eine komplette Auftragsliste in Abhängigkeit von der Anzahl der Fahrzeuge unter Verwendung des in dieser Arbeit entwickelten Steuerungskonzeptes abgearbeitet wird. Dazu wurden die Transportaufträge auf die Übergabeplätze verteilt und zu un-terschiedlichen Zeiten an die Fahrzeuge vergeben.

Die Simulationsergebnisse sind in Abb. 7.2 abgebildet. Auf der y-Achse ist die ge-samte Auftragsbearbeitungszeit, nach der die komplette Auftragsliste abgearbeitet worden ist, aufgetragen. Diese wird auf der x-Achse in Relation zu der Anzahl der eingesetzten Fahrzeuge gestellt.


103

Gesamte Auftragsbearbeitungszeit für eine Auftragsliste

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Anzahl Fahrzeuge

Auftr

agsb

earb

eitu

ngsz

eit [

Zeits

chri

tte]

Intelligente Wegplanung auf Basis der Waypointmatrix

Betriebspunkt

Abb. 7.2: Simulationsergebnis: Dezentrale Wegplanung (Waypointmatrix) in Abhängigkeit der Anzahl der Fahrzeuge

Wie das Diagramm zeigt, nimmt die gesamte Auftragsbearbeitungszeit bis zum opti-malen wirtschaftlichen Betriebspunkt von sechs Fahrzeugen stark ab. Wird das Sys-tem mit einer größeren als der optimalen Anzahl betrieben, bleibt die gesamte Auf-tragsbearbeitungszeit annähernd gleich. Dieses Ergebnis bestätigt die Wirksamkeit der in Kapitel 6.3.7 definierten Reservierungsregeln. Selbst wenn das System über der optimalen Anzahl von Fahrzeugen betrieben wird, treten keine Staus, Blockie-rungen oder Leistungseinbußen auf. Der Kerngedanke der Reservierungsstrategie besteht darin, dass ein Fahrzeug vor dem Losfahren die komplette Strecke von der aktuellen Position bis zum ersten Zielort vorreserviert und während der Fahrt zurück-gelegte Streckenabschnitte wieder freigibt. Dabei wird den Reservierungen ein gro-ber Zeitrahmen mitgegeben. Zwar schreiben die bereits reservierten Streckenab-schnitte den anderen Fahrzeugen eine bestimmte Fahrtrichtung vor und schränken diese damit ein, den physisch kürzesten Weg (u. U. entgegen einer allgemeinen Fahrtrichtung) nehmen zu können. Je mehr Reservierungen vorliegen, desto geringer


104

ist die Anzahl der Möglichkeiten, den Weg frei wählen zu können. Dieses Vorreser-vieren der gesamten Strecke wird aber benötigt, um zu verhindern, dass an Zielpunk-ten die Fahrzeugdichte unerwartet hoch wird und es so zu Staus kommen könnte.

Das Waypoint-Steuerungskonzept ermöglicht den Fahrzeugen beide Fahrtrichtungen zu verwenden, falls dies in der Waypointmatrix in den Eigenschaftsfeldern festgehal-ten ist. Diese Fähigkeit spielt während des Normalbetriebes nur eine eher unterge-ordnete Rolle, da üblicherweise das Layout eines Materialflusssystems auf eine be-stimmte Materialflussrichtung ausgelegt wird. In Produktionssystemen ist diese Rich-tung an die Reihenfolge der Produktionsschritte angepasst. Nur bei nicht ein-geplanten Nachbearbeitungsschritten ist es u. U. nötig, entgegen der üblichen Mate-rialflussrichtung zu fördern. Da Richtungswechsel aber zusätzlich Zeit kosten, ist es sinnvoll, auch bei einem Materialflusssystem, das auf Basis einer Waypointmatrix dezentral gesteuert wird, eine einheitliche Fahrtrichtung vorzugeben, um so die ma-ximale Förderleistung des gesamten Systems zu erreichen. Somit würde sich die Förderleistung eines dezentral gesteuerten Systems nicht von der eines konventio-nell gesteuerten Systems unterscheiden.

Anders sieht es aus, wenn aufgrund von Störungen oder Ausfällen Sackgassen im System entstehen. Hier kommt die Fähigkeit zum Tragen, in beide Richtungen fahren zu können. Mit Hilfe von Richtungswechseln ist es dann möglich, Alternativrouten zu der gestörten Strecke zu wählen. Bei solchen Fehlersituationen zeigt sich die Leis-tungsfähigkeit und Robustheit von dezentral gesteuerten Systemen. Um diese zu verdeutlichen, wurden im Folgenden vier verschiedene Ausfälle, jeweils für sich allei-ne bzw. ein gemeinsamer Totalausfall der markierten Streckenabschnitte, simuliert (Abb. 7.3). Die Ausfallorte bilden Weichen und Strecken, die während des Normalbe-triebes oft passiert werden.


105

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP: Übergabeplatz

Ausfall-szenario 1

Ausfall-szenario 2

ÜP

ÜP

Ausfallszenarien3 und 4

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ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

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ÜP

ÜP

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ÜPÜP

ÜPÜP

ÜPÜP

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ÜP: Übergabeplatz

Ausfall-szenario 1

Ausfall-szenario 2

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

ÜP

Ausfallszenarien3 und 4

Abb. 7.3: Ausfallorte

Bei konventionellen Steuerungskonzepten zieht der Ausfall von Weichen oder Stre-ckenabschnitten aufgrund von defekten Fahrzeugen oft einen Totalausfall des Ge-samtsystems nach sich. Dies ist nur durch explizite Ausfallstrategien zu vermeiden, was aber meist nur in einem sehr begrenzten Umfang möglich ist. Ein funktionsorien-tiertes modulares Materialflusssystem, das auf Basis der Waypointmatrix gesteuert wird, kann hingegen, trotz Teilausfällen von Strecken oder Übergabeplätzen, noch weiterarbeiten. Zwar müssen Leistungseinbußen hingenommen werden, aber selbst bei einem gleichzeitigen Ausfall von vier verschiedenen Streckenabschnitten bzw. Punkten können Transportvorgänge noch weiter stattfinden. Hier zeigen sich klar die Vorteile eines dezentral gesteuerten modularen Materialflusssystems (Abb. 7.4).


106

Gesamte Auftragsbearbeitungszeit für eine Auftragslistemit Ausfällen

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Anzahl Fahrzeuge

Auftr

agsb

earb

eitu

ngsz

eit

[Zei

tsch

ritte

]

Intelligente Wegplanung auf Basis der Waypointmatrix (ohne Ausfälle)

Ausfallszenario 1 (Strecke)

Ausfallszenario 2 (Weiche)

Alle vier Ausfallszenarien gleichzeitig

Abb. 7.4: Simulationsergebnisse bei verschiedenen Ausfallszenarios

Diese Simulationsergebnisse lassen das Potenzial des Steuerungskonzeptes schon bei sehr einfachen Fahrstrategien erkennen.

7.2 Umsetzung

107

7.2 Umsetzung

7.2.1 Technik von Elektrohängebahn-/Hängekransystemen

Hängebahnen sind nach [VDI-2345] zwangsgeführte Transportsysteme mit einzeln angetriebenen, flurfrei angeordneten Fahrzeugen. Sie sind geeignet, verschiedene Quellpunkte mit verschiedenen Zielpunkten zu verbinden, wobei die Fahrschiene über mehrere Transportebenen den jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann. Elektrohängebahnen lassen sich bei jedem Hersteller aus Baukasten- und Baureihenprogrammen aus den nachfolgenden, wesentlichen Komponenten zusam-mensetzen:

Die Fahrschiene ist zunächst die Komponente, die die verschiedenen Ziel-punkte verbindet. Sie besteht aus unterschiedlichen, geraden oder kurvenför-migen Profilen und wird meist horizontal oder mit geringen Steigungen verlegt. (Vertikalgängige Hängebahnen stellen hier die Ausnahme dar.) Man unter-scheidet Profile hinsichtlich der möglichen Fahrzeuganbindung in Innen-, Au-ßen- und Oberläufer [VDI-3643], ohne und mit Schleifleitungen. Für den Auf-bau einer Hängekrananlage werden darüber hinaus Verzweigungen, Weichen, Drehscheiben oder Kreuzungen vorgesehen. Alternativ zur Schleifleitung kön-nen auch berührungslose Formen der Energie- und Informationsübertragung (induktiv) eingesetzt werden, um den Verschleiß zu reduzieren.

Umsetzeinrichtungen, Etagenförderer oder Hub-/Senkstationen haben die Aufgabe, eine gesamte Laufschiene oder einen Lasttisch auf verschiedene Ebenen zu versetzen, um so die Elektrohängebahnebene mit der Produkti-onsebene zu verbinden. Man unterscheidet Ein- und Zweisäulengeräte. Meist sind sie am Boden stehend, da flurfreie Ausführungen mächtige Deckenkon-struktionen erfordern würden. Die Hubbewegung ist außerdem über Schienen, Seilverspannungen, Teleskop- oder Scherensysteme zwangsgeführt und wird in der oberen und unteren Endlage gegen Anschläge verfahren. Als Trage-element kommen Gurte, Ketten oder Seile in Frage. Stand der Technik sind bei den meisten Herstellern kundenindividuelle Ausführungen: Beispielsweise gibt es unterschiedlichste Vorschriften der Automobilhersteller, die bis hin zur Vorgabe verschiedener Einzelteile und Steuerungen gehen. Die Steuerung


108

der Hubstation ist dabei sowohl mit der Sicherheitstechnik, die den Zugriff durch Personen regelt, als auch mit der Steuerung der angrenzenden Schie-nenelemente direkt gekoppelt.

Die Elektrohängebahnfahrzeuge bestehen aus einem Reibradantrieb und ei-nem angehängten Trageteil, an dem das Lastaufnahmemittel angebracht ist. Die Fahrzeuge werden meist mit berührungslosen Auffahrsicherungen (Initia-toren, Lichttaster, Ultraschallsensoren) ausgestattet und verfügen über eine eigene Steuerung. Die Fahrzeugsteuerung beinhaltet im Wesentlichen die An-steuerung der Antriebseinheit, die Überwachung des Motors, die Überwa-chung weiterer elektrischer Komponenten und die Auffahrsicherung. Norma-lerweise verfügen Elektrohängebahnfahrzeuge über kein Hubwerk, da die An-zahl der Übergabestellen im Verhältnis zur Anzahl der Fahrzeuge gering ist und der Lastübergabevorgang deshalb mit den Vertikal-Umsetzeinrichtungen oder Hubstationen bewerkstelligt wird.

In Abhängigkeit von der Anlagenautomatisierung kommen verschiedene ma-nuelle oder automatische Lastaufnahmeeinrichtungen in Frage. Meist handelt es sich um speziell angefertigte Vorrichtungen. Der Lastübergabevorgang be-einflusst maßgeblich die Förderleistung des Systems. Es wird deswegen empfohlen, Lastübergabevorgänge aus dem eigentlichen Materialfluss hinaus auf Parallelstrecken zu verlegen.

Zuletzt stellt die Steuerung von Elektrohängebahnen eine immer wichtigere Komponente dar. Die Steuerung geschieht entweder manuell über mitfahren-de Steuerschalter oder automatisch. Eine automatische Steuerung ist dabei meist so aufgebaut, dass vor einem Verzweigungselement oder Entschei-dungspunkt ein Zielkennzeichen für die Fahrsteuerung abgefragt und entwe-der über eine zentrale oder dezentrale Steuerung koordiniert wird, welcher Fahrweg geschaltet bzw. freigegeben wird [VDI-2339]. Das mitgeführte Ziel-kennzeichen kann beispielsweise ein natürliches Merkmal (Form oder Ge-wicht), ein mechanisches Merkmal (Schalter oder Nocke), ein optisches Merkmal (Strichcode) oder ein elektronisches Merkmal (Transponder) sein. Erforderliche Steuerungsbefehle werden entweder über Schleifleitung oder kontaktlos über Funk, induktiv oder Infrarot übertragen.

Je nach Funktion, Größe oder geforderter Sicherheit werden Elektrohänge-bahnen in Blockstrecken unterteilt, durch die jeweils immer nur ein Fahrzeug

7.2 Umsetzung

109

fahren darf. Eingesetzt werden auch spezielle Schaltungen aufeinander fol-gender Stromschienensegmente (Z-Sprung), so dass das vorausfahrende Fahrzeug das nachfolgende stoppt [VDI-4422].

Ein Elektrohängebahnsystem (EHB-System) ist ein universell einsetzbares Förder-system. Fahrgeschwindigkeiten von 3 m/s erlauben eine effiziente Überbrückung großer Distanzen und hohe Durchsätze [Feck-02]. Mit Hilfe von zahlreichen Verzwei-gungs- und Zusammenführungselementen (Drehscheiben, Kreuzungen, Zwei-/Dreiwegeweichen etc.) sowie Vertikal-Umsetzeinrichtungen, Hubstationen oder Hubwerken (an den Katzen) können umfangreiche Fördersysteme realisiert werden. Oft werden sie als Teilezuführsystem für Produktionssysteme, insbesondere in der Automobilindustrie, verwendet. Ebenso können sie auch für zum Teil komplexe Auf-gaben im innerbetrieblichen Materialfluss eingesetzt werden. Beispiele sind im Cate-ring-Bereich von Flughäfen oder in Vorzonen von Hochregallagern zu finden.

Des Weiteren besteht die Möglichkeit Elektrohängebahnbereiche mit Hängekransys-temen zu koppeln, um damit eine flächendeckende Versorgung zu ermöglichen.

Hängekrane hängen im Gegensatz zu Brückenkranen unterhalb der Lauf-schiene. Dies vergrößert den Arbeitsbereich, da die Laufkatze auch unterhalb der Schiene des Hängekrans operieren kann. Außerdem ist ein Überwechseln der Laufkatze auf weitere Hängekrane oder angeschlossene Elektrohänge-bahnbereiche möglich.

7.2.2 Funktionsorientierte Modularisierung an einer Elektrohänge-bahn-/Hängekrananlage

Eine Elektrohängebahn-/Hängekrananlage, die nach dem Konzept der funktionsori-entierten Modularisierung gestaltet ist, besteht grundsätzlich aus folgenden Material-flussmodulen:

Materialflussrechner als Schnittstelle zwischen Prozessplanung und Material-flusssystem

Autonome, dezentral gesteuerte Transportfahrzeuge

Wegsysteme in Form von Schienensystemen (z. B. für EHB) oder Fahrbahn-markierungen (z. B. für FTS)


110

Positioniersysteme (z. B. auf Basis von RFID)

Übergabeplätze, als Verbindungselemente zwischen Materialflusssystem und Produktionsressourcen

Die Aufgabe des Materialflussrechners besteht im Gegensatz zu konventionellen zentral gesteuerten Materialflusssystemen nur noch darin, als Schnittstelle zwischen Produktionsprozessplanungs- und –steuerungssystemen zu fungieren. Er leitet aus den Fertigungsaufträgen einzelne Transportfahraufträge ab, die er (u. U. priorisiert) an alle freien Transportfahrzeuge sendet. Diese berechnen selbstständig, wie viel Zeit sie für einen Fahrauftrag benötigen und geben ein entsprechendes Angebot ab. Der Materialflussrechner sammelt alle Angebote und teilt die Aufträge den besten Angeboten zu. Seine einzige Funktionalität besteht in der Generierung und Zuteilung von Fahraufträgen. Aufgaben wie die Wegberechnung, die Wegreservierung, die Stauvermeidung und das Schalten von Wegelementen (z. B. Weichen) werden de-zentral und selbstständig von den Materialflussmodulen übernommen. Ein überge-ordnetes Leitsystem ist damit nicht mehr erforderlich.

Die Fahrzeuge in solch einem System stellen autonome, dezentral gesteuerte Modu-le dar. Sie bestehen aus mehreren Elementen, wie z. B. dem Antrieb, dem Hubwerk und der Wegerfassung (Tab. 7.1). Diese Elemente bilden zusammengeschaltet das autonome Modul Fahrzeug. Die Eigenschaften, Fähigkeiten und Schnittstellen dieses Moduls entstehen aus der Synthese der Eigenschaften, Fähigkeiten und Schnittstel-len der Elemente. Zusammen ermöglichen sie dem Modul Fahrzeug seine Funktion, Güter von A nach B zu transportieren, zu erfüllen. Des Weiteren gehört zu dem Mo-dul Fahrzeug auch ein Element Lastaufnahmemittel. Abhängig von dem allgemeinen Materialflussszenario ist es sinnvoll, dieses ebenso modular und austauschbar zu gestalten. Dabei gilt es aber im engeren Sinne nicht als funktionsorientiertes Modul, da die Funktionalität des Lastaufnahmemittels, das Aufnehmen und Abgeben von Gütern, sehr stark mit dem technischen Aufbau und den Gegebenheiten des Fahr-zeuges verknüpft ist. So kann z. B. für das selbstständige Ausrichten des Lastauf-nahmemittels eine Seilaufhängung benötigt werden, die ein freies Verdrehen des Lastaufnahmemittels zulässt. Oder die Antriebe des Fahrzeuges müssen bestimmte Positionsgenauigkeiten erfüllen. Diese Überlegungen führen dazu, ein Lastaufnah-memittel nicht als eigenständiges, funktionsorientiertes Modul zu klassifizieren, son-dern als Element zu bezeichnen. Somit muss das Lastaufnahmenmittel nicht über

7.2 Umsetzung

111

eine XML-Schnittstelle verfügen und kann direkt mit der Fahrzeugsteuerung verbun-den werden.

Tab. 7.1: Beispiel für die Modularisierung einer EHB-Anlage

Modularer Aufbau des Wegsystems (Bsp.: Elektrohängebahn/Hängekrananlage)

Elemente des Moduls „Fahrzeug“ (Bsp.: EHB-Fahrzeug)

Aktive Module Passive Elemente

Fahrwerk (Antrieb, Brem-sen, Räder, Fahrgestell, Energiezuführung)

Lastaufnahmemittel

Hubwerk

Sicherheitseinrichtungen (Kollisionsschutz, Lastab-sturz)

Kommunikationsbaustein

Wegmesssystem

…

Verzweigungen:

o Weichen

o Drehscheiben

o Hängekrane

o Kreuzungen

Vertikale Umsetzeinrich-tungen (Etagenförderer, Hub-/ Senkstationen

Fahrschienen (Kurven/Geraden)

Befestigungen

Tragwerk

Das Wegsystem setzt sich aus passiven Elementen und aktiven, funktionsorientier-ten Modulen, wie z. B. Weichen, Hängekrane, Drehscheiben etc. zusammen. Aktive Module unterscheiden sich von den passiven Elementen dadurch, dass sie Bewe-gungen bzw. Veränderungen des Fahrweges vornehmen können. Die passiven Ele-mente bilden dagegen nur statische Verbindungen zwischen den aktiven Wegmodu-len.

Ebenso wie die Fahrzeuge und Wegmodule sind die Übergabeplätze und Lagerein-richtungen als funktionsorientierte Module ausgeführt. Auch diese Module sind de-zentral gesteuert und verfügen über eine Kommunikationsschnittstelle auf Basis von XML.


112

7.2.3 Umsetzung der Ergebnisse an einer Versuchsanlage

Die Versuchsanlage wurde im Rahmen des Verbundforschungsprojektes MATVAR (Materialflusssysteme für variable Fertigungssegmente im dynamischen Produkti-onsumfeld) errichtet. Dies geschah in Zusammenarbeit mit den Firmen Mannesmann Dematic AG (heute Demag Cranes and Components GmbH) in Wetter, OBTec Steu-erungstechnik GmbH (heute eingegliedert in die Siemens Dematic AG) in Schechen bei Rosenheim und HBC-radiomatic GmbH in Crailsheim.

Im Zuge des Sonderforschungsbereiches 582, Teilprojekt M2, wurde das komplette Steuerungssystem der Versuchsanlage im Sinne einer funktionsorientierten Modul-arisierung neu gestaltet und die Elektrohängebahnfahrzeuge mit zusätzlicher Senso-rik ausgestattet. Die prototypenhafte Umsetzung, der in dieser Arbeit entwickelten Steuerungskonzepte, erlaubte eine praxisnahe Erprobung während des Lösungspro-zesses und dient zur Demonstration der Ergebnisse.

Gesamtaufbau des flurfreien Fördersystems

Die Versuchsanlage besteht aus den folgenden funktionsorientiert gestalteten Mate-rialflussmodulen (Abb. 7.5):

Einem Hängebahnbereich, der als Ringbahn (KBK II R5 Profil mit innen lie-gender Schleifleitung) mit Ausweichstrecke ausgeführt ist. Dieser kann in bei-de Richtungen befahren werden.

Drei unabhängig modular gestalteten Weichen. Diese ermöglichen verschie-dene Fahrwege.

Einem Einträgerhängekran (KBK II R5 Profil mit innen liegender Schleiflei-tung), der mit der Ringbahn verriegelbar ist.

Zwei autonomen dezentral gesteuerten Elektrohängebahnfahrzeugen, die sich beliebig in der Ringbahn bewegen und auch den Einträgerhängekran befahren können. Die Fahrzeuge sind mit einem Zweiseilhubwerk und einem Lastauf-nahmemittel für VDA-KLT-Behälter (600x400) ausgestattet.

Einem Zweiträgerhängekran KBK III mit Schleifleitungen, der mit einer Stich-bahn verriegelt werden kann.

7.2 Umsetzung

113

Einer Zweiträgerkrankatze mit einem Vierseilhubwerk, einem Adapter und ei-nem Lastaufnahmemittel für Großladungsträger (1200x1000).

Manuellen sowie automatischen Lastübergabeplätzen, die als Verbindungs-elemente zwischen Materialflusssystem und Produktionsressourcen fungieren. Im Bereich der Ringbahn wurden drei manuelle und ein automatischer, im Be-reich des Kranfeldes ca. 30 unterschiedliche Übergabeplätze für Klein- oder Großladungsträger eingerichtet.

Einem Materialflussrechner als Schnittstelle zwischen Prozessplanung und Materialflusssystem. Seine Funktionalität besteht nur in der Generierung und Zuteilung von Fahraufträgen. Aufgaben wie die Wegberechnung, die Wegre-servierung, die Stauvermeidung und das Schalten von Wegelementen (z. B. Weichen) werden dezentral und selbstständig von den Materialflussmodulen übernommen. Ebenso dient er als Speicherort für die Waypointmatrix.


114

Abb. 7.5: Versuchsanlage am Lehrstuhl fml

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KB

K II

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7.2 Umsetzung

115

Modul Fahrzeug

Die Anlage verfügt über zwei Elektrohängebahnfahrzeuge zum Transport von stan-dardisierten VDA-KLT-Behältern (Abb. 7.6). Diese Fahrzeuge sind entsprechend dem in dieser Arbeit erläuterten Steuerungs- und Kommunikationskonzept automati-siert. Sie können manuell, teilautomatisiert oder vollautomatisiert betrieben werden.

Die Fahrzeuge erledigen selbstständig und autonom alle Aufgaben, die bei der Ab-wicklung von Transportaufträgen entstehen. Dazu gehören die Fähigkeit zum Aus-handeln von Transportaufträgen und eine eigenständige Wegplanung anhand der Waypointmatrix. Bei diesen Vorgängen ist ein Fahrzeug in der Lage, individuelle Strategien zu verfolgen.

Für das Lasthandling können die Fahrzeuge entweder mit manuellen oder automati-sierten, modular gestalteten Lastaufnahmemitteln zum Transportieren von VDA-KLT-Behältern (600x400) ausgestattet werden.

Abb. 7.6: Elektrohängebahnfahrzeug


116

Die Steuerung des Fahrzeuges erfolgt über eine handelsübliche speicherprogram-mierbare Steuerung (SPS) von der Firma PMA Prozess und Maschinenautomation (PU 104) (Abb. 7.7). Diese besitzt eine CAN- und eine Ethernetschnittstelle. Über den CAN-Bus kommuniziert die Fahrzeugsteuerung ausschließlich mit moduleigenen Komponenten wie dem Wegmesssystem, dem Lastaufnahmemittel und einem Funk-handsteuerschalter (Firma HBC). An die Etherschnittstelle ist über ein zwischenge-schaltetes Hub ein Access Point (Intermec; 11Mbit/s) angeschlossen. Dieser stellt im Sinne des Modularisierungskonzeptes die Kommunikationsschnittstelle zu den ande-ren Modulen dar.

Ethernet(XML/SOAP)

CAN

E/ASerielle

Schnittstelle

FahrzeugsteuerungSPS

Access Point

(WLAN)

EthernetCAN

M

Fahrwerk

M

Hubwerk

Sender/EmpfängerHandsteuerschalter

RFIDLesegerät

Distanzsensor(vorne)

Distanzsensor(hinten)

Hand-steuer-schalter

Modul Fahrzeug

Lastaufnahme-mittel

Wegmesssystem (nur für

Feinpositionierung)

Ethernet(XML/SOAP)

CANEthernet

(XML/SOAP)CAN

E/ASerielle

SchnittstelleE/A

SerielleSchnittstelle

FahrzeugsteuerungSPS

Access Point

(WLAN)

EthernetCAN

M

Fahrwerk

M

Hubwerk


RFIDLesegerät

Distanzsensor(vorne)

Distanzsensor(hinten)


Modul Fahrzeug

Lastaufnahme-mittel


Feinpositionierung)

Abb. 7.7: Steuerungsarchitektur eines Elektrohängebahnfahrzeuges

Des Weiteren sind die Fahrzeuge zur Kollisionsvermeidung vorne und hinten mit Dis-tanzsensoren von der Firma Pepperl und Fuchs ausgerüstet. Der Erfassungsbereich

7.2 Umsetzung

117

dieser Sensoren ist winkelförmig (+/- 40° horizontal) und erlaubt somit auch bei Kur-venfahrten eine sichere Abstandskontrolle.

Zum Auslesen der Waypoints benötigt das EHB-Fahrzeug eine Antenne und ein Transponderlesegerät. Da auf den Transpondern nur eine eindeutige Bezeichnung des Waypoints gespeichert wird, können hier einfache, kostengünstige, passive und mit einem geringen Speicher ausgestattete Tags verwendet werden. Für den Einsatz in der Versuchsanlage wurde deshalb ein RFID-System von der Firma AEG mit der Frequenz 125KHz ausgewählt. Grundsätzlich kommen auch andere RFID-Systeme in Frage. Dabei müssen aber folgende Kriterien berücksichtigt werden:

Die Frequenz muss für metallische Umgebungen geeignet sein, da die Tags auf der Oberfläche der EHB-Schienen installiert werden. Um außerdem mögliche Störungen im Kommunikationssystem zu vermeiden, sollte ebenso auf 2,4 GHz-Systeme ver-zichtet werden, da diese die Frequenz des WLANs mitbenutzen. Ein wichtiges Krite-rium bei der Auswahl des RFID-Systems ist die Auslesegeschwindigkeit. Die Transponder müssen während der Vorbeifahrt zuverlässig ausgelesen werden, d. h. im Normalfall sollten mehrere Lesezyklen erfolgreich abgeschlossen werden, um ei-ne ausreichende Sicherheit zu erhalten. Lesegeräte für passive Transpondersysteme versuchen zyklisch ggf. vorhandene Transponder im ihrem Lesefeld zu identifizieren und auszulesen. Wird im schlechtesten Fall, gerade kurz bevor ein Transponder in das Lesefeld kommt, ein neuer Lesezyklus gestartet, geht fast eine volle Zykluszeit verloren, bevor ein neuer Leseversuch gestartet wird. Sollte der Transponder in die-ser Zeit wieder das Feld verlassen, kann er nicht identifiziert werden.

Prinzipiell gibt es hier drei Möglichkeiten, das Auslesen der Transponder zu verbes-sern:

Einsatz eines RFID-Systems mit hohen Datenübertragungsraten und schnel-lem Ansprechverhalten

Die Vergrößerung des Lesefeldes durch den Einsatz von größeren und leis-tungsfähigeren Antennen. Diese Maßnahme ist aber nur bedingt zu empfehlen, da ein größeres Lesefeld zu einer unschärferen Positionsbestimmung des Transponders führt. Außer-dem muss der Abstand der Transponder vergrößert werden, damit eng ne-beneinander installierte Transponder zum einen ohne Störungen und zum an-deren in der richtigen Reihenfolge ausgelesen werden können.


118

Erhöhung der Anzahl der Antennen am Fahrzeug. Dies bietet sich z. B. an, wenn ein RFID-Tag während der Vorbeifahrt mit zu wenigen erfolgreichen Lesezyklen ausgelesen wird, um die nötige Prozesssi-cherheit zu erhalten. Hier lässt sich die Erfolgswahrscheinlichkeit durch den Einsatz mehrerer Antennen verbessern. Allerdings kann auch bei dieser Vari-ante die oben angesprochene Reihenfolgenproblematik auftreten. Zudem ent-stehen höhere Kosten durch die Zahl der Antennen und der benötigten Lese-geräte. Der Vorteil liegt hier in einer gezielten Vergrößerung des Lesefeldes entlang eines Fahrzeuges.

Abb. 7.8: Transponder an Fahrschiene

Abb. 7.9: RFID-Antenne am Fahrzeug

7.2 Umsetzung

119

Da sich eine Feinpositionierung, wie sie z. B. bei einem Lastwechsel notwendig ist, mit Hilfe von RFID nur bedingt und schwierig realisieren lässt, sind die Fahrzeuge zusätzlich mit einem absoluten Wegmesssystem ausgestattet. Dieses ist in der Ver-suchsanlage in Form eines optischen Messverfahrens nach dem Durchlichtprinzip (WCS-System der Fa. R. Stahl Fördertechnik GmbH [Stah-98]) realisiert. Hier wird an dem Hängekran und der EHB-Schiene eine einspurige Codeschiene mit einer Ab-folge von rechteckigen Löchern und Stegen verlegt, die einen auszuwertenden Code darstellen. Ein Lesekopf kann so bis zu einer Weglänge von über 300m unterschied-lichste Muster erkennen und den exakten Positionswert als Information auf das mo-dulinterne Bussystem ausgeben (Abb. 7.10).

Abb. 7.10: Wegmesssystem nach dem Durchlichtprinzip

Diese Codeschiene muss nur an den Orten, an denen eine Feinpositionierung erfor-derlich ist, angebracht sein. Die Grobpositionierung erfolgt über die Transponder beim Anfahren an die entsprechenden Waypoints. Die erforderliche Millimeterangabe für die Feinpositionierung wird neben der dazugehörigen Waypointbezeichnung im Fahrauftrag übermittelt. Diese Angabe ist entweder mit dem linken oder dem rechten lokalen Waypoint verknüpft. Dies hängt davon ab, aus welcher Fahrtrichtung der Übergabeplatz angefahren wird. Die Positionsangabe muss auf den lokalen Way-point bezogen sein, über den der globale Waypoint betreten wird. Ist keine spezielle Fahrtrichtung in der Waypointmatrix definiert, ist es egal, mit welchen lokalen Way-point die Positionsangabe verbunden ist. Dabei darf sich aber die Millimeterposition


120

nur zwischen den lokalen Waypoints befinden, denn diese bilden die Grenze des globalen Waypoints Abb. 7.11.

ÜP

absolut kodierter Lochstreifen

Lokale Waypoints

ÜP: Übergabeplatz

Globaler Waypoint

ÜP

ÜP

absolut kodierter Lochstreifen

Lokale Waypoints

ÜP: Übergabeplatz

Globaler Waypoint

Abb. 7.11: Lokale Waypoints an einem Übergabeplatz

7.2 Umsetzung

121

Modul Hängekran

Der Einträgerkran bildet wie die Fahrzeuge ein eigenständiges funktionsorientiertes Modul. Seine Funktionalität ist vergleichbar mit der von Weichen. Er stellt Verbindun-gen zwischen lokalen Waypoints her. Dazu kann sich der Kran mit dem Elektrohän-gebahnbereich verriegeln und somit den EHB-Fahrzeugen ein Auffahren ermögli-chen, um sie anschließend zu einer gewünschten Position im Kranfeld zu fahren.

Ethernet(XML/SOAP)

CAN

E/A

KransteuerungSPS

Access Point

(WLAN)

EthernetCAN

M

Fahrwerk



Modul Hängekran


Feinpositionierung)

M

Verriegelung

Ethernet(XML/SOAP)

CANEthernet

(XML/SOAP)CAN

E/A

KransteuerungSPS

Access Point

(WLAN)

EthernetCAN

M

Fahrwerk

M

Fahrwerk



Modul Hängekran


Feinpositionierung)

M

Verriegelung

M

Verriegelung

Abb. 7.12: Steuerungsarchitektur eines Hängekrans


122

Modul Weiche

Der steuerungstechnische Aufbau einer Weiche unterscheidet sich prinzipiell nicht von dem eines Hängekrans (Abb. 7.13). Da Weichen ortsfest sind, ist es hier nicht erforderlich, das Modul mit einem Access Point auszustatten, sondern es kann direkt verkabelt werden.

WeichensteuerungSPS

EthernetCAN



Modul Weiche

Ethernet(XML/SOAP)

CAN

M

StellmotorWeiche

E/A

WeichensteuerungSPS

EthernetCAN



Modul Weiche

Ethernet(XML/SOAP)

CANEthernet

(XML/SOAP)CAN

M

StellmotorWeiche

M

StellmotorWeiche

E/A

Abb. 7.13: Steuerungsarchitektur einer Weiche

7.2 Umsetzung

123

Modul Materialflussrechner

Als Materialflussrechner dient ein handelsüblicher PC, auf dem ein Webserver läuft. Seine Aufgabe besteht in der Generierung und Verteilung von Transportaufträgen und bildet damit die Schnittstelle zwischen dem PPS-System und den dezentral ge-steuerten Fahrzeugen. Die Fahrzeuge melden sich nach erfolgreicher Initialisierung bei ihm an, um Aufträge entgegenzunehmen. Der Materialflussrechner schickt an alle Fahrzeuge Angebotsanfragen für die zu vergebenden Transportaufträge und wertet die abgegebenen Angebote aus. Die Angebote der Fahrzeuge beinhalten die Infor-mation darüber, wie weit sie vom Startort des Auftrages entfernt sind, bzw. wie schnell sie dort sein können. Anschließend teilt der Materialflussrechner den Auftrag dem Fahrzeug mit dem besten Angebot zu. Die kompletten Auftragsverhandlungen laufen über die XML-Schnittstelle ab.

Die Funktionalität des Materialflussrechners beschränkt sich auf das Vergeben von Transportaufträgen. Aufgaben wie die Wegplanung und Stauverhinderung, die übli-cherweise nach dem VDMA-Ebenenmodell von der Subsystemsteuerung zentral ge-löst werden [VDMA-15276], werden dezentral von den Fahrzeugen übernommen.

Neben der Auftragsvergabe dient der Materialflussrechner auch als Speicherort für die Waypointmatrix (siehe Kap. 6.2).


124

Modul Übergabeplatz

Die Übergabeplätze stellen quasi die Schnittstellen des Materialflusssystems zu an-deren Materialflusssystemen bzw. Produktionseinrichtungen dar. Sie sind somit für die Integrationsfähigkeit des Systems verantwortlich. Allen automatischen Plätzen lassen sich dabei Funktionen zuordnen, die sie unabhängig von ihrer Ausführung er-füllen. Dies gilt sowohl für bodengebundene Lagerplätze als auch für Plätze auf För-derern (z. B. Rollenförderer) oder auf angetriebener Lagertechnik. Die Ausführung der dafür benötigten Komponenten kann, je nach Typ des Platzes, variieren. Auf ei-nen Platz wird eine Last aufgenommen oder abgegeben. Aber auch die Kombination beider Vorgänge an einem Platz ist möglich [Bamb-01].

Aus den Anforderungen an die Wandelbarkeit eines Materialflusssystems leiten sich folgende Eigenschaften für die Übergabeplätze ab (Tab. 7.2):

Tab. 7.2: Eigenschaften eines Übergabeplatzes

Eigenschaften eines Übergabeplatzes

Funktionsorientiert modularisiert

Leicht verschiebbar

Universell einsetzbar

Manuelle und automatische Bedienung

Leicht und schnell umrüstbar

Variabilität der Positioniersysteme

Bedienung von oben und den Seiten

Kommunikation auf Basis von SOAP und XML

Identifikation des Fördergutes

7.2 Umsetzung

125

7.2.4 Layoutvorschlag für ein wandelbares Materialflusssystem

Wendet man die entwickelte Gestaltungsmethodik unter Berücksichtigung der ge-nannten Leitmotive auf bestehende flexible Materialflusssysteme an, lassen sich wandelbare automatisierte Systeme für dynamische Produktionssysteme entwerfen. Ein Realisierungsbeispiel hierfür ist eine Kombination aus Hängekran und Elektro-hängebahn (EHB).

Produktionsressourcen

Wandelbare Materialflusssysteme versorgen und verbinden die Produktionsbereiche

Individuell anpassbare und duplizierbareProduktionsbereiche

Hängekran

Elektrohängebahn

Produktionsressourcen

Wandelbare Materialflusssysteme versorgen und verbinden die Produktionsbereiche

Individuell anpassbare und duplizierbareProduktionsbereiche

Hängekran

Elektrohängebahn

Abb. 7.14: Beispielszenario für ein wandelbares Materialflusssystem

Die einzelnen Produktionsbereiche (Abb. 7.14), in denen die Produktionsressourcen stehen, werden von einem Hängekran von oben bedient und nutzen so die Vorteile des flurfreien Materialflusses. Jeder Ort im Produktionsfeld ist erreichbar (Layoutfle-xibilität). Dies ermöglicht ein problemloses Reagieren auf Veränderungen im Materi-alfluss, die durch Umstellen bzw. Hinzufügen von Produktionsressourcen entstehen. Zusätzlich werden keine Flächen durch Transportwege verbraucht. Die räumliche


126

Entkopplung von Materialfluss und Produktion schafft Freiheiten für die Produktions-prozess- und Materialflussplanung. Die einzelnen Produktionsbereiche sind über eine Elektrohängebahn miteinander verbunden. Die EHB-Fahrzeuge fahren mit dem För-dergut auf die Hängekrane und können so individuell jeden Punkt im Produktionsbe-reich bedienen.

Das Materialflusssystem wird auf ein bestimmtes Produktspektrum ausgelegt. Im Rahmen dieses Spektrums ist das System in ausreichendem Maße fördergutflexibel. Bei einem Wechsel des Produktspektrums muss aber bei Bedarf durch geeignete Maßnahmen und neue Konzeptionen eine erweiterbare Fördergutflexibilität gewähr-leistet werden. Im vorliegenden Beispiel legen die Lastaufnahmemittel und die Trag-fähigkeit der Hängekrane hauptsächlich die Fördergutflexibilität fest. Von ihrer kon-struktiven Gestaltung hängt es ab, welches Gewicht und welche Geometrie das För-dergut haben darf. Aus diesem Grund sollten die Lastaufnahmemittel austauschbar gestaltet sein. Aus wirtschaftlichen und aus sicherheitstechnischen Gründen ist es zu empfehlen, standardisierte Transporthilfsmittel einzusetzen.

Die Durchsatzflexibilität ist im EHB-Bereich durch das Hinzufügen weiterer Fahrzeu-ge gewährleistet. Ebenso erlauben die variablen Aufbaumöglichkeiten die Wahl al-ternativer Routen. Dagegen ist im Kranfeld die Durchsatzflexibilität eingeschränkt. Für eine Durchsatzsteigerung bietet sich die Möglichkeit, das Kranfeld um weitere Hängekrane zu erweitern. Zwar bewirkt ein zusätzlicher Kran noch keine Durchsatz-steigerung, da er seriell in das System eingebunden ist. Aber durch ein geschicktes Auftragsmanagement und einer günstigen Anordnung der Fertigungseinrichtungen im Produktionsfeld ließe sich durch Hinzufügen weiterer Hängekrane eine Steigerung des Durchsatzes erreichen. Eine andere Möglichkeit zur Durchsatzsteigerung besteht in der Verwendung von Multiple-Load-Lastaufnahmemitteln, die mehrere Fördergüter auf einmal transportieren können. Ebenso lassen sich durchsatzkritische Bereiche direkt von dem EHB-System versorgen.

7.3 Optimierung

127

7.3 Optimierung

7.3.1 Analysetechnik: Petri-Netz-Theorie

Um aufwendige Materialflusssimulationen bei der Planung des Materialflusslayouts zu vermeiden, lässt sich mit einer einfachen mathematischen Methode überprüfen, ob ein Materialflusslayout für das Waypoint-Steuerungskonzept geeignet ist. Eine Methode hierfür ist z. B. die Petri-Netz-Theorie.

Petri-Netze erlauben es, mit einfachen Grundelementen sequentielle und parallele Abläufe, nicht-deterministisches Verhalten und Konfliktsituationen graphisch darzu-stellen. Eingesetzt wird die Petri-Netz-Theorie vor allem in der Informatik [Reis-91, Schn-92]. Sie lässt sich aber auch dazu anwenden, Materialflusssysteme dahinge-hend zu untersuchen, ob jeder Übergabeplatz (Start bzw. Zielpunkt) erreichbar ist. Ebenso kann sie dabei helfen, Sackgassen in einem System zu identifizieren, die z. B. im laufenden Betrieb durch den Ausfall eines Streckenabschnitts entstehen können. Dazu stellt die Petri-Netz-Theorie Analysetechniken zur Verfügung, mit de-nen Aussagen über ein Modell validiert und verifiziert werden können. So bilden sie bei komplexen Automatisierungssystemen oft die einzige Möglichkeit, gewisse Ei-genschaften des gesteuerten Systems zu berechnen, oder den Nachweis zu erbrin-gen, dass keine unerwünschten Systemzustände auftreten können. Hierin liegt der große Nutzen dieser Theorie. Der Nachweis bzw. den Ausschluss spezieller Netzei-genschaften wie Lebendigkeit, Reversibilität oder Verklemmung (Deadlock) lassen sich mit Methoden der linearen Algebra führen.

Ein Petri-Netz besteht aus den drei Grundelementen Stelle, Transition und Kante. Diese werden mit Eigenschaften wie der Stellenkapazität und dem Kantengewicht versehen. Mit Hilfe von Marken wird der aktuelle Zustand des Prozesses angezeigt. Die folgende Aufzählung erklärt kurz die Elemente und Eigenschaften eines Petri-Netzes und wie diese sich auf ein reales Materialflusssystem übertragen lassen (Abb. 7.15).


128

ÜP

Weichebzw.

GWP02

Weichebzw.

GWP04

Übergabe-platzbzw.

GWP03

Übergabe-platzbzw.

GWP01

Marke (Position des Fahrzeuges bzw. des Fördergutes)

Transition (Übergang von einem Zustand in den nächsten)

Stelle (Repräsentiert die globalen Waypoints; Weiche oder Übergabeplatz)

Kante (Entspricht der Fahrbahn)

ÜP

ÜP

Weichebzw.

GWP02

Weichebzw.

GWP04

Übergabe-platzbzw.

GWP03

Übergabe-platzbzw.

GWP01

Marke (Position des Fahrzeuges bzw. des Fördergutes)

Transition (Übergang von einem Zustand in den nächsten)

Stelle (Repräsentiert die globalen Waypoints; Weiche oder Übergabeplatz)

Kante (Entspricht der Fahrbahn)

Abb. 7.15: Darstellung eines Materialflusssystems als Petri-Netz

Marken: Eine Markierung charakterisiert den Zustand des technischen Prozesses. Die Marken (Punkte) können oft direkt als Werkstücke, Fahrzeuge oder Ströme in-terpretiert werden. Die Marken werden auch als Token bezeichnet.

Stellen: Stellen werden im Graphen des Petri-Netzes als Kreise dargestellt. Sie sym-bolisieren die möglichen Prozesszustände des zu modellierenden technischen Prozesses. Die Stellen, die dem aktuellen Zustand des Systems entsprechen, werden mit einer oder mehreren Marken gekennzeichnet. Der Prozesszustand entscheidet darüber, ob ein bestimmtes Ereignis eintreten kann oder nicht. Stellen lassen sich in einem Materialflusssystem mit Übergabeplätzen oder Weichen, d. h. mit globalen Waypoints vergleichen.

Stellenkapazität: Ist die Kapazität einer Stelle, d. h. das Vermögen, Marken aufzunehmen, be-grenzt, so wird die Maximalzahl aufnehmbarer Marken, die Stellenkapazität, an der betreffenden Stelle vermerkt. Ist keine Angabe der Stellenkapazität

7.3 Optimierung

129

vorhanden, so gilt die Stellenkapazität als unendlich. Die Stellenkapazität ist mit der Aufnahme- und Abgabekapazität eines Übergabeplatzes vergleichbar.

Transitionen: Transitionen werden als Rechtecke oder Balken dargestellt. Sie modellieren Ereignisse in einem technischen Prozess und sorgen für den Übergang von einem Zustand (Stelle) zu einem anderen. Sie werden z. B. geschaltet, wenn ein Fahrzeug einen Waypoint erreicht.

Kanten: Gerichtete Kanten sind die Verbindungslinien zwischen Stellen und Transitio-nen. Sie werden durch einen Pfeil, der die Ablaufrichtung festlegt, dargestellt. Die gerichtete Kante von einer Stelle zu einer Transition wird als Prekante be-zeichnet. Die gerichtete Kante von einer Transition zu einer Stelle wird Post-kante genannt. Kanten sind mit den Wegen bzw. Fahrbahnen in einem Mate-rialflusssystem gleichzusetzen.

Kantengewicht: Das Kantengewicht gibt an, wie viele Marken im Falle eines Schaltens der Transition an der betreffenden Kante erzeugt, bzw. verbraucht werden. Das Kantengewicht wird an der Kante vermerkt. Das Kantengewicht stellt die Ka-pazität einer Strecke dar.

Stellen und Transitionen werden auch Knoten genannt, weil sie Pre- und Postkanten miteinander verknüpfen. Eine wichtige Gestaltungsregel bei Petri-Netzen besagt, dass nur unterschiedliche Knoten miteinander verbunden werden. Das bedeutet, ei-ner Stelle folgt immer eine Transition und einer Transition immer eine Stelle.

Die Petri-Netz-Theorie lässt sich auf die Waypointmatrix übertragen. Dabei werden die globalen Waypoints (GWPs) als Stellen und die Verbindungen zwischen GWPs als Kanten abgebildet.


130

Im Folgenden werden die Netzeigenschaften Lebendigkeit, Reversibilität und Ver-klemmung erläutert und kurz an einem Beispiel gezeigt, welche Systemzustände bzw. Fehler sie in einem Materialflusssystem repräsentieren.

Lebendigkeit (Erreichbarkeit einer Markierung): Ein markiertes Petri-Netz heißt lebendig bezüglich einer Anfangsmarkierung, wenn jede Transition durch endlich viele zulässige Schaltvorgänge aktiviert werden kann. Übertragen auf ein Materialflusssystem bedeutet dies, dass ein Fördergut jeden gewünschten Ort des Materialflusssystems durch eine ent-sprechende Wahl des Weges erreichen kann.

Reversibilität Ein durch ein reversibles Petri-Netz beschriebenes System kann ausgehend von jedem möglichen Zustand wieder in den Anfangszustand überführt wer-den - gleichgültig, welche Schaltvorgänge dazu erforderlich sind. Dies sagt aus, dass Waren wieder an ihren Ausgangspunkt zurückgefördert werden können.

Verklemmung (Deadlock): Eine Verklemmung liegt vor, wenn nach endlich vielen zulässigen Schaltvor-gängen keine Transition mehr existiert, die schalten kann. Dies wäre z. B. bei einer Sackgasse der Fall, aus der man nicht mehr rückwärts herauskommen kann.

Neben der graphischen Darstellung ist ein Petri-Netz auch einer mathematischen Beschreibung zugänglich [Schn-92]. Diese ermöglicht es, das Petri-Netz mit Metho-den der linearen Algebra auf seine Netzeigenschaften zu untersuchen. Die Darstel-lung erfolgt in Form einer so genannten Netzmatrix, die die Verknüpfungen zwischen den Stellen (si) und den Transitionen (ti) eines Petri-Netzes enthält. Dabei sind die Zeilen der Netzmatrix den Stellen und die Spalten den Transitionen zugeordnet. Wie aus Abb. 7.16 hervorgeht, werden Kanten, die von einer Stelle zu einer Transition verlaufen, negativ und die umgekehrt orientierten positiv eingetragen. Ergänzt wird diese Netzmatrix durch den Anfangsmarkierungsvektor m0, der wiedergibt, welche Stellen am Anfang im Petri-Netz markiert sind. Die Markierung m0 wird mathematisch als Vektor dargestellt:

7.3 Optimierung

131

=

=

ist markiert nicht s Stelle die falls 0ist markiert s Stelle die falls 1

s mit s

s m

n

nn

n

1

M

Abb. 7.16: Beispiel eines Petri-Netzes und dessen mathematische Beschreibung (Netzmatrix, Anfangsmarkierung)

Der Zustand des Systems (an welcher Stelle liegt eine Ware), der sich nach dem Schalten einer Transition, d. h. dem Weiterfördern einer Ware ergibt, berechnet sich durch eine vektorielle Addition von der Anfangsmarkierung m0 und des Transitions-vektors tj. Der Transitionsvektor tj wird aus der entsprechenden Spalte der Netzmatrix entnommen wird. (Gleichung 1):

111000006000111005000000114110000003

00111000200000111187654321

−−−

−−

−−−

Transitionen

Ste

llen

Netzmatrix N

001010

0m

Anfangsmarkierungs-vektor m0


132

j0 t m m += (Gleichung 1) Angewandt auf das Beispiel (Abb. 7.16) führt das Schalten der Transition t5 zu der Folgemarkierung m (Gleichung 2), welches dem Transfer einer Marke bzw. Ware von der Stelle S2 auf Stelle S5 entspricht.

=

−

+

=+=

011000

01001

0

001010

tm m 50 (Gleichung 2)

Mit Hilfe der linearen Algebra sind Aussagen über das dynamische Verhalten eines Petri-Netzes möglich. Grundlage für dieses Verfahren ist das so genannte Erreich-barkeitskalkül, welches den Zusammenhang zwischen der Erreichbarkeit einer Mar-kierung und der Lösung eines linearen Gleichungssystems herstellt.

In Anlehnung an Gleichung 2, welche die Folgemarkierung nach dem Schalten einer Transition tj angibt, ergibt sich die Folgemarkierung nach einer Schaltsequenz meh-rerer Transitionen stets durch die Linearkombination

TT22110 tv ... tv tv m m ++++= (Gleichung 3)

bzw. – nach Zusammenfassen der Transitionsvektoren – durch

( )

⋅+=

T

2

1

T210

v

vv

...ttt m mM

(Gleichung 4)

v N m m 0 ⋅+= (Gleichung 5)

7.3 Optimierung

133

Hierin ist N die bereits bekannte Netzmatrix, deren Spalten gerade den Transitions-vektoren entsprechen. Die Komponenten des Vektors v geben die notwendigen Schalthäufigkeiten der betreffenden Transition wieder und sind daher natürliche Zah-len.

Ob nun ein bestimmter Waypoint bzw. Ort in einem Materialflusssystem von einer gewissen Startposition aus, welche durch den Anfangsmarkierungsvektor m0 be-schrieben wird, erreicht werden kann, hängt davon ab, ob die Gleichung 6 für v eine oder mehrere Lösungen besitzt, bei der alle Komponenten vi natürliche Zahlen (Null eingeschlossen) sind.

0m - m vN =⋅ (Gleichung 6)

Wendet man dieses Analyseverfahren auf das Beispiel in Abb. 7.16 an, kann man z. B. schnell und einfach berechnen, dass die Marke (Fahrzeug bzw. Ware) auf der Stelle S4 (Übergabeplatz) nicht die Stelle S5 erreichen kann, da die Verbindung zwi-schen S1 und S5 nur in eine – in diesem Fall in die falsche Fahrtrichtung – befahrbar ist.

Die Petri-Netz-Theorie hilft dabei, die Auswirkungen von Fahrzeug- oder Strecken-ausfällen zu erkennen und ermöglicht damit die Anwendung der im folgenden Kapitel beschriebenen Maßnahmen zur Stauvermeidung und Konfliktauflösung.

7.3.2 Maßnahmen

Dezentral gesteuerte, vor allem schienengeführte, Systeme erkaufen sich ihre Wan-delbarkeit und die Fähigkeit, dass das Materialflusssystem trotz Ausfall von Kompo-nenten noch funktionsfähig bleibt, mit dem Nachteil, dass sie tendenziell eher zum Entstehen von Staus neigen als von einem Leitrechner gesteuerte Systeme. Dies liegt darin, dass im Allgemeinen dezentral gesteuerte autonome Module bei ihren Entscheidungsprozessen, z. B. welchen Weg sie nehmen, nur im begrenzten Maße die Absichten der anderen Systemteilnehmer (Fahrzeuge) berücksichtigen können.

Aus diesem Grunde wird im Folgenden dargestellt, welche Maßnahmen und Strate-gien zur Stauvermeidung in dem hier entwickelten Fahrzeugssteuerungskonzept hin-terlegt sind:


134

Durch die geschickte Wahl des Streckenverlaufes können kritische Punkte, an denen Staus entstehen können, vermieden werden. Obwohl es das Steue-rungskonzept den Fahrzeugen erlaubt, Fahrwege bidirektional zu befahren, ist es zu empfehlen, ringförmige Layouts ohne Sackgassen zu gestalten. Hierzu werden im Kapitel 7.3.1 entsprechende Analyseverfahren erläutert, die bei der Gestaltung eines geeigneten Layouts helfen.

Bei größeren Materialflusssystemen ist es u. U. sinnvoll, das System in Teil-systeme bzw. Teilbereiche zu zerlegen, um die Komplexität bei der Steuerung und der Wegplanung zu reduzieren. Die einzelnen Bereiche sind dann über Bereichswechselpunkte miteinander verbunden. Möchte ein Fahrzeug einen Weg planen, der sich über mehrere Teilbereiche des Gesamtsystems er-streckt, wird der Weg in Teilabschnitte zerlegt, die sich von einem Bereichs-wechselpunkt bis hin zum nächsten erstrecken. So muss das Fahrzeug nur einen Teilweg bis zum nächsten Bereichwechselpunkt planen und reservieren. Am erreichten Bereichwechselpunkt orientiert es sich neu und plant den nächsten Teilabschnitt.

Neuralgische Strecken sollten in der Waypointmatrix nur eine erlaubte Fahrt-richtung zugewiesen bekommen.

Die Waypointmatrix liefert nicht nur ein Abbild des aktuellen Zustandes des Materialflusssystems, sondern bietet in Form der Reservierungseinträge auch einen Blick in die Zukunft. Die Reservierungen ermöglichen den Fahrzeugen grundsätzlich bei der Wahl ihres Weges, die Fahrrouten der anderen Fahr-zeuge zu berücksichtigen. Damit lassen sich Staus, die erst an Zielorten ent-stehen würden, vermeiden. Mit dieser Eigenschaft des Konzeptes wird der Vorteil eines zentral gesteuerten Systems, bei dem der Materialflussrechner alle Fahrzeuge steuert, ausgeglichen.

Des Weiteren sollten so genannte Depotpunkte definiert werden, zu denen ein Fahrzeug fährt, wenn es keinen Auftrag bekommen hat. Dies sorgt dafür, dass Übergabeorte nicht unnötig blockiert werden. Während der Fahrt zu dem De-potpunkt ist das Fahrzeug jederzeit bereit, die Depotfahrt abzubrechen, um einen neuen Transportauftrag anzunehmen.

Daneben zeigen die Simulationsergebnisse (siehe Kap. 7.1), dass die Art, wie ein Zielwaypoint reserviert wird, einen großen Einfluss auf den Durchsatz des Systems

7.3 Optimierung

135

hat. Soll ein Übergabeplatz aus beiden Fahrtrichtungen bedient werden können, ist es sinnvoll, die Kapazität des entsprechenden Waypoints auf kleiner gleich zwei zu beschränken. So gibt es für das Fahrzeug immer mindestens eine Richtung, in der es den Waypoint wieder unbehindert verlassen und erreichen kann (Abb. 7.17).

ÜP

ÜP: Übergabeplatz

Fahrtrichtung

FahrtrichtungFahrtrichtung beide

KapazitätKapazität 2

…

…

VerbindungInternEigenVerbindungInternEigen -

Übergabeplatz soll aus beiden Richtungen angefahren werden können:

Empfohlene Einstellung in der Waypoinmatrix:

ÜP

ÜP

ÜP: Übergabeplatz

Fahrtrichtung

FahrtrichtungFahrtrichtung beide

KapazitätKapazität 2

…

…

VerbindungInternEigenVerbindungInternEigen -FahrtrichtungFahrtrichtung beideFahrtrichtungFahrtrichtung beide

KapazitätKapazität 2KapazitätKapazität 2

……

……

VerbindungInternEigenVerbindungInternEigen -VerbindungInternEigenVerbindungInternEigen --

Übergabeplatz soll aus beiden Richtungen angefahren werden können:

Empfohlene Einstellung in der Waypoinmatrix:

Abb. 7.17: Waypointeinstellungen für einen Übergabeplatz, der aus beiden Richtungen bedient werden kann

Sind mehrere Übergabeplätze hintereinander in einem Ausweichgleis angeordnet (z. B. auf eine Abführstrecke folgt eine Zuführstrecke), muss in der Waypointmatrix, bei den entsprechenden Waypoints, eine einheitliche Fahrtrichtung vorgegeben sein, da es hier sonst zu temporären Blockierungen kommen kann. Gleichzeitig kann eine sehr hohe Umschlagleistung an den Übergabeplätzen erreicht werden, indem die Streckenkapazität erhöht wird (≥ 2) und sich so die Fahrzeuge vor den Übergabe-plätzen hintereinander einreihen können (Abb. 7.18).


136

ÜP

ÜP: Übergabeplatz

Fahrtrichtung

FahrtrichtungFahrtrichtung Gegen Uhrzeigersinn

KapazitätKapazität xy

…

…

VerbindungInternEigenVerbindungInternEigen -

Mehrere Übergabeplätze befinden sich auf einem Ausweichgleis:

Empfohlene Einstellung in der Waypointmatrix (für alle ÜP):

ÜP

Fahrzeug FahrzeugFahrzeugFahrzeug

ÜP

ÜP

ÜP: Übergabeplatz

Fahrtrichtung

FahrtrichtungFahrtrichtung Gegen Uhrzeigersinn

KapazitätKapazität xyKapazitätKapazität xy

……

……

VerbindungInternEigenVerbindungInternEigen -VerbindungInternEigenVerbindungInternEigen --

Mehrere Übergabeplätze befinden sich auf einem Ausweichgleis:

Empfohlene Einstellung in der Waypointmatrix (für alle ÜP):

ÜP

ÜP


Abb. 7.18: Mehrere Übergabeplätze befinden sich auf einem Ausweichgleis

Die Einstellungen in dem obigen Beispiel garantieren während des normalen Betrie-bes eine bestimmte Leistung. Fällt aber eines der mittleren Fahrzeuge aus, würden die oben gewählten Waypointeinstellungen dazu führen, dass beide Übergabeplätze nicht mehr bedient werden können (Abb. 7.19). So kann das linke Fahrzeug zwar noch den linken Übergabeplatz verlassen, aber das rechte voll funktionsfähige Fahr-zeug kann aufgrund der festgelegten Fahrtrichtungen das Ausweichgleis nicht mehr räumen und blockiert somit die Zufahrt zum rechten Übergabeplatz. Der Ausfall eines mittleren Fahrzeuges sorgt dafür, dass bei einer festgelegten Fahrtrichtung aus dem Ausweichgleis zwei Sackgassen werden, wobei eine nicht mehr befahren und die andere nicht mehr verlasen werden kann.

Dieses Verklemmungsproblem kann mit den in Kapitel 7.3.1 beschriebenen Analy-semethoden der Petri-Netz-Theorie aber leicht identifiziert und anschließend gelöst werden, indem bei einer Blockade die Beschränkung der Fahrtrichtung aufgehoben und die Streckenkapazität auf ein Fahrzeug reduziert wird. Sollten sich nun mehr als ein Fahrzeug auf einem Waypoint befinden, greift eine Reservierungsregel. Alle Fahrzeuge auf dem Waypoint (bis auf das Erste) müssen ihre Fahraufträge abbre-chen und angefangen mit dem letzten Fahrzeug, das den Waypoint betreten hat, diesen sofort wieder verlassen.

7.3 Optimierung

137

ÜP

Fahrtrichtung

Problem: Ausfall eines mittleren Fahrzeuges => Entstehung einer Sackgasse

ÜP

FahrzeugFahrzeug

Übergabeplatz kann aufgrund der definierten Fahrtrichtung nicht mehr erreicht werden

Dieses Fahrzeug kann das Ausweichgleis verlassen

Fahrzeug kann das Ausweichgleis aufgrund der definierten Fahrtrichtung nicht mehr verlassen und blockiert die Zufahrt zum rechten Übergabeplatz

ÜP

ÜP: Übergabeplatz

Fahrtrichtung

Lösung: Streckenkapazität auf ein Fahrzeug reduzieren und beide Fahrtrichtungen freigeben

ÜP


Fahrzeug

Fahrzeug wird blockiert und kann das Ausweich-gleis nicht rückwärts aufgrund der fest-gelegten Fahrtrichtung verlassen

Fahrzeug

Streckenkapazität = 1 => Fahrzeug muss seinen Auftrag abbrechen und den Waypoint sofort verlassen

Fahrzeug darf nun rückwärts die Sackgasse verlassen

Übergabeplatz kann nun von links angefahren werden

ÜP

Fahrtrichtung

Problem: Ausfall eines mittleren Fahrzeuges => Entstehung einer Sackgasse

ÜP

FahrzeugFahrzeug

Übergabeplatz kann aufgrund der definierten Fahrtrichtung nicht mehr erreicht werden

Dieses Fahrzeug kann das Ausweichgleis verlassen

Fahrzeug kann das Ausweichgleis aufgrund der definierten Fahrtrichtung nicht mehr verlassen und blockiert die Zufahrt zum rechten Übergabeplatz

ÜP

ÜP

ÜP: Übergabeplatz

Fahrtrichtung

Lösung: Streckenkapazität auf ein Fahrzeug reduzieren und beide Fahrtrichtungen freigeben

ÜP

ÜP


Fahrzeug

Fahrzeug wird blockiert und kann das Ausweich-gleis nicht rückwärts aufgrund der fest-gelegten Fahrtrichtung verlassen

Fahrzeug

Streckenkapazität = 1 => Fahrzeug muss seinen Auftrag abbrechen und den Waypoint sofort verlassen

Fahrzeug darf nun rückwärts die Sackgasse verlassen

Übergabeplatz kann nun von links angefahren werden

Abb. 7.19: Entstehung einer Sackgasse durch den Ausfall eines Fahrzeuges

Diese Maßnahmen senken zwar die Umschlagleistung an den Übergabeplätzen, da nur noch ein Fahrzeug den Waypoint reservieren kann, aber die Plätze können trotz einer Blockade noch weiter bedient werden.

139

8 Zusammenfassung und Ausblick

8.1 Zusammenfassung der Ergebnisse

Heutzutage werden Materialflusssysteme für kundenindividuelle bzw. dynamische Produktionsstrukturen noch überwiegend mit manuellen Fördermitteln realisiert. Doch neue Lösungskonzepte im Bereich der Materialfluss- und Gerätesteuerung, wie die in dieser Arbeit entwickelte funktionsorientierte Modularisierung, bieten in den nächsten Jahren eine Möglichkeit, wandelbare und automatisierte Materialflusssysteme einzu-setzen. Diese wandelbaren Materialflusssysteme besitzen in Ergänzung zur Flexibili-tät, die als Möglichkeit zur Veränderung in vorgehaltenen Dimensionen bezeichnet werden kann, zusätzlich die Eigenschaft, auf ungeplante und nicht vorgedachte Er-eignisse reagieren zu können.

Autonome, dezentral gesteuerte Module mit standardisierten Schnittstellen im Be-reich des physischen und des informationstechnischen Materialflusses bilden die Grundlage für die Realisierung eines kostengünstigen, effektiven, zuverlässigen und wandelbaren Gesamtsystems. Bei der Gestaltung dieser Module wurde in der vorlie-genden Arbeit ein konsequenter, dezentraler Modularisierungsansatz gewählt, der nicht nur die mechanische Seite berücksichtigt, sondern auch auf energetischer und steuerungstechnischer Seite autonome und eigenintelligente Komponenten vorsieht. Mit dieser funktionsorientierten Modularisierung wird das Materialflusssystem aus mechatronischen Modulen aufgebaut, deren Modulgrenzen entsprechend der Funkti-onalität gezogen und die nach dem Konzept der verteilten Automatisierung automati-siert sind.

Alle Teilnehmer des Systems wie Krane, Katzen bzw. EHB-Fahrzeuge, Weichen und Übergabeplätze stellen autonome mechatronische Module dar, deren gesamte Funk-tionalität in Form von Mechanik, Energie und Steuerung zu einer mechatronischen Funktionseinheit vereinigt wird.

Das Konzept verfolgt den Grundsatz, dass Module dezentral gesteuert werden, aber über eine gemeinsame durchgängige Kommunikationsschicht miteinander verbunden sind. Die Daten werden dezentral erzeugt, lassen sich immer einem Modul zuordnen und sind jederzeit für alle zugängig. Dies vermeidet eine unerwünschte redundante Datenhaltung. Der verfolgte Lösungsansatz beschränkt die Funktionalität eines Mate-


140

rialflussrechners auf das Vergeben von Transportaufträgen. Aufgaben wie die Weg-planung und Stauverhinderung, die üblicherweise zentral gelöst werden, werden hier dezentral von den Fahrzeugen übernommen. Die Arbeit leistet damit einen Beitrag zum Vollzug eines Paradigmenwechsel von der Fremd- zur Selbststeuerung der lo-gistischen Prozesse.

Wandelbare modularisierte Materialflusssysteme benötigen offene, leistungsfähige und erweiterbare Kommunikationsschnittstellen. Die Analyse bestehender Kommuni-kationstechnologien zeigt, dass eine Kommunikation auf Basis von Ethernet, XML und SOAP einen sehr guten Lösungsansatz sowohl für die horizontale Kommunikati-on zwischen den Modulsteuerungen als auch für die vertikale Kommunikation zur Anbindung an PPS und ERP-Systeme darstellt. Mit diesem Kommunikationskonzept ist es möglich, über XML-Modulbeschreibungen die informationstechnische Ebene einer mechatronischen Schnittstelle so zu gestalten, dass die geforderte Wandelbar-keit erreicht wird.

Unter Berücksichtigung der funktionsorientierten Modularisierung und eines Kommu-nikationskonzepts auf Basis von XML wurde in dieser Arbeit ein Fahrzeugsteue-rungskonzept für autonome dezentral gesteuerte Fördermittel entwickelt. Dieses Steuerungskonzept ist erweiterungs- und integrationsfähig und erfüllt damit zentrale Leitmotive für die Gestaltung eines wandelbaren automatisierten Materialflusssys-tems. Es ist sowohl für Elektrohängebahn-/Hängekransysteme als auch für Fahrerlo-se Transportsysteme anwendbar. Ebenfalls ist es denkbar, dieses Konzept auf Ste-tigförderer zu übertragen. In diesem Fall übernehmen z. B. Softwareagenten die Wegplanung für die einzelnen Behälter. Die berechneten Wege werden dann in eine Waypointmatrix eingetragen. Aus dieser Matrix holen sich die Verzweigungselemente und Förderstrecken die Informationen, wie sie sich stellen müssen, bzw. welche För-derstrecken aktiviert werden.

Des Weiteren zeichnet sich das Steuerungskonzept durch eine sehr hohe Layoutfle-xibilität aus. Informationen über den physischen Streckenverlauf sind nur einem Ort, der Waypointmatrix, steuerungstechnisch hinterlegt. Layoutveränderungen können ohne Programmieraufwand vorgenommen werden. Ebenso bietet das Konzept eine hohe Robustheit gegenüber Störungen. Fallen während des Betriebes unerwartet Streckenabschnitte aus, sind die Fahrzeuge in der Lage, sich selbstständig Alterna-tivrouten zu suchen, ohne dass diese vorher über Ausfallszenarios festgelegt wur-den. Das Hinzufügen von Fahrzeugen ist ohne Softwareänderungen jederzeit mög-

8.2 Ausblick

141

lich, da die Fahrzeuge nicht direkt miteinander kommunizieren, sondern über die Re-servierungseinträge in der Waypointmatrix erfahren, ob Strecken frei oder von ande-ren Teilnehmern belegt sind. Dies ermöglicht eine hohe Durchsatzflexibilität.

Bedingt durch die funktionsorientierte Modularisierung und einer standardisierten er-weiterungsfähigen Kommunikation auf Basis von XML lassen sich Zeitanteile bei der Inbetriebnahme und vor allem beim Umbau des Materialflusssystems deutlich redu-zieren.

Für die Verifizierung des Fahrzeugsteuerungskonzeptes wurden materialflusstechni-sche Simulationen mit Hilfe eines selbst entwickelten Simulationsprogramms an ei-nem Beispielszenario durchgeführt. Diese bestätigen die Wandelbarkeit, Leistungs-fähigkeit und Robustheit eines Fahrzeugsteuerungskonzeptes auf Basis der Way-pointmatrix. Zusätzlich wurde das Steuerungs- und Kommunikationskonzept prototy-penhaft an Elektrohängebahn/Hängekran-Versuchsanlage des Lehrstuhls für Förder-technik Materialfluss Logistik, TU München, umgesetzt.

8.2 Ausblick

Das in dieser Arbeit entwickelte Fahrzeugsteuerungs- und Kommunikationskonzept legt die Grundintelligenz bzw. die Grundfähigkeiten von wandelbaren automatisierten Materialflusssystemen fest. In fortführenden Arbeiten können die Fahrzeug-steuerungen zu lernenden Fahrzeugsteuerungen weiterentwickelt werden. Dazu gilt es, bestehende Konzepte für lernende Steuerungen miteinander zu vergleichen und zu überprüfen, wie sie sich auf die Anforderungen wandelbarer Materialflussmittel anwenden lassen.

Der Einsatz von konsequent dezentral gesteuerten Materialflussmodulen erfordert spezielle Materialflussstrategien für die Abwicklung der innerbetrieblichen Logistik-aufgaben. Diese Materialflussstrategien müssen auch die Fähigkeiten intelligenter, dezentral gesteuerter Materialflussmodule berücksichtigen und unterstützen. Auf-bauend auf den ermittelten Anforderungen an die Wandelbarkeit, der funktionsorien-tierten Modularisierung und einem Steuerungskonzept auf Basis einer Waypoint-matrix können hierfür spezielle Materialflussstrategien entwickelt werden, die sich schnell und flexibel an sich ständig verändernde Logistikprozesse anpassen können. Bei der Konzeption dieser adaptiven Steuerungsstrategien könnten neben klassi-


142

schen Methoden wie KANBAN und CONWIP neue Methoden wie z. B. das Reinfor-cement-Learning, genetische Algorithmen oder neuronale Netze berücksichtigt wer-den.

Im Rahmen des in dieser Arbeit entwickelten Kommunikationskonzeptes erwies sich WLAN als die beste momentan auf dem Markt erhältliche technische Lösung für eine drahtlose Kommunikation zwischen mobilen Materialflussmodulen. Allerdings sollte noch genauer verifiziert werden, inwieweit WLAN die Sicherheits- und Verfügbar-keitsanforderungen für ein industrielles Umfeld erfüllt. Besonderes Augenmerk liegt hier auf den Sicherheitsanforderungen für einen flurfreien automatisierten Material-transport über Personen. Hierfür sei aber auf andere Forschungsprojekte und sich in Bearbeitung befindende Spezifikationen verschiedener Entwickler- und Anwenderor-ganisationen verwiesen [VDI-2185, Günt-02a, Prof-02].

Dynamische Produktionsstrukturen erfordern schnelle Zukunftsprognosen. Zum ei-nen für den operativen Betrieb, um zu ermitteln, wann ein Kundenauftrag fertig ge-stellt wird, und zum anderen für die strategische Planung des Materialflusssystems. Bei einer Erweiterung oder Veränderung des Produktspektrums muss überprüft wer-den, welche Veränderungen im Aufbau und in der Struktur des Materialflusssystems notwendig sind. Bei dieser Entscheidung sind Materialflusssimulationen eine uner-lässliche Entscheidungshilfe. Der Aufwand für die Generierung von Simulationsmo-dellen für wandelbare dezentral gesteuerte Materialflusssysteme ist trotz moderner Simulationssoftware noch hoch. Ein Zugriff auf Standardbibliotheken ist nur im be-grenzten Umfang möglich, da die dezentral gesteuerten Materialflussmodule über individuelle Steuerungsprogramme verfügen und sich in Funktionalität und Leistungs-fähigkeit stark voneinander unterscheiden können. Somit müsste für jedes Material-flussmodul die Steuerungslogik einzeln abgebildet werden. Hier gilt es, entsprechen-de Tools und Verfahren zu entwickeln.

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