Ein Kommunikationssystem für die Zellulare Fördertechnik · Offene Struktur (keine proprietäre Lösung) fml – Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik • Prof. Dr.-Ing

22.02.2011

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fml – Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik • Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner • Technische Universität München

fml - Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss LogistikProf. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner

Technische Universität München

Ein Kommunikationssystem für dieZellulare Fördertechnik

Regionalgruppenveranstaltung

Dipl.-Ing.Peter Tenerowicz

Böblingen, 21.02.2011

2222fml – Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik • Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner • Technische Universität München

Aufgaben• Forschung

• Lehre

• Industrieprojekte

48 Mitarbeiter• 20 Planstellen

• 28 Drittmittelstellen

fml – Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss LogistikProf. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing.Willibald A. Günthner

Campus Garching – Fakultät Maschinenwesen – Lehrstuhl fml

ForschungLehre Industrieprojekte

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Forschungsprofil

Automatisierung & Identifikation

Berechnung & Auslegungsverfahren

Digitale Werkzeuge & Simulation

Methoden & Konzepte

Wandelbare Materialflusssysteme

Internet der Dinge

RFID in der Logistik

Virtual und Augmented Reality

Logistikplanung

Automobillogistik

Baulogistik

Fördermittel der Intralogistik

Lager- & Komissioniersysteme

Kranbau & Tragwerksberechnung

FEM & MKS-Berechnungsverfahren

Schüttgutförderung

Arbeitsgebiete:

Forschungsschwerpunkte:


Forschungsprofil

Lager- & Kommissioniersysteme




Methoden & Konzepte

Arbeitsgebiete:

Forschungsschwerpunkt:

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Forschungsprofil

Logistikplanung




Methoden & Konzepte

Arbeitsgebiete:



Forschungsprofil

Virtual und Augmented Reality




Methoden & Konzepte

Arbeitsgebiete:


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Forschungsprofil

RFID in der Logistik




Methoden & Konzepte

Arbeitsgebiete:



Forschungsprofil

Internet der Dinge




Methoden & Konzepte

Arbeitsgebiete:


22.02.2011

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Arbeitsgebiete:

Forschungsprofil

Wandelbare Materialflusssysteme




Methoden & Konzepte



Agenda

„Zellulare Fördertechnik“

Fahrzeug- und Sensormodelle

Kommunikation im Schwarm

Ausblick und Diskussion

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Herausforderungen für die Intralogistik

Die Märkte ändern sich• Sinkende Produktlebenszyklen

• Steigende Variantenanzahl

• Kaum prognostizierbare Auftragseingänge

• Abnehmende Kundentreue

• Hohe Anforderungen an Qualität, Kosten und Zeit

• Immer komplexere Systeme

Produktion und Logistik müssen dem gerecht werden• Höhere Dynamik

• Höhere Flexibilität

• Höhere Transparenz

• Höhere Robustheit

• Wandlungsfähigkeit


??

Vorbilder aus der Natur

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• Modularisierung, Dezentralisierung

• Verteilung & Senkung von Komplexität

• (Teil-)Autonome Fördertechnik

• Einsatz & Wiederverwendung von Standardkomponenten

• Zahlreiche Forschungs- und Industrieprojekte

Entsprechungen in der Intralogistik

Trends zur Komplexitätsbeherrschung



Eigenschaften einer zellularen Fördertechnik*

* basierend auf „Zellulare Fördertechnik“, M. ten Hompel, Logistics Journal, 2006

Topologieflexibilität

…fordern (Transport-)Dienste an

…führen Verhandlungen/Auktionen durch

…verfolgen ein vorgegebenes Ziel („Mission“)

Objekte bzw. durch sie instanziierte Agenten…

organische WachstumsmöglichkeitenAnalogien zu zellularen Automaten

„Intelligente“ Objekte RFID

Dienste-SetFördertechnikmodule

Domäne

Emergenz

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Forschungsprojekt

fml - Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik

Dortmund

München

„Algorithmen und Kommunikationssysteme für die Zell ulare Fördertechnik“


Forschungsprojekt

Nutzen• Erhöhte Flexibilität und Skalierbarkeit durch kleinskalige Elemente• Hohe Robustheit und gute Wartbarkeit durch redundante Förderelemente • Theoretisch: Quelle-Senke-Verbindung auf kürzestem Weg

Projektziele• Praxisgerechte Algorithmen für fördertechnische Anlagen auf Basis eines

kooperierenden Fahrzeugkollektivs inkl. Simulationsumgebung • Entwicklung eines Kommunikationssystems für den schnellen und

sicheren Datenaustausch zwischen den Einheiten

Vision• Substitution klassischer Stetigfördersysteme durch ein Fahrzeugkollektiv,

welches autonom oder kooperativ logistische Aufgaben erfüllt

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Forschungsprojekt

Logistische Prozesse Eignung ZFT

Kommissionieren -

Fördern ++

Handhaben o

Lagern -

Prüfen o

Puffern +

Sortieren +

Transportieren* -

Verpacken -

Verteilen/Zusammenführen ++

*über weite Strecken

Logistische Prozesse Eignung ZFT

Kommissionieren -

Fördern ++

Handhaben o

Lagern -

Prüfen o

Puffern +

Sortieren +

Transportieren* -

Verpacken -

Verteilen/Zusammenführen ++

*über weite Strecken

in Anlehnung an VDI-Richtlinie 3300

Warenlager

Kommissionierzone

Versand

WareneingangDepalettieren/Umverpacken

Warenausgang

Referenzszenario

• Distributionszentrum

• Bereichsübergreifender Fahrzeugeinsatz

• Fahrzeugschwarm realisiert die Prozesse

• Fördern• Verteilen/Zusammenführen• Puffern• Sortieren


Forschungsprojekt

Menge [KLT]

Zeit

Kapazitätsbetrachtung

Potenzial eines bereichsübergreifenden Einsatzes

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Agenda

Projektdarstellung

Bisherige Ergebnisse

Weiteres Vorgehen und offene Fragen







Player• Device Server für Sensoren und Aktoren

• Hardware-Abstraktionsschicht für Roboter

• Implementiert ein Client-Server-Modell

• Programmiersprachen: C, C++, Python, (Java)

Stage• 2D, Multi-Roboter-Simulator

Gazebo• 3D, Multi-Roboter-Simulator

Hardware-Abstraktion/Simulationsumgebung

PlayerServer

PlayerClientLibrary

C/C++C#JavaTclPythonRubyLispOctave

UserProgram

RobotHardware

StageSimulator

GazeboSimulator

PlayerServer

PlayerServer

Quelle: Player TutorialCenter for Robotics and Embedded Systems

Fahrzeug Hallenwand

Hindernis

Hindernis

Laserscanner

geplante Bahnmit Hüllkurve

Messwerte desLaserscanners

Sensormodelle

physikalisches Fahrzeugmodell

AlgorithmenAlgorithmenAlgorithmenAlgorithmen

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Bahnplanung� Anfahren einer Zielpose

• Berechnung einer geeigneten Kurve

• Kein Ausweichen bei Hindernissen

• Abbruch bei hinreichend kleinem Winkel- und Distanzfehler

Punktsequenzen� Abfahren einer gegebenen Punktsequenz ohne Vorgabe einer Ausrichtung

• Regler für den Winkelfehler

• Regler für den Distanzfehler

• Abbruch bei hinreichender Annäherung an einen Zielpunkt

Quelle: Player/Stage/Gazebo,CS 485/511, Drexel University

Reaktion auf Hindernisse� Kollisionsvermeidung

• Das Fahrzeug ist in Bewegung mit einem aktuellen Bahnradius

• In der Hüllkurve liegt mindestens ein Hindernis

• Es wird zunächst von einem Laserscanner ausgegangen

Algorithmen


Agenda





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Kommunikation• „Kommunikation ist die Aufnahme, der Austausch und die

Übermittlung von Informationen zwischen zwei oder mehreren Personen.“

• Kommunikationsmodell nach Shannon/Weaver

INFORMATIONS-QUELLE

SENDER

NACHRICHT SIGNALEMPFANGENES

SIGNAL

STÖRQUELLE

EMPFÄNGER ZIELPUNKT

NACHRICHT


0

1

Energie

Latenz

DurchsatzSkalierbarkeit

Topologie


Anforderungen

• Steuerung der einzelnen Fahrzeuge benötigt zugeschnittene Informationen

• Informationen werden von einem Kommunikationssystem zur Verfügung gestellt

• Strukturelle Anforderungen: Skalierbarkeit, Topologie, (Energieeffizienz)

• Anforderungen hinsichtlich Durchsatz und Latenz (abhängig von benötigten Daten)

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Weitere Herausforderungen für das Kommunikationssys tem

Kommunikationssystem

Leistungsanforderungen(Durchsatz, Auftragsdurchlaufzeit)

Mobilität der Sende-/ Empfängereinheiten

Wirtschaftlichkeit, Anbieterunabhängigkeit

Industrielles Umfeld

�Störsicherheit, Verfügbarkeitund Zuverlässigkeit

�Koexistenz mit anderen Kommunikationssystemen

�Drahtlose Kommunikation (überwiegend)

�Offene Struktur(keine proprietäre Lösung)


Bisherige Ergebnisse – Kommunikationssystem

Anforderungen

Informationsübertragung

ProtokolleKommunikationstechnologien

Art der benötigten Informationen



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Art der benötigten Informationen – Beispiel FTF

Quelle: VDMA 15276

Information Datentyp Datenmenge

Transportauftrag/-änderung String/Integer 23 Byte

Vollzugsmeldung (positiv oder negativ) Boolean 1 Bit

Transportabbruch Boolean 1 Bit

Meldung „Abbruchart“ Boolean/Integer 1 Bit/1Byte

Betriebsart setzen (an, aus) Boolean 1 Bit

Statusmeldung (warte, beschäftigt etc.) Boolean/Integer 1 Bit/1Byte

Störmeldung (Störung melden, Art der Störung) Boolean/Integer 1 Bit/1Byte

Steuerungsparameter String 4 Byte

Start-/Stoppsignal (z.B. für Antrieb und Lenkung) Boolean 1 Bit

Soll-Wert (z.B. für Antrieb und Lenkung) Integer 1 Byte

Zustandssignal (z.B. für Antrieb und Lenkung) Boolean 1 Bit

Ist-Wert (z.B. für Antrieb und Lenkung) Integer 1 Byte

Freigabe String 10 Byte

Information Datentyp Datenmenge

Transportauftrag/-änderung String/Integer 23 Byte

Vollzugsmeldung (positiv oder negativ) Boolean 1 Bit

Transportabbruch Boolean 1 Bit

Meldung „Abbruchart“ Boolean/Integer 1 Bit/1Byte

Betriebsart setzen (an, aus) Boolean 1 Bit

Statusmeldung (warte, beschäftigt etc.) Boolean/Integer 1 Bit/1Byte

Störmeldung (Störung melden, Art der Störung) Boolean/Integer 1 Bit/1Byte

Steuerungsparameter String 4 Byte

Start-/Stoppsignal (z.B. für Antrieb und Lenkung) Boolean 1 Bit

Soll-Wert (z.B. für Antrieb und Lenkung) Integer 1 Byte

Zustandssignal (z.B. für Antrieb und Lenkung) Boolean 1 Bit

Ist-Wert (z.B. für Antrieb und Lenkung) Integer 1 Byte

Freigabe String 10 Byte

Dezentrale Steuerung (IdD):Zusätzlicher Kommunikationsbedarf für Navigation und Verhandlungen

Dezentrale Steuerung (IdD):Zusätzlicher Kommunikationsbedarf für Navigation und Verhandlungen

• Matrix.xml: 28.377 Byte• Auftrag.xml: 1.296 Byte• Matrix.xml: 28.377 Byte• Auftrag.xml: 1.296 Byte



• Standardvorgehen

1.TE bestimmt den nächsten Workflowschritt

2.TE sucht Module, die diese Funktion anbieten

3.TE fordert von diesen Modulen ein Angebot an

4.TE sucht die günstigste Alternative aus

5.TE lässt sich zum neuen Ziel transportieren

Dezentraler Steuerungsablauf

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− Gesprächspartner muss bekannt sein / gesucht werden

− Datenkonsistenz, Synchronisation schwer zu gewährleisten

− „Globale“ Daten nur über Fluten des Netzwerks

+Komplett dezentral: redundant, robust

+Kommunikationslast auf alle Entitäten gleichmäßig verteilt

Auftrag

Statusmeldung

Peer-to-Peer

AufträgeQuittierungenStatus- und

Fehlermeldungen

+Sender und Empfänger müssen sich nicht kennen

+Datenkonsistenz, Synchronisation implizit gegeben

+Alle Daten zentral verfügbar

− Zentraler Ansatz: Single-Point-of-Failure

− Bottleneck

BlackboardBlackboard

AufträgeQuittierungenStatus- und

Fehlermeldungen

+Sender und Empfänger müssen sich nicht kennen

+Datenkonsistenz, Synchronisation implizit gegeben

+Alle Daten zentral verfügbar

− Zentraler Ansatz: Single-Point-of-Failure

− Bottleneck

Blackboard

Vergleich der Prinzipien Peer-to-Peer und Blackboar d



Kombination der zwei Prinzipien• Peer-to-Peer

• Sender & Empfänger stehen fest

• Daten werden nicht für zentrale Aufgaben (Visualisierung, Optimierung, Systemüberwachung) benötigt

• Z.B. Schaltaufträge, Lastwechselkoordination, Auftragsverhandlungen

• Blackboard• Empfänger unbekannt

• Zentrale Verfügbarkeit der Daten nötig

• Z.B. Topologie, Reservierungen, Status-/Fehlermeldungen, Transportaufträge (Auktion)

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Echtzeitkritisch* Nicht echtzeitkritischB

lack

boar

d(B

B)

- Sensordaten- Navigation- Status-/Fehlermeldungen

- Transportaufträge- Visualisierungsdaten- Datalogging- Topologie- Reservierungen

Pee

r-to

-Pee

r - Kollisionsvermeidung- Lastwechselkoordination- Schaltaufträge

- Auftragsverhandlungen

Informationsklassifizierung

* weiche Echtzeit

Anz

ahl E

mpf

änge

r


Bisherige Ergebnisse – Kommunikationssystem

Anforderungen







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IEEE802.11

IEEE802.15.1

IEEE802.15.4

WLAN Bluetooth ZigBee ZigBee WirelessHART ISA100.11a SRD DECT GSM UMTS

Frequenzband[MHz]

2.400 2.400 868 2.400 2.400 2.400 868 1.900

890-915935-960

1.710-1.785 1.805-1.880

1.920-1.9802.110-2.170

Sendeleistung[mW] 30 100 50 50 10 k. A. > 500 250 1.000-2.000 125-250

Bandbreite[MHz] 22 1 0,3 2 2 2 0,025 1 5

ZugangsverfahrenCSMA/CA TDMA CSMA/CA CSMA/CA TDMA TDMA TDMA WCDMA

Datendurchsatz(nominell/effektiv)[kBit/s]

54.00020.000

700k. A.

20k. A.

250128

250k.A.

k.A.k.A.

1010

1.10032

220 (EDGE)53,6

7.200 (HSDPA)384

parallele Funkstrecken 3 ca. 200 1 16 16 16 10 120

adressierbareTeilnehmer

hersteller-abhängig

7 65.536 65.536unab-hängig

100

Zeit Verbindungs-aufbau [s]

< 1 3 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 3

Eignung mobile Teilnehmer ja ja ja ja ja ja nein ja ja ja

etc. … … … … ... … … … … …

Bisherige Ergebnisse – Datenanalyse & Kommunikations infrastruktur

Funkstandards

WLAN ZigBee ?

Zellulare Fördertechnik

= Indoor-Anwendung

• ausgewählte Standards detailliert hinsichtlich Eignung untersuchen

• für eigenen Anwendungsfall konfigurieren

WirelessHART



Quelle: ZVEI

Koexistenz von Funksystemen in der Automatisierungs technik

• Funkplanung erforderlich

• Drahtlose Kommunikation auf ein sinnvolles Mindestmaß reduzieren

• Funkplanung erforderlich

• Drahtlose Kommunikation auf ein sinnvolles Mindestmaß reduzieren

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- Zentraler Ansatz: Single-Point-of-Failure

- Bottleneck

Weiterentwicklung Blackboard-Prinzip

Problemstellungen Blackboard:

• Dezentralisierung durch den Einsatz mehrerer Blackboards � Redundanz

• „Spezialisierung“ der Blackboards (funktional, räumlich) � geringeres Datenvolumen

• Dezentralisierung durch den Einsatz mehrerer Blackboards � Redundanz

• „Spezialisierung“ der Blackboards (funktional, räumlich) � geringeres Datenvolumen

• zusätzliche Funktionen der Synchronisation (systemweite Datenkonsistenz)

• Entwicklung von Algorithmen zur automatisierten Duplizierung von Daten

• Zugriffs- und Auslastungsstatistik?• zusätzliche Funktionen der Synchronisation (systemweite Datenkonsistenz)

• Entwicklung von Algorithmen zur automatisierten Duplizierung von Daten

• Zugriffs- und Auslastungsstatistik?



Bereich 1

Bereich 2

PositionsdatenBereich 1

Bereich 2

Positionsdaten

Spezialisierte Blackboards

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Lagerverwaltung

Materialflusssteuerung

WMS

Gateway-Agent

Schnittstelle

Anbindung an übergeordnete Systeme

• Zusätzliche Anforderung: Anbindung der Materialflusssteuerung an externe Systeme (z.B. WMS, ERP)

• Blackboard kann als Gateway fungieren



Peer-to-Peer



Softwaredienste

Leitsystem (z.B. WMS, ERP)

Blackboardsystem

Fördertechnikmodul Fördertechnikmodul „Fahrzeug“

interne Kommunikation (Sensorik, Aktorik)

externe Kommunikation (WLAN, ZigBee, WH)

„Intelligente“ Objekte RFID

Agent

auf PC

auf Embedded PC

am Behälter

Identifikation

Peer-to-PeerBlackboard

Aufträge

Fördertechnikmodul Fördertechnikmodul „Peripherie“

drahtlos

drahtlos

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Agenda







• Materialflusssysteme müssen dynamischer, robuster, flexibler und vor allem wandlungsfähig werden

• Das Internet der Dinge ist eine dezentrale, hierarchielose Materialflusssteuerung

• Es besteht aus standardisierten, intelligenten Entitäten

• Der Einsatz von Standardkomponenten ist mit der Umsetzung nicht standardisierbarer Abläufe vereinbar

• Bisher zentral umgesetzte Materialflussstrategien lassen sich auch dezentral umsetzen

• Mobile, autonome Module ersetzen in der Zellularen Fördertechnik starre, ortsfeste Stetigfördersysteme

• Die Zellulare Fördertechnik kann als wandlungsfähiges Fördertechnikmodul im Internet der Dinge eingesetzt werden

Quelle: IML

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Vielen Dank für das Interesse!

Dipl.-Ing. Peter Tenerowicz

Tel.: 089 / 289 159 - 15Fax.: 089 / 289 159 - [email protected]


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