Publikation

Vertikale Integration von fertigungsprozessbasierten Daten in übergeordnete IT-Systeme durch OPC UA

Christian Bosch, Tobias Gerber

Mastersthesis TU Kaiserslautern, Lehrstuhl für Produktionsautomatisierung 2/2012.

Abstrakt

Globalisierung und steigende Rohstoffpreise treiben das produzierende Gewerbe dazu ihre IT-Strukturen weiter zu entwickeln. Neben der Optimierung der vorhandenen IT-Strukturen ist darunter insbesondere die direkte Verbindung von IT-Systemen und Produktionsanlagen zu verstehen. In der heutigen Zeit muss diese flexible Verbindung immer schneller und kostengünstiger erstellt werden. Resultat dieser Entwicklung müssen flexible Strukturen sein, die ad-hoc an neue Gegebenheiten und Rahmenparameter angepasst werden können. Dabei steht die Verbindung von technischen und kaufmännischen Prozessen im Vordergrund, da in dieser Verknüpfung ein hohes Entwicklungspotential gesehen wird. Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer flexiblen Kommunikationsstruktur, um die informationstechnologische Lücke zwischen kaufmännischen und technischen Prozessen zu schließen. Dabei wird ein Konzept erstellt, dass den direkten und schnellen Transfer von fertigungsprozessrelevanten Daten in Form von Kennzahlen aus der Produktionsanlage in übergeordnete Managementsysteme ermöglicht. Um die Umsetzbarkeit des entwickelten Konzeptes zu überprüfen und zu evaluieren soll das Konzept in einer industrienahen Umgebung implementiert werden. Dazu wird auf die Stückgutfertigung der Demonstrationsanlage der SmartFactoryKL zurückgegriffen. Hierzu wird in dieser Arbeit folgendermaßen vorgegangen. In einem ersten Schritt wird die aktuelle Informationsstruktur in Unternehmen an Hand der Automatisierungspyramide untersucht. Daraus lassen sich im darauffolgenden Schritt Entwicklungsmöglichkeiten in Form von Integrationskonzepten ableiten. Bei diesen Integrationskonzepten wird zwischen horizontalen Ansätzen (Verbindung von Kommunikationspartner derselben hierarchischen Ebene) und vertikalen Ansätzen (Verbindung von Kommunikationspartner unterschiedlicher hierarchischer Ebenen) unterschieden. Aus der Informationspyramide heraus wird die aktuelle Problemstellung hinsichtlich der Kommunikationsstruktur in Unternehmen abgeleitet. Dabei ist vor allem der Mangel der Datenaktualität und die Gefahr der Dateninkonsistenz zu nennen. Anschließend wird zu Überwindung der ermittelten Probleme ein Lösungsansatz in Form eines Konzeptes entwickelt. Dabei werden die vorgestellten Integrationskonzepten zu dem eigentlichen Konzept kombiniert, so dass eine flexible Kommunikationsverbindung der verschiedenen hierarchischen Ebenen entsteht. Darunter ist eine direkte Kopplung von Produktionsanlage mit IT-Systemen zum Informationsaustausch zu verstehen. Übertragen werden sollen dabei fertigungsprozessrelevante Daten, die zuvor zu Informationen in Form von Kennzahlen aggregiert werden und anschließend in kaufmännischen Prozessen als Entscheidungshilfe fungieren. In einem zweiten Schritt wird in den theoretischen Grundlagen neben den Grundlagen zu der speicherprogrammierbaren Steuerung und Kennzahlen die Kommunikations-technologie, die zur Übertragung der Informationen verwendet wird, beschrieben. Dabei erscheint die Technologie OPC Unified Architecture als besonders geeignet, da sie einen möglichen standardisierten Ansatz bietet. Im dritten Schritt werden nach den theoretischen Grundlagen die Grundlagen zur Anwendung der vertikalen Integration in der Domäne Stückgutfertigung erarbeitet. Dazu wird zunächst die Auswahl der Domäne Stückgutfertigung begründet. Daraufhin werden die anwendungsbezogenen Kennzahlen Fertigungsgrad und Energieverbrauch entwickelt, um diese später in einer industrienahen Umgebung zu implementieren. Dabei stehen diese beiden Kennzahlen stellvertretend für die Kennzahlenarten relative und absolute Kennzahlen. Weiterhin wird in diesem Schritt die Kommunikationstechnologie zur Informationsübertragung im Rahmen einer Nutzwertanalyse ausgewählt. Darüberhinaus wird das 3-Schichten-Modell entwickelt, das die direkte Kopplung von Fertigungsanlage mit Managementsystemen in drei unabhängige Arbeitspakete zerlegt und somit eine schrittweise Bearbeitung ermöglicht. Neben der individuellen Anpassung der Kennzahlen und des Konzepts auf die Domäne Stückgutfertigung wird im vierten Schritt die Erfassung der Daten auf Steuerungsebene verallgemeinert. Dazu wird ein Rahmenkonstrukt entwickelt, dass die Input- und Outputvariablen bei der Programmierung vorgibt, so dass Rohdaten, die zur Kennzahlberechnung gebraucht werden, ad-hoc auf Steuerungsebene erfasst werden können. Dieses Rahmenkonstrukt wird allgemeingültig formuliert, so dass es als Muster oder Entwurfsrahmen auch für andere Domänen und Anlagen dienen kann. So können die Daten zur Kennzahlberechnung ad-hoc auf Anlagenebene erhoben werden. Dieser Ansatz wird der Forderung nach flexiblen IT-Strukturen und der schnellen und kostengünstigen Integration durch Minimierung des Engineering-Aufwandes gerecht. Im fünften Schritt wird im Rahmen des Konzeptes ein 3-Schichten-Modell in die SmartFactoryKL, die als industrienahe Umgebung dient, implementiert. Dabei wird durch das 3-Schichten-Modell eine flexible direkte Kopplung zwischen der Abfüllanlage und dem Enterprise Ressource Planning System der proALPHA Software AG geschaffen. Über diese Verbindung werden die entwickelte Kennzahl Fertigungsgrad in übergeordnete Managementsysteme übertragen. Durch die Implementierung des Konzeptes in der SmartFactoryKL wird die aktuelle Machbarkeit der vertikalen Integration demonstriert. Abschließend wird in sechsten Schritt nach der Implementierung des 3-Schichten-Modells in der SmartFactoryKL eine Verifikation der Ergebnisse vorgenommen. Dabei liegt der Fokus auf der Bewertung des Konzeptes, der Umsetzung und der erzielten Resultate.

Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz
German Research Center for Artificial Intelligence