Adaptive and Scalable Information Modeling to Enable Autonomous Decision Making for Real-Time Interoperable Factories

Hoffmann, Max; Jeschke, Sabina; Vogel-Heuser, Birgit

doi:10.18154/RWTH-2017-07373

Adaptive and Scalable Information Modeling to Enable Autonomous Decision Making for Real-Time Interoperable Factories = Adaptive und skalierbare Informationsmodellierung zur Ermöglichung autonomer Entscheidungsfindungsprozesse für interoperable, reaktive Fertigungen

Hoffmann, Max

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Max Hoffmann

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (XVIII, 237 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Jeschke, Sabina (Thesis advisor) ; Vogel-Heuser, Birgit (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-06-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-07373
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/697974/files/697974.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
IIoT (frei) ; Industrial Internet of Things (frei) ; Industrie 4.0 (frei) ; Industry 4.0 (frei) ; MAS (frei) ; OPC UA (frei) ; OPC unified architecture (frei) ; automation (frei) ; digital factory (frei) ; interoperability (frei) ; multi-agent systems (frei) ; service-oriented architectures (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Ziel vorliegender Arbeit ist es, die Transition gewachsener Systeme in der industriellen Fertigung hin zu einer Fabrik der Zukunft zu ermöglichen. Der Paradigmenwechsel von eng gekoppelten Automatisierungssystemen zu flexibel verknüpften Informations- und Kommunikationsinfrastrukturen geschieht durch die Verwendung objekt-orientierter Standards zur Schaffung von Interoperabilität. Die vorgestellten Lösungen dienen dazu, eine informationstechnologische Abbildung und Modellierung von Produktionsumgebungen signifikant zu vereinfachen. Dies geschieht mit dem Ziel, Entscheidungsfindungsprozesse auf Basis von Echtzeit-Informationen aus der Produktion auf Basis autonomer Entitäten zu ermöglichen.Durch zunehmende Forderungen nach stärkerer Digitalisierung und Flexibilisierung in der Produktion wachsen die Anforderungen an moderne Fabriken hinsichtlich der Implementierung zukunftsorientierter Lösungen für die Produktionsplanung und -steuerung. Diese Arbeit zielt insbesondere auf die Anforderungen an Altsysteme und laufende Produktionssysteme in der Fertigung ab, welche durch Technologien der Industrie 4.0 oder getrieben durch Begriffe wie cyberpyhsische Systeme modernisiert werden sollen. Für diesen Übergang präsentiert vorliegende Arbeit einen zweistufigen Prozess - zunächst erfolgt die Einführung von Methoden der skalierbaren Informationsmodellierung sowie Kommunikationslösungen, in einem zweiten Schritt die Etablierung autonomer Systeme in der Fabrikumgebung.Die Implementierung von Kommunikations- und Interoperabilitätslösungen geschieht durch Einführung von Schnittstellentechnologien, die sowohl eng gekoppelte Architekturen als auch service-orientierte Ansätze flexibel gekoppelter Systeme für einen netzübergreifenden Informationsaustausch ermöglichen. Hinsichtlich dieser Anforderungen findet eine Anwendung des OPC UA Standards zur Metamodellierung statt, da dieser sowohl eine Kompatibilität mit deterministischen Bussystemen aufweist wie auch eine Integration in flexible Netzwerkumgebungen unterstützt. Durch die Nutzung der objektorientierten Modellierungsfähigkeiten von OPC UA ist es möglich, ein digitales Abbild komplexer Fabrikumgebungen zu realisieren.Diese digitale Repräsentation einer Produktion dient als Ausgangspunkt für die Implementierung sogenannter smarter Agenten. Diese können unter Verwendung von Techniken der Informationsmodellierung dazu genutzt werden, virtuelle Repräsentationen physischer Maschinen sowie weiterer Komponenten aus der Produktion darzustellen und ermöglichen so die Etablierung cyberphysischer Systeme in den Produktionsverbund. Intelligente Agenten, die somit sowohl in der realen Welt wie auch im Cyberspace koexistieren, werden somit in die Lage versetzt, autonom zu kommunizieren sowie die Produktion auf Basis von Algorithmen und dezidierter Softwaremodule selbständig zu organisieren sowie zu optimieren.Die Realisierung dieser intelligenten Lösungen zur Produktionsoptimierung wird weiterhin durch eine Anwendung auf industrielle Use-Cases evaluiert, welche die Anforderungen realer Produktionen widerspiegeln. Ein Software-Demonstrator sowie Validierungsszenarien zeigen die Anwendbarkeit der vorgestellten Ansätze auf reale Anwendungsfälle in der Fertigung auf.

This work presents a framework that enables the transition from grown manufacturing and automation systems that have evolved over long-term production life cycles to an interoperable factory of the future. This paradigm shift from tightly-coupled automation systems to loosely-coupled flexible information and communication infrastructures in manufacturing is performed by making use of object-oriented interoperability standards. The proposed framework facilitates the development of information models for manufacturing environments with the goal to enable autonomous decision-making based on real-time information from the field.In terms of general demands for higher degrees of digitalization and the implementation of flexible manufacturing solutions within modern factories, major challenges to production planning and automation have to be faced in the near future. This work specifically focuses on the requirements of legacy and \textit{running} systems with regard to technologies that are introduced by umbrella terms such as Industry 4.0 or Cyber-Physical Systems. As proposed in this work, the shift from current factories to digitized manufacturing environments is performed in two steps -- the implementation of scalable information modeling and communication solutions into the factory environment and the establishment of autonomous systems.The implementation of communication and interoperability solutions is performed by an introduction of interface standards that support both tightly-coupled architectures of legacy systems as well as service-oriented approaches for flexible information exchange mechanisms for loosely-coupled system architectures. With regards to these requirements the OPC Unified Architecture meta-modeling standard is utilized as it fulfills the demanded compatibility with deterministic bus systems and enables the integration into flexible networking environments at the same time. By making use of object-oriented information modeling capabilities of OPC UA it is possible to carry out digital representations of arbitrary factory environments.This digital representation of a production site constitutes the starting point for the implementation of so-called smart agents into the factory environment. Using information modeling techniques, virtual representations of physical machines and devices are carried out by means of Cyber-Physical Systems. Smart software agents that coexist in both - the real and the digital - world are able to autonomously communicate, organize and optimize the production based on algorithms and dedicated software modules.The realization of these smart manufacturing solutions is evaluated by means of industrial use-case that reflect the requirements and automation demands of today's production sites. A software demonstrator as well as validation scenarios are carried out to illustrate the applicability of the proposed solutions to real-world industrial processes.

OpenAccess:
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