Roadmap

Einleitung
Forschungsstand
Konzeption
Implementation
Evaluation
Ausblick

Einleitung

Fertigung und Automatisierung

aus [1], von Wikipedia-Nutzer UlrichAAB

Cyber-physische Systeme

aus Vortrag Life with Cyber-Physical Systems von Prof. Dr. Uwe Aßmann, [2]

OPC Unified Architecture

nach [3]

Motivation

nach [4]

Forschungsfragen

Welchen softwaretechnologischen Konzepten muss die Modernisierung und der infrastrukturelle Kontext einer Altmaschine unterliegen, um eine ganzheitliche Integration in CPPS gewährleisten zu können?

Welche System- und Softwarearchitektur ist für die Steuerung und Überwachung veralteter Maschinen im Kontext von CPPS geeignet?
Wie und wo werden Informationen zur Maschine erfasst, verarbeitet, persistiert und Fremdsystemen zur Verfügung gestellt?
Welche standardisierten Protokolle und Datenstrukturen eignen sich für Kommunikation in einem CPPS?

Forschungsstand

	Überwachung	Steuerung	Standards	Lokalität	Integrations- Hardware
Moctezuma et al. 2012 [5]	`●`	`●`	`●`	`●`	`○`
Dürkop et al. 2014 [6]	`●`	`●`	`●`	`●`	`○`
Ayatollahi et al. 2013 [7]	`●`	`●`	`●`	`◐`	`○`
Lee et al. 2015 [8]	`●`	`○`	`○`	`◐`	`○`

Anforderungen

Betriebs-/Prozessdatenerfassung & Steuerung ortsunsabh.
Subsysteme des CPPS übernehmen Zustandserfassung, Störfalldiagnose, Programmdelegation
Heterogenität: standardisierte Informationsprotokolle und -modelle
- einheitliche M2M-Kommunikation (horizontal)
- übergeordnete Systeme (ERP, MES) (vertikal)
erfassen/persistieren von Daten nahe der Maschine
- minimieren v. Latenzen, Kommunikationsaufwand
- kapseln v. Ausnahmesituationen (Komplexität d. Gesamtsystems = Divide & Conquer)
Ökonomie der Modernisierung: Einplatinencomputer als Integrationshardware

Arbeiten (Auszug)

Moctezuma: Retrofitting mit smart Remote Terminal Unit (SOA)
Dürkop: Autom.-Module mit WS, Kapselung der RT
Ayatollahi: OPC UA für CNC + Model, R4:
- Erfassen Maschinendaten
Lee: übergeordnete 5C CPS-Arch. + Richtlinien, R4:
- Zustandserf./Leistungsvorhersage an Maschine; Historie zentral (Cyber-Ebene)

Konzeption

Systemkontext

VMR

Maschinendefinition

Framework

Verteilung

Implementation

Komponenten

Einplatinencomputer (SBC)	Raspberry Pi 3 Model B
Antriebssteuerung (Serial)	Smoothieboard 4XC
cyber-physischer Adapter	GrovePi
Temperatursensor	Grove - Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensor
Verriegelungsrelais	Grove - Relay

Demonstration

Evaluation

Vergleich zum Forschungsstand

Moctezuma et al. 2012 [5]
- Dreischichtarchitektur für lokale Datenverarbeitung
- Standardisierte Kommunikation durch OPC UA
Dürkop et al. 2014 [6]
- Web-Services zur vertikalen Integration
- Kommunikation zwischen Modulen erlaubt
Ayatollahi et al. 2012 [7]
- Erweiterung des OPC UA Modells für CPPS
- Regeln für Autonomie im Informationsmodell
Lee et al. 2015 [8]
- VMR in 5C-Schichten für CPPS integriert
- lokales Adaptivitätskonzept konkretisiert
Einplatinencomputer als Integrationshardware

Ergebnisse

Retrofitting bedarf geschichteter System-/Softwarearchitektur
Maschinenrepräsentant
- wandelt Daten in Informationen
- abstrahiert Steuerung
Rückkopplung für teilautonome Handlung und Adaption
horizontale Kommunikation durch Standardisierung mit OPC UA
Service-orientierte Architektur für vertikale Integration mit DPWS
Datenverarbeitung/-persistenz nahe der Maschine für Hierarchisierung
cyber-physische Hardwareadapter bilden Schnittstelle

Implikationen

nahtlose Integration von Altanlagen
Steuerung/Überwachung ortsunabhängig & durch Subsysteme mgl.
Minderung manueller Tätigkeiten ⇒ Beschleunigung der Produktion
zentrale Auswertung von Betriebs- & Prozessinformationen
Hierarchisierung von Datenverarbeitung und Persistenz
Verbesserung von Skalierbarkeit & Rekonfiguration
einheitliche Modellierung von Anlagenstruktur & Rückkopplung
kostengünstige Modernisierung durch Einplatinencomputer

Ausblick

komplexe Regeln zur Rückkopplung
externe Rückkopplung auf Cyber-Ebene der 5C-Architektur [8]
cyber-phys. Workflows & PROtEUS für Produktionssteuerung [10]
OPC UA & DPWS mit gemeinsamen Modell [11]
MDSD und UML für gemeinsame Modelle [12]
Modernisierung von Werkzeugmaschinen mit STEP-NC [13, 14]
OPC UA und Echtzeit mit Time Sensitive Networking
Nutzungsschnittstellen und Interaktion [15]

That's it.
Questions?

[email protected]

github.com/phdd/diplom

OPC UA Transportvarianten

von ascolab.com/de/unified-architecture/protokolle.html

MAPE-K Kontrollschleife

nach [9]

Maschinenüberwachung

aus [16]

FFZ des IFT Wien

aus [7]

Remote Terminal Unit

aus [5]

Automatisierungsmodule

aus [6]

Modellerweiterung zur Steuerung

nach [7]

CPPS Modellerweiterung

Horizontale Integration

Vertikale Integration

Initialisierung des Frameworks

Methodendelegation

Kontextveränderung

Rückkopplung

Organisation des Frameworks

Literatur

[1] P. Linke, „Grundlagen zur Automatisierung“, in Grundlagen Automatisierung, Wiesbaden: Springer Fachmedien Wiesbaden, 2015, S. 1–28.

[2] Verein Deutscher Ingenieure e.V., „Cyber-Physical Systems: Chancen und Nutzen aus Sicht der Automation“, VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik, 2013.

[3] OPC Foundation, „OPC Unified Architecture - Wegbereiter der 4. industriellen (R)Evolution“, 2014 [Online]. Verfügbar unter: https://opcfoundation.org/wp-content/uploads/2014/03/OPC_UA_I_4.0_Wegbereiter_DE_v2.pdf

[4] V. Hammerstingl und G. Reinhart, „Unified Plug&Produce architecture for automatic integration of field devices in industrial environments“, Proceedings of the IEEE International Conference on Industrial Technology, Bde. 2015-June, Nr. June, S. 1956–1963, 2015.

[5] L. E. G. Moctezuma, J. Jokinen, C. Postelnicu, und J. L. M. Lastra, „Retrofitting a factory automation system to address market needs and societal changes“, IEEE International Conference on Industrial Informatics (INDIN), S. 413–418, 2012.

[6] L. Dürkop, H. Trsek, J. Otto, und J. Jasperneite, „A field level architecture for reconfigurable real-time automation systems“, IEEE International Workshop on Factory Communication Systems - Proceedings, WFCS, 2014.

[7] I. Ayatollahi, B. Kittl, F. Pauker, und H. Martin, „Prototype OPC UA Server for Remote Control of Machine Tools“, in International Conference on Innovative Technologies, 2013, Bd. 1009, S. 73–76.

[8] J. Lee, B. Bagheri, und H. A. Kao, „A Cyber-Physical Systems architecture for Industry 4.0-based manufacturing systems“, Manufacturing Letters, Bd. 3, Nr. September 2016, S. 18–23, 2015.

[9] IBM, „An architectural blueprint for autonomic computing“, June, 2006 [Online]. Verfügbar unter: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.150.1011

[10] R. Seiger, S. Huber, P. Heisig, und U. Assmann, „Enabling Self-adaptive Workflows for Cyber-physical Systems“, in Enterprise, Business-Process and Information Systems Modeling, 2016, S. 3–17.

[11] B. Bony, M. Harnischfeger, und F. Jammes, „Convergence of OPC UA and DPWS with a cross-domain data model“, IEEE International Conference on Industrial Informatics (INDIN), S. 187–192, 2011.

[12] F. Pauker, T. Frühwirth, und B. Kittl, „A systematic approach to OPC UA information model design“, in 49th CIRP Conference on Manufacturing Systems, 2016.

[13] S. Suh, B. Lee, D. Chung, und S. Cheon, „Architecture and implementation of a shop-floor programming system for STEP-compliant CNC“, Computer-Aided Design, Bd. 35, Nr. 12, S. 1069–1083, 2003.

[14] X. Xu und S. Newman, „Making CNC machine tools more open, interoperable and intelligent - a review of the technologies“, Computers in Industry, Bd. 57, Nr. 2, S. 141–152, 2006.

[15] L. Wang, P. Orban, A. Cunningham, und S. Lang, „Remote real-time CNC machining for web-based manufacturing“, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, Bd. 20, Nr. 6, S. 563–571, 2004.

[16] R. Teti, K. Jemielniak, G. O’Donnell, und D. Dornfeld, „Advanced monitoring of machining operations“, CIRP Annals - Manufacturing Technology, Bd. 59, Nr. 2, S. 717–739, 2010.