EP1842116A1 - System zur schnellen anpassung industrieller prozesse - Google Patents

System zur schnellen anpassung industrieller prozesse

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EP1842116A1
EP1842116A1 EP06700735A EP06700735A EP1842116A1 EP 1842116 A1 EP1842116 A1 EP 1842116A1 EP 06700735 A EP06700735 A EP 06700735A EP 06700735 A EP06700735 A EP 06700735A EP 1842116 A1 EP1842116 A1 EP 1842116A1
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EP
European Patent Office
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workstation
peer
processed
machines
capabilities
Prior art date
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Ceased
Application number
EP06700735A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marquart Franz
Marcos Dos Santos Rocha
Ekaterina Chtcherbina
Alois Ferscha
Manfred Hechinger
Rene Mayrhofer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/418—Total factory control, i.e. centrally controlling a plurality of machines, e.g. direct or distributed numerical control [DNC], flexible manufacturing systems [FMS], integrated manufacturing systems [IMS] or computer integrated manufacturing [CIM]
    • G05B19/41845—Total factory control, i.e. centrally controlling a plurality of machines, e.g. direct or distributed numerical control [DNC], flexible manufacturing systems [FMS], integrated manufacturing systems [IMS] or computer integrated manufacturing [CIM] characterised by system universality, reconfigurability, modularity
    • G—PHYSICS
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/31—From computer integrated manufacturing till monitoring
    • G05B2219/31264—Control, autonomous self learn knowledge, rearrange task, reallocate resources
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/32—Operator till task planning
    • G05B2219/32388—Autonomous flexible system, cells and agv autonomous
    • G—PHYSICS
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/33—Director till display
    • G05B2219/33125—System configuration, reconfiguration, customization, automatic
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Definitions

  • the invention mainly relates to industrial processes, in particular manufacturing processes and their adaptation to new products.
  • Manufacturing machines or Manufacturing facilities are not easily adaptable to new processes. Normally, they must be reprogrammed with respect to existing legacy interfaces and re-tested in this environment.
  • Another difficulty is that adapting the process does not just affect a single machine or a single instance of a product, but also requires complex coordination between all process participants.
  • FMS Flexible Manufacturing Systems
  • CNC Compact Manufacturing Systems
  • Machines and a material handling system that monitors or monitors via one or more associated execution or monitoring computers. is controlled.
  • a typical flexible manufacturing system can process with members of one or more part families completely on a continuous basis without human intervention.
  • the system is flexible enough to cope with changing market conditions and product types without having to purchase new equipment.
  • These flexible manufacturing systems are available at various levels, from individual modules to entire flexible manufacturing lines.
  • the object underlying the invention is to provide a system for rapid adaptation of industrial processes such that the above-mentioned disadvantages are avoided as possible and allows a quick and easy and less error-prone adaptation even using existing legacy systems.
  • the invention consists essentially in that enabling elements or.
  • Modules in the manufacturing process ie in products, machines and / or transport systems, are introduced as autonomous components with specific capabilities and operated in a peer-to-peer based communication and service infrastructure, these capabilities being that these autonomous components describe themselves , reconfiguring yourself and recovering from a malfunction, and performing automatic setup on these components.
  • These capabilities can be packaged into a single functional block.
  • This functional block can be attached to any part of the manufacturing process, such as manufacturing machines, monitoring unit, transport units and artifacts, to allow rapid adaptation of the entire process.
  • a to be processed Good is bspw. is represented by an associated workstation in the form of a proxy computer which provides information on how the respective good is processable and / or intervenes by reconfiguring at least one workstation in the industrial process itself.
  • the module can be described at a higher level as an adaptation framework that communicates and processes input information from sensors and translates it into output information for actuators.
  • Such a peer-it node includes, for example, the following hardware components: a CPU and a mainboard unit, sensors, for example in the form of an RFID reader for passive RFID tags, actuator interfaces, for example in the form of serial, parallel or USB ports and communication interfaces, for example in the form of Ethernet, WLAN or Bluetooth.
  • Essential technical features that are provided by the adaptation framework consist in: a peer-to-peer based auto-configuration, wherein a discovery of the peers or the equivalent workstations, ie the machines and transport units, etc.
  • the required proximity information originates from sensors, for example from limited-range RFID tags, an inter-device communication is performed by a self-configuring fault-tolerant peer-to-peer network and
  • adaptation framework Another technical feature provided by the adaptation framework is the component container architecture for flexible configuration or configuration. Reconfiguration via production monitoring and maintenance services, on the fly, during operation, on each component
  • Containers are installable and provide the required capabilities. These component containers can provide life-cycle management features and, on request, start and stop individual services.
  • a production environment can be reconfigured quickly, and this can be done automatically as new machines are installed. It also makes it easier to customize artifact processing, introduces new products faster, and reduces set-up costs. Since the production environment automatically adjusts automatically to unexpected errors, such as broken machines, and no central units are responsible for the entire production process, the robustness of the system can be increased. Finally that is System expandable and is suitable for the construction of new machines based on existing legacy systems that are simply equipped with the so-called "peer modules".

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Abstract

Die Erfindung besteht im Wesentlichen darin, dass Befähigungselemente bzw. Module in den Herstellungsprozess, also in Produkte, Maschinen und/oder Transportsysteme, als autonome Bestandteile mit bestimmten Fähigkeiten eingebracht werden und in einer Peer-to-Peer basierten Kommunikations und Serviceinfrastruktur betrieben werden, wobei diese Fähigkeiten darin bestehen, dass sich diese autonomen Komponenten selbst beschreiben, sich selbst rekonfigurieren und sich selbst von einer Fehlfunktion erholen können, und dass bei diesen Komponenten ein automatischer Setup erfolgt. Diese Fähigkeiten können in einen einzigen funktionellen Block gepackt werden. Dieser funktionelle Block kann an jeden Bestandteil des Herstellungsprozesses, zum Beispiel Herstellungsmaschinen, Überwachungseinheit, Transporteinheiten und Artefakte, angefügt werden, um eine schnelle Adaption des gesamten Prozesses zu ermöglichen. Ein zu prozessierendes Gut wird bspw. durch eine zugehörige Arbeitsstation in Form eines Proxie-Rechners repräsentiert ist, der Informationen darüber liefert, wie das jeweilige Gut prozessierbar ist und/oder der durch umkonfigurieren mindestens einer Arbeitsstation in den industriellen Prozess selbst eingreift.

Description

Beschreibung
System zur schnellen Anpassung industrieller Prozesse
Die Erfindung betrifft vor allem industrielle Prozesse, insbesondere Herstellungsprozesse und deren Anpassung hinsichtlich neuer Produkte .
Für moderne industrielle Prozesse ist eine schnelle und einfache Anpassung an neue Produkte von wesentlicher Bedeutung . Auf mittlere Sicht können die wesentlichen Produktivitätsgewinne im industriellen Bereich durch Rationalisierung des Produktionsprozesses erreicht werden . Die Herausforderung dieser neuen Wirtschaftszweige besteht in immer kürzer werdenden Produktlebenszyklen, innovative
Produkte sind Schlüsselfaktoren für den Unternehmenserfolg und eine rechtzeitige Marktpräsenz wird immer wichtiger für die Erlangung von Marktanteilen . Obwohl das Ziel einer Verbesserung die Adaptionsfähigkeit von Herstellungsprozessen klar ist, bleibt die Frage, wie dies zu erreichen ist, weiterhin eine Herausforderung .
Bei genauerer Betrachtung des Problems einer schnellen und einfachen Anpassung an neue Produkte lassen sich einige Facetten des Problems identifizieren :
1. Herstellungsmaschinen bzw . Fertigungseinrichtungen sind nicht sehr einfach an neue Prozesse anpassbar . Normalerweise müssen sie im Hinblick auf bestehende Alt-Interfaces neu programmiert und in dieser Umgebung erneut getestet werden .
Für den Fall, dass die neue Programmierung nicht erforderlich ist, ist j edoch weiterhin ein Update mit einem neuen Befehlssatz vonnöten . In beiden Fällen handelt es sich hierbei um ein sehr zeitaufwändiges Unterfangen .
2. Um den Prozess anzupassen, muss eine Eingangsinformation geliefert werden, die die neuen Bedingungen, unter denen der Prozess weiterlaufen muss , beschrieben wird. Dies ist nicht nur sehr zeitaufwändig, sondern erfordert ebenfalls , dass der Prozessablauf zur richtigen Zeit und ohne Verzögerung stattfindet . Ein Beispiel für so eine Bedingung könnte der Ausfall einer Verarbeitungsmaschine in der Fertigungslinie sein . Im Idealfall muss dann der Prozess innerhalb von Sekunden bezüglich dieses Fehlers angepasst werden, damit die Fertigungslinie weiterhin produktiv arbeitet .
3. Eine weitere Schwierigkeit liegt darin, dass die Anpassung des Prozesses nicht nur eine einzelne Maschine oder ein einzelnes Exemplar eines Produkts beeinflusst, sondern dass auch eine komplexe Koordination zwischen allen Prozessbeteiligten betrachtet werden muss .
Zur Lösung des oben angegebenen Problems gibt es bereits zwei wesentliche Lösungsansätze, nämlich so genannte „Flexible Manufacturing Systems" (FMS) und so genannte „Cellular Manufacturing Systems" . Ein flexibles Herstellungssystem (FMS) besteht üblicherweise aus einer Anzahl von CNC-
Maschinen und einem Materialtransportsystem, das über einen oder mehrere zugeordnete Ausführungs- oder Überwachungscomputer überwacht bzw . gesteuert wird. Ein typisches flexibles Herstellungssystem kann mit Mitglieder einer oder mehrerer Teilefamilien vollständig auf einer kontinuierlichen Basis ohne einen menschlichen Eingriff prozessieren . Das System ist flexibel genug, um den sich ändernden Marktbedingungen und Produkttypen gerecht zu werden, ohne dass neues Equipment angeschafft werden muss . Diese flexiblen Herstellungssysteme gibt es auf verschiedenen Ebenen von einzelnen Modulen bis hin zu ganzen flexiblen Herstellungslinien .
Beim zweiten Lösungsansatz , den zellularen Herstellungssystemen (Cellular Manufacturing Systems ) besteht der Hauptzweck in einer Verbesserung der Herstellungsproduktivität durch eine Zusammengruppierung von Prozessen, Maschinen und Menschen, um ganz bestimmte Familien von Teilen herzustellen . Diese Zellen sind so konstruiert, dass alle Tätigkeiten im Zusammenhang mit einer Familie von Teilen, dies reicht vom Erhalt des Rohmaterials bis hin zur Erzeugung des fertig gestellten Produkts .
Zellulare Fertigungssysteme liefern wirtschaftliche Vorteile einer hohen Vielseitigkeit, die Möglichkeit von Kleinserien, die normalerweise mit einer geringen Produktvielfalt gepaart ist, und eine hochvolumige Produktion mit flexiblen
Herstellungssystemen . Zellulare Herstellungsmethoden sind eine logische Verbesserung flexibler Herstellungssysteme .
Diese oben genannten FMS-artigen Systeme weisen j edoch einige Nachteile auf :
Sie sind nur begrenzt an Produkte oder Produktmischungen anpassbar, da beispielsweise die Maschinen nicht über eine ausreichende Kapazität oder brauchbare Werkzeuge verfügen . Darüber hinaus sind wesentliche Vorausplanungsaktivitäten und sehr anspruchsvolle und damit auch sehr teuere Herstellungsverfahren nötig . Es treten hierbei häufig technologische Probleme bezüglich einer exakten Bauteilpositionierung oder eines präzisen zeitlichen Ablaufs auf .
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, ein System zur schnellen Anpassung von industriellen Prozessen derart anzugeben, dass die oben genannten Nachteile möglichst vermieden werden und eine schnelle und einfache sowie wenig fehleranfällige Anpassung auch unter Verwendung bereits bestehender Altsysteme ermöglicht .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst . Die weiteren Ansprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems . Die Erfindung besteht im Wesentlichen darin, dass Befähigungselemente bzw . Module in den Herstellungsprozess , also in Produkte, Maschinen und/oder Transportsysteme, als autonome Bestandteile mit bestimmten Fähigkeiten eingebracht werden und in einer Peer-to-Peer basierten Kommunikationsund Serviceinfrastruktur betrieben werden, wobei diese Fähigkeiten darin bestehen, dass sich diese autonomen Komponenten selbst beschreiben, sich selbst rekonfigurieren und sich selbst von einer Fehlfunktion erholen können, und dass bei diesen Komponenten ein automatischer Setup erfolgt . Diese Fähigkeiten können in einen einzigen funktionellen Block gepackt werden . Dieser funktionelle Block kann an j eden Bestandteil des Herstellungsprozesses , zum Beispiel Herstellungsmaschinen, Überwachungseinheit, Transporteinheiten und Artefakte, angefügt werden, um eine schnelle Adaption des gesamten Prozesses zu ermöglichen . Ein zu prozessierendes Gut wird bspw . durch eine zugehörige Arbeitsstation in Form eines Proxie-Rechners repräsentiert ist, der Informationen darüber liefert, wie das j eweilige Gut prozessierbar ist und/oder der durch umkonfigurieren mindestens einer Arbeitsstation in den industriellen Prozess selbst eingreift .
Das Modul kann auf einer höheren Ebene als Adaptionsframework beschrieben werden, das kommuniziert und Eingabeinformationen von Sensoren verarbeitet und in Ausgangsinformationen für Aktuatoren umsetzt .
Ein solcher Peer-it-Knoten beinhaltet beispielsweise folgende Hardwarebestandteile : eine CPU und eine Mainboard Unit, Sensoren, beispielsweise in Form eines RFID-Lesers für passive RFID-Tags , Aktuatorinterfaces , beispielsweise in Form von seriellen, parallelen oder USB-Ports und Kommunikationsinterfaces , beispielsweise in Form von Ethernet, WLAN oder Bluetooth . Wesentliche technische Merkmale, die durch das Adaptionsframework geliefert werden, bestehen in : einer Peer-to-Peer basierten Autokonfiguration, wobei ein Discovery der Peers bzw . der gleichrangigen Arbeitsstationen, also der Maschinen und Transporteinheiten usw . , mit Hilfe eines Peer-to-Peer basierten Protokolls erfolgt, die erforderliche Proximity-Information von Sensoren, beispielsweise von limited-range RFID-Tags stammt, eine Inter-device Kommunikation durch ein selbst konfigurierendes fehlertolerantes Peer-to-Peer Netzwerk erfolgt und
Hauptartefakte mit RFID-Tags markiert sind, wobei einige Artefakte durch Peer-to-Peer Proxies repräsentiert sein können, was Informationen darüber liefert, wie sie prozessierbar sind.
Ein weiteres technisches Feature, das das Adaptionsframework liefert, besteht in der Component Container Architektur für flexible Konfiguration bzw . Rekonfiguration über Produktionsüberwachungs- und Instandhaltungsdienste, die on the fly, also während des Betriebs , auf j eden Component
Container installierbar sind und die benötigten Fähigkeiten bereitstellen . Diese Component Container können life-cycle management features liefern und auf Verlangen einzelne Dienste starten und stoppen .
Vorteile
Ein Produktionsumfeld kann schnell rekonfiguriert werden, wobei dies automatisch durchführbar ist, sobald neue Maschinen installiert werden . Weiterhin ist eine einfachere Anpassung der Artefaktverarbeitung möglich, neue Produkte können schneller eingeführt werden und die Rüstkosten werden reduziert . Da die Produktionsumgebung automatisch an unerwartete Fehler, wie beispielsweise defekte Maschinen, automatisch angepasst wird, und keine zentralen Einheiten für den gesamten Produktionsprozess zuständig sind, kann die Robustheit des Systems erhöht werden . Schließlich ist das System erweiterungsfähig und eignet sich zum Aufbau von neuen Maschinen auf der Basis bestehender Altsysteme, die nur einfach mit den so genannten „Peer-Modulen" ausgestattet werden .

Claims

Patentansprüche
1. System zur schnellen Anpassung industrieller Prozesse, bei dem als Grundlage eine Kommunikations- und Service- Infrastruktur für gleichrangige Arbeitsstationen vorhanden ist und bei dem mindestens ein Teilprozess des industriellen Prozesses mit einem autonomen Befähigungsmodul zur Bildung einer gleichrangigen Arbeitsstation ausgestattet wird, wobei dieses Befähigungsmodul folgende Eigenschaften aufweist und in diesen Teilprozess einbringt : a) eine Fähigkeit sich selbst zu beschreiben, b) eine Fähigkeit sich selbst zu konfigurieren bzw . zu rekonfigurieren, c) eine Fähigkeit zu einem automatischen Setup und d) eine Fähigkeit zur eigenständigen Erholung von einer Fehlerfunktion .
2. System nach Anspruch 1 , bei dem mindestens ein zu prozessierendes Gut durch eine zugehörige Arbeitsstation in Form eines Proxie-Rechners repräsentiert ist, der Informationen darüber liefert, wie das j eweilige Gut prozessierbar ist und/oder der durch umkonfigurieren mindestens einer Arbeitsstation in den industriellen Prozess selbst eingreift .
3. System nach Anspruch 1 , bei dem die Konfiguration bzw . Rekonfiguration eine über Arbeitsstationen verteilte Kontexterfassung beinhaltet .
4. System nach Anspruch 3 , bei dem die Kontexterfassung ein Lesen von RFID-Tags durch mindestens eine Arbeitsstation beinhaltet und diese RFID-Tags zu prozessierende Güter markieren .
EP06700735A 2005-01-27 2006-01-03 System zur schnellen anpassung industrieller prozesse Ceased EP1842116A1 (de)

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