Entwicklung eines Cyber-Physischen Logistiksystems - Industrie ...

M. Veigt u.a.: Entwicklung eines Cyber-Physischen LogistiksystemsEntwicklung einesCyber-Physischen LogistiksystemsMarius Veigt, Dennis Lappe, Karl A. Hribernik, BIBA -Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH undBernd Scholz-Reiter, Universität BremenDipl.-Wi.-Ing. Marius Veigt, M. Sc. DennisLappe und Dipl.-Inform. Karl A. Hribernikarbeiten als wissenschaftliche Mitarbeiter amBIBA - Bremer Institut für Produktion und LogistikGmbH an der Universität Bremen.Prof. Dr.-Ing. Bernd Scholz-Reiter ist Professorfür Planung und Steuerung produktionstechnischerSysteme im Fachbereich Produktionstechnikder Universität Bremen sowie Herausgeber derZeitschriften Industrie Management undPRODUCTIVITY Management.Mit dem Förderprogramm „Forschungfür die Produktion von morgen“ imThemenfeld Intelligente Vernetzungin der Produktion - Ein Beitrag zumZukunftsprojekt „Industrie 4.0“ leitetdas Bundesministerium für Bildungund Forschung (BMBF) die vierte industrielleRevolution ein. Hierbei wirdinnerhalb von Forschungsprojektenbeabsichtigt, Cyber-Physische Systemein Produktion und Logistik einzuführen.Das BIBA – Bremer Institutfür Produktion und Logistik GmbHan der Universität Bremen entwickelthierzu innerhalb des Projekts„Cyber-Physische Produktionsprozesse- Produktivitäts- und Flexibilitätssteigerungdurch die Vernetzungintelligenter Systeme in der Fabrik“(CyProS) ein Cyber-Physisches Logistiksystem.KontaktBIBA – Bremer Institut für Produktionund Logistik GmbHHochschulring 2028359 BremenTel.: +49 421 / 218 50165E-Mail: vei@biba.uni-bremen.deURL: http://www.ips.biba.uni-bremen.deDie Wettbewerbsfähigkeit produzierenderUnternehmen in Deutschlandist stark von innovativen Lösungenin Produktion und Logistik abhängig.Aktuelle Trends, wie steigende Variantenvielfaltund Dynamisierung vonProduktlebenszyklen, erfordern neueflexiblere Produktions- bzw. Logistiksysteme[1, 2]. Nach Abele sind zwarauch in Zukunft die entscheidendenZielgrößen „Herstellkosten“ und „Qualität“,jedoch steigt die Bedeutung von„Geschwindigkeit“ (z.B. Innovationsgeschwindigkeit,Durchlaufzeiten) und„Wandelbarkeit“ (z.B. flexible Produktionssystemefür kundenindividuelle Fertigung)an [1].Um diesen Herausforderungen zu begegnen,werden Cyber-Physischen Systemenenorme Potenziale zugesprochen[3]. Mikroprozessoren und Funkmodule,wie sie bereits heute in der Brancheder Informations- und Kommunikationstechnologieweit verbreitet sind(z.B. in Smartphones), können auch inProduktion und Logistik nutzbringendeingesetzt werden. Beispielsweise könnenWerkstückträger mit Fördersystemenkommunizieren und dadurch denTransport selbstständig steuern. An derUniversität Bremen wurden im Sonderforschungsbereich(SFB) 637 „Selbststeuerunglogistischer Prozesse – EinParadigmenwechsel und seine Grenzen“Steuerungsmethoden erforscht, derenEinsatz eine selbstständige (autonome)Steuerung von Objekten durch ein logistischesNetzwerk ermöglicht [4]. InSimulationsstudien wurde unter anderemaufgezeigt, dass selbststeuerndeLogistiksysteme der durch die Variantenvielfaltbedingten Komplexität in derProduktion sehr gut begegnen können[5]. So reagieren die selbststeuerndenLogistiksysteme wesentlich schnellerund flexibler auf Störungen, als zentralbzw. fremdgesteuerte Systeme undweisen dadurch eine bessere logistischeZielerreichung auf (z.B. kürzere Durchlaufzeiten)[6, 7].Durch die Einführung Cyber-PhysischerSysteme in der Produktion wirddie technische Grundlage geschaffen,die im SFB 637 entwickelten Selbststeuerungsmethodenin die Produktionslogistikzu transferieren. Dies wirdim vom BMBF geförderten Projekt Cy-ProS umgesetzt. In diesem Beitrag wirddas Vorgehen zur Entwicklung einesCyber-Physischen Logistiksystems sowiedessen Potenziale vorgestellt. Zuvorwerden im folgenden Abschnitt grundlegendeBegriffe beschrieben.BegriffserläuterungenIn diesem Abschnitt werden diegenerellen Begriffe Cyber-PhysischesSystem, Cyber-Physisches Produktionssystemund Cyber-Physisches Logistiksystemerläutert.Cyber-Physisches SystemBereits vor einigen Jahren fokussierteLee die Erforschung Cyber-PhysischerSysteme. Seine informationstechnischeDefinition Cyber-PhysischerSysteme lautet:“Cyber-Physical Systems (CPS) areintegrations of computation with phy-© GITO Verlag15

Cyber-Physische SystemewirderfasstdurchSensor(en)sical processes. Embedded computersand networks monitor and control thephysical processes, usually with feedbackloops where physical processesaffect computations and vice versa.” [8]Diese Definition wird von Broy ergänzt.Demnach umfassen Cyber-PhysischeSysteme eingebettete Systeme,also Geräte, Gebäude und Verkehrsmittel,aber auch Logistik-, Koordinations-und Managementprozessesowie Internet-Dienste, die• mittels Sensoren unmittelbar physikalischeDaten erfassen undmittels Aktoren auf physikalischeVorgänge einwirken,• Daten auswerten und speichern sowieauf dieser Grundlage aktiv oderreaktiv mit der physikalischen undder digitalen Welt interagieren,• mittels digitaler Netze untereinanderverbunden sind, und zwar sowohldrahtlos als auch drahtgebunden,sowohl lokal als auch global,• weltweit verfügbare Daten undDienste nutzen,• über eine Reihe multimodalerMensch-Maschine-Schnittstellenverfügen, also für Kommunikationund Steuerung differenzierte unddedizierte Möglichkeiten bereitstellen,zum Beispiel Sprache und Gesten[3] (Bild 1).Interagieren die Cyber-Physischen Systemeinnerhalb der Produktion bzw.der Logistik miteinander bzw. schließensich diese zusammen, um gemeinsamAufgaben zu bewältigen, entstehenCyber-Physische Produktionsbzw.Logistiksysteme.Cyber-Physisches SystemProzessorKommunikatorUmweltAktor(en)Bild 1: Schematischer Aufbau eines Cyber-Physischen Systems (i.A. an [9]).wirkenaufCyber-Physisches ProduktionssystemEine einheitliche Definition einesCyber-Physischen Produktionssystemsexistiert bisher nicht. Allerdings beschreibenVogel-Heuser et al. sogenannte„Production CPS“ (ProCPS),die in Cyber-Physischen Produktionssystemeneingeordnet werden können,wie folgt:„ProCPS sind flexible, adaptive,sich selbst organisierende Produktionseinheiteneingeschränkt auf dieProzessklassen Verfahrens- und Fertigungstechnik.Die Produktionseinheitenwerden durch die Integration vonInformationstechnik zu intelligentenautonomen Objekten, die über eingemeinsames Netzwerk Organisationsaufgabenselbst übernehmen undAufgaben untereinander aufteilen.“ [2]Die ProCPS können komplette Produktionsmaschinen,Aggregate, Komplettanlageno.ä. sein, die sich weltweitmiteinander vernetzen und selbstorganisieren.Sie kennen ihre Einsatzgebiete,Konfigurationsmöglichkeiten sowieProduktionsrahmenbedingungen undsorgen für die optimierte Herstellungdes Produkts und passen sich verändertenRahmenbedingungen automatischan [2]. Ein Cyber-PhysischesProduktionssystem kann darüber hinausals eine räumliche Ansammlungmehrerer, miteinander interagierenderProCPS verstanden werden.Cyber-Physisches LogistiksystemEinhergehend mit der EntwicklungCyber-Physischer Produktionssystemewerden auch Cyber-Physische Systemein der Logistik Einsatz finden, umTransportprozesse mit Bearbeitungsprozessenzu vernetzen. Zusätzlich findeteine stärkere Verbindung der überbetrieblichenTransportlogistik mit derinnerbetrieblichen Produktionslogistikstatt, sodass der Einsatz Cyber-PhysischerSysteme in der Logistik die kompletteWertschöpfungskette abdeckt.Aus dem Zusammenwirken Cyber-PhysischerSysteme in der Logistik entstehtein Cyber-Physisches Logistiksystem. Dahierfür bisher keine einheitliche Definitionbesteht, wird im weiteren Verlaufunter einem Cyber-Physischen Logistiksystemfolgendes verstanden:Ein Cyber-Physisches Logistiksystemist eine• Ansammlung von Logistikelementen(CP-Werkstückträgern, CP-Fördersystemen,CP-Verkehrsleitsystemenetc.), die jeweils die KriterienCyber-Physischer Systeme erfüllen,• miteinander, mit Produktionselementen(CP-Maschinen, CP-Werkzeugen,CP-Produktionsleitsystemenetc.) sowie dem Menschenkommunizieren• und unter Berücksichtigung derökonomischen, ökologischen undsozialen Zielerreichung autonom(re)agieren.Im folgenden Abschnitt wird dasVorgehen bei der Entwicklung einesCyber-Physischen Logistiksystems beschrieben.Hierzu wird detailliert aufdie Konzeption des Cyber-PhysischenLogistiksystems eingegangen.Vorgehen bei der Entwicklungeines Cyber-PhysischenLogistiksystemsEinhergehend mit der EntwicklungCyber-Physischer Produktionssysteme istes erforderlich, neue Konzepte für dieunternehmensinterne und -übergreifendeLogistik zu entwickeln. Allerdingsmüssen die aus der IKT-Branche stammendenTechnologien, die physischeObjekte befähigen im „Cyberspace“ aktivzu werden, an die Anforderungen derLogistikbranche angepasst werden. Hiersind u. a. Anforderungen wie Robustheitund Zuverlässigkeit, eine autarke Ener-16 Industrie Management 29 (2013) 1