Adaptivität und semantische Interoperabilität von Manufacturing Execution Systemen (MES) für Teilanlagen in Produktionssystemen
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- Projektgruppe: Leitsysteme
Projektbeschreibung
Produktionssysteme werden laufend angepasst, weil sich Änderungen an den Produkten ergeben, Kapazitäten aufgrund schwankender Bedarfe neu justiert werden müssen oder rationellere Fertigungstechnologien eingesetzt werden. In der Praxis führen Änderungen an Produktionsanlagen zum räumlichen ‚Verschieben’ von Anlagen innerhalb eines Werkes, sowie zu Anpassungen an der steuernden Software von Maschinen und Anlagen. Aufgrund der spezifischen Anforderungen an Produktionsanlagen existiert heute eine nahezu unübersehbare Vielfalt an Maschinensteuerungen, Softwareversionen und überlagerten IT-Systemen (Leitsysteme, Manufacturing Execution Systeme - MES).
Das Leittechnik- und MES-Engineering erfolgt heute in den letzten Phasen der Anlagenplanung beziehungsweise. während oder nach der Inbetriebnahme. Planungsfehler werden erst durch Testen der Funktionalitäten an der realen Anlage erkannt. Änderungen an der Anlage und der zugehörigen Software resultieren in Anpassungen im Leitsystem/MES. Dies ist heute immer öfter der Fall, da kürzere Modellzyklen und größere Variantenvielfalt eine immer höhere Flexibilität und Wandlungsfähigkeit der Anlagen fordern.

Die Vision des Projekts ist eine Anlage, die per „Plug-and-work“, ähnlich der bekannten USB-Schnittstelle, einfach in das Produktionssystem eingekoppelt werden kann. Der Unterschied besteht in ungleich komplexeren Rahmenbedingungen und Anforderungen als beim PC. Nach Erfahrungen des Fraunhofer IITB in der Mercedes C-Klasse Fertigung mit seinem Leitsystem ProVis.Agent®, an das rd. 450 SPSen angeschlossen sind und das rd. 1.000 Prozessführungsbilder verwaltet, liegt der manuelle Projektierungsaufwand bei rd. 30-40% des Gesamtaufwandes für eine solche Softwarelösung. Von diesen zudem fehleranfälligen ‚Fleißarbeiten’ der Projektierung können durch „Plug-and-work“ rd. 80% eingespart werden.
Dafür muss die Anlage eine Selbstbeschreibung mitbringen, die alle für das Leitsystem/MES notwendigen Informationen enthält. Für ein Leittechnik-/MES-Engineering der Zukunft wird daher ein einheitliches neutrales Datenformat benötigt. Bei den vorhandenen XML-basierten Standards in der Automatisierungstechnik ist die verfügbare Informationsmenge stark eingegrenzt. Überlagerte IT-Systeme benötigen aber gesamtheitliche Informationen von mehreren Stellen. Dies sind Angaben über die Signale des Prozesses aus den jeweiligen Feldgeräten, aber auch Visualisierungsdaten der Anlage sowie Auskünfte zur Anlagen- bzw. Layoutplanung.
Ein allgemeines Format, in dem bereits bestehende Industriestandards verwendet werden, und in dem alle Informationen von verschiedenen Stellen gesammelt und je nach Bedarf wieder herausgefiltert werden könnten, ist also notwendig.
Zusätzlich sind auch standardisierte Kommunikations- und Verarbeitungsmechanismen erforderlich. Im Rahmen des Projekts wird eine Lösung entwickelt, bei der unter anderem zwei bestehende Standards in einem Framework kombiniert werden: CAEX (Computer Aided Engineering Exchange, IEC-CDV-62424) und OPC-UA (OPC Unified Architecture).
Das unabhängige XML-basierte Datenaustauschformat CAEX stammt eigentlich aus der Verfahrenstechnik, die Wissenschaftler haben jedoch nachgewiesen, dass das Format auch für den effizienten Datenaustausch in der Fertigungstechnik geeignet ist. CAEX-Daten lassen sich mit Hilfe eines wissensbasierten Systems, allgemeingültigen Regeln oder mit analytischen, rechnerbasierten Aufgaben weiterverarbeiten. CAEX strukturiert und organisiert den Austausch von Planungsdaten zwischen verschiedenen Systemen und wird in dieser Anwendung als standardisiertes Datenformat für das automatische Leitsystem-/MES-Engineering verwendet.
Ergänzt wird CAEX mit OPC-UA, dem service-orientierten Nachfolger des Kommunikationsstandards OPC. OPC-UA dient der Kommunikation und Verarbeitung im Engineering-Framework. Zugrunde liegt dem Projekt die Idee einer einheitlichen Standardschnittstelle, die standardisierte Kommunikation mit allen beteiligten Systemen, die service-orientierte Verarbeitung, der Investitionsschutz gegenüber herstellerspezifischen Formaten und schlussendlich die Qualitätssteigerung von Daten durch automatisierte Prozesse. Die Kombination aus beiden Standards in einem Framework unterstützt die einzelnen Stärken und schafft neue Möglichkeiten zur Automatisierung der Automatisierung.
Um möglichst industrienah und anwendungsrelevant zu sein und die verwendeten Dateninhalte sinnvoll zu strukturieren, engagieren sich die Mitarbeiter in verschiedenen Normungsgremien. Diese sind (mit dem jeweiligen Zweck):
- Engineering-Vorgehensweise und -Aspekte:
Fachausschuss 6.12 „Durchgängiges Engineering von Leitsystemen“ der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) - Mögliche Anwendungsgebiete und -aspekte:
Arbeitsgruppe „Digitaler Fabrikbetrieb“ der VDI-Gesellschaft Fördertechnik Materialfluss Logistik (FML) - Dateninhalte Leittechnik:
Arbeitsgruppe „DKE K941.0.2 AutomationML" der Deutschen Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik (DKE) - Dateninhalte MES:
Arbeitsgruppe „Logische Schnittstellen MES - Maschinenebene“ des Fachausschusses 2.5.1 „Manufacturing Execuction Systems“ der VDI-Gesellschaft Produkt- und Prozessgestaltung (GPP),
DIN AK 060-30-05-04 des Normenausschuss Maschinenbau (NAM, gepflegt durch den VDMA) - Datenformat: IEC Working group 9 of SC 65E
Im Rahmen dieses Projekts wurde das WISARA Lab in Kooperation mit dem Fraunhofer IOSB aufgebaut. Es handelt sich um eine Demonstrationsanlage zur Flüssigkeitsabfüllung aus dem Hause Festo Didactic mit Unterstützung von www.adiro.com als Competence Center PA. Sie beinhaltet zahlreiche Sensoren und Aktoren speziell für Manufacturing Execution Systeme (MES) – beispielsweise für das Thema Energiemonitoring und Energieverbrauchsoptimierung zur Effizienzsteigerung. Mit Hilfe des WISARA Labs werden entwickelte Modelle, Methoden, Tools und Mechanismen für die Adaptivität, Flexibilität, Interoperabilität und Wandlungsfähigkeit von produktions-unterstützenden IT-Systemen getestet und demonstriert.
Titel | Autoren | Quelle |
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Towards Flexibility in Future Industrial Manufacturing: A Global Framework for Self-organization of Production Cells | Azaiez, S.; Boc, M.; Loic Cudennec, .; Simoes, M. D. S.; Haupert, J.; Kchir, S.; Klinge, X.; Labidi, W.; Nahhal, K.; Pfrommer, J.; Schleipen, M.; Schulz, C.; Tortech, T. | Procedia Computer Science 83, S. 1268-1273, Elsevier, 2016. |
OPC UA als Basistechnologie zur Orchestrierung von Produktionssystemen | Schleipen, M.; Pfrommer, J. | Automation 2016 - "Secure & reliable in the digital world" : 17. Branchentreff der Mess- und Automatisierungstechnik, S. 123-133, 2016. |
OPC UA & Industrie 4.0 - enabling technology with high diversity and variability | Schleipen, M.; Gilani, S.-S.; Bischoff, T.; Pfrommer, J. | 49th CIRP Conference on Manufacturing Systems (CIRP-CMS 2016), CIRP, 2016. |
Deploying software functionality to manufacturing resources safely at runtime | Pfrommer, J.; Schleipen, M.; Azaiez, S.; Boc, M.; Kling, X. | Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA), 2016 IEEE 21st International Conference on, S. 1-7, IEEE, 2016. |
Das Internet der Dinge in der Automation - Anforderungen und Technologien | Usländer, T.; Pfrommer, J.; Schleipen, M. | 2014. |
Begrifflichkeiten um Industrie 4.0 – Ordnung im Sprachwirrwarr | Pfrommer, J.; Schleipen, M.; Usländer, T.; Epple, U.; Heidel, R.; Urbas, L.; Sauer, O.; Beyerer, J. | Jumar, U.; Diedrich, C. (Hrsg.), Tagungsband zu Entwurf komplexer Automatisierungssysteme (EKA) 2014, 2014. |
Fähigkeiten adaptiver Produktionsanlagen | Pfrommer, J.; Schleipen, M.; Beyerer, J. | atp edition 55 Nr. 11, S. 42-49, Deutscher Industrieverlag, 2013. |
PPRS: Production skills and their relation to product, process, and resource | Pfrommer, J.; Schleipen, M.; Beyerer, J. | Emerging Technologies & Factory Automation (ETFA), 2013 IEEE 18th Conference on, S. 1-4, 2013. |
Herausforderung Interoperabilität - Informationsstandards für die digitale Fabrik | Sauer, O.; Schleipen, M. | IT & Production Nr. 4, S. 14-16, 2011. |
Leitfaden „Interoperable semantische Datenfusion zur automatisierten Bereitstellung von sichtenbasierten Prozessführungsbildern“ (IDA) | Schleipen, M.; Schick, K.; Hövelmeyer, T.; Okon, M.; Wei, J. | Fraunhofer Verlag, 2011. |
Intelligent environment for mechatronic, cross-discipline plant engineering | Schleipen, M.; Schenk, M. | Proceedings of IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, 2011. |
Interoperabilität von Manufacturing Execution Systems (MES) - Durchgängige Kommunikation in unterschiedlichen Dimensionen der Informationstechnik in produzierenden Unternehmen | Schleipen, M.; Münnemann, A.; Sauer, O. | at - Automatisierungstechnik 59 Nr. 7, S. 413-424, Oldenbourg Wissenschaftsverlag, 2011. |
IDA – Interoperable, semantische Datenfusion zur automatisierten Bereitstellung von sichtenbasierten Prozessführungsbildern | Schleipen, M.; Okon, M.; Enzmann, T.; Wie, J. | Tagungsband zum Kongress Automation, VDI-Verlag, 2011. |
Automatisierte Erstellung von Prozessführungsbildern für die Leittechnik | Schleipen, M.; Okon, M.; Wie, J.; Hövelmeyer, T. | Productivity Management 16 Nr. 2, S. 23-25, GITO-Verlag, 2011. |
Interoperability of Process Visualization as Interface from Human to Production Monitoring and Control System | Schleipen, M. | Technischer Bericht IES-2010-04. In: Beyerer, J.; Huber, M. (Hrsg.), Proceedings of the 2010 Joint Workshop of Fraunhofer IOSB and Institute for Anthropomatics, Vision and Fusion Laboratory, Karlsruher Schriften zur Anthropomatik, Bd. 7, S. 47-62, KIT Scientific Publishing, 2010. |
Digitaler Fabrikbetrieb - Virtual Manufacturing | Sauer, O.; Schleipen, M.; Ammermann, C. | Zülch, G.; Stock, P. (Hrsg.), Integrationsaspekte der Simulation: Technik, Organisation und Personal, S. 559-566, KIT Scientific Publishing, 2010. |
A concept for conformance testing of AutomationML models by means of formal proof using OCL | Schleipen, M. | Proceedings of 15th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, 2010. |
The CAEX Tool Suite - user assistance for the use of standardized plant engineering data exchange | Schleipen, M.; Okon, M. | Proceedings of 15th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, 2010. |
Logical interface between MES and machine - semantic integration by means of ontologies | Schleipen, M.; Sauer, O.; Fuskova, L. | Proceedings of 7th CIRP International Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering, 2010. |
MES-Ontologie - Semantische Schnittstelle zwischen Maschine und MES | Schleipen, M.; Sauer, O.; Fuskova, L. | Automation 2010, S. 81-84, VDI-Verlag, 2010. |
Die Anwendung der Digitalen Fabrik im laufenden Fabrikbetrieb | Schleipen, M.; Sauer, O.; Ammermann, C. | Automation 2010, S. 421-424, VDI-Verlag, 2010. |
Virtuelle Leittechnikinbetriebnahme mit Delmia und WinMOD | Schleipen, M.; Sauer, O. | Sauer, O.; Beyerer, J. (Hrsg.), Karlsruher Leittechnisches Kolloquium, S. 81-95, Fraunhofer Verlag, 2010. |
Semantic integration by means of a graphical OPC Unified Architecture (OPC UA) information model designer for Manufacturing Execution Systems | Schleipen, M.; Sauer, O.; Wang, J. | Sihn, W.; Kuhlang, P. (Hrsg.), Sustainable Production and Logistics in Global Networks, 43rd CIRP International Conference on Manufacturing Systems, S. 633-640, Neuer Wissenschaftlicher Verlag, 2010. |
Automated production monitoring and control system engineering by combining a standardized data format (CAEX) with standardized communication (OPC UA) | Schleipen, M. | Silvestre, J. (Hrsg.), Factory Automation, S. 501-522, Intech, 2010. |
A concept for interactive assistant systems for multi-user engineering based on AutomationML | Schleipen, M.; Bader, T. | Proceedings of CAPE Conference, 2010. |
Grundarchitektur: das Objektmodell | Drath, R.; Schleipen, M. | Drath, R. (Hrsg.), Datenaustausch in der Anlagenplanung mit AutomationML, S. 45-94, Springer, 2010. |
Praktische Anwendung | Drath, R.; Weidemann, D.; Lips, S.; Hundt, L.; Lüder, A.; Schleipen, M. | Drath, R. (Hrsg.), Datenaustausch in der Anlagenplanung mit AutomationML, S. 221-305, Springer, 2010. |
Production monitoring and control systems within the Digital factory | Schleipen, M.; Sauer, O.; Friess, N.; Braun, L.; Shakerian, K. | Huang, G.; Mak, K.; Maropoulos, P. (Hrsg.), DET 09 Proceedings, AISC, Bd. 66, S. 711-724, Springer, 2009. |
Flexibility and interoperability face Manufacturing Execution Systems (MES) | Schleipen, M.; Sauer, O. | Proceedings of 3rd International Swedish Production Symposium, Day 2 Book, S. 139-146, 2009. |
Flexible Anbindung von Produktionsanlagenmodulen durch Adaptivität und Selbstkonfiguration | Schneickert, S.; Wessner, M.; Baumann, M.; Okon, M.; Schleipen, M.; Neukäufer, M.; Feike, M.; Popova, N. | Abschlussbericht, Verbundprojekt ProduFlexil (BMBF 01ISF17A-D), Elektronische Veröffentlichung, 2009. |
XML-basierte Produkt- und Prozessdaten für die Leittechnik-Projektierung | Schleipen, M. | Halang, W. A.; Holleczek, P. (Hrsg.), Software-intensive verteilte Echtzeitsysteme, Informatik aktuell, S. 89-98, Springer, 2009. |
Semantic Interoperability of Manufacturing Execution Systems (MES) | Schleipen, M. | Technischer Bericht IES-2009-04. In: Beyerer, J.; Huber, M. (Hrsg.), Proceedings of the 2009 Joint Workshop of Fraunhofer IOSB and Institute for Anthropomatics, Vision and Fusion Laboratory, S. 47-62, KIT Scientific Publishing, 2009. |
Use of dynamic product and process information in a production monitoring and control system by means of CAEX and OPC UA | Schleipen, M.; Sauer, O. | Proceedings of 3rd International Conference on Changeable, Agile, Reconfigurable and Virtual Production, S. 662-671, 2009. |
Three-View-Concept for modeling process or manufacturing plants with AutomationML | Schleipen, M.; Drath, R. | Proceedings of 14th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, 2009. |
Design and engineering processes in highly adaptive plants with ambient intelligence techniques | Schleipen, M.; Okon, M.; Baumann, M.; Neukäufer, M.; Fedrowitz, C.; Feike, M.; Popova, N.; Nick, M.; Schneickert, S.; Wessner, M. | Proceedings of 42nd CIRP Conference on Manufacturing Systems, 2009. |
Wie kann man den Engineering-Prozess systematisch verbessern? | Fay, A.; Schleipen, M.; Mühlhause, M. | atp - Automatisierungstechnische Praxis Nr. 1, S. 80-85, 2009. |
Veränderungen im Konzeptions- und Konstruktionsprozess durch modular aufgebaute Anlagen mittels Ambient Intelligence-Technologien | Schleipen, M.; Baumann, M.; Okon, M.; Neukäufer, M.; Fedrowitz, C.; Feike, M.; Popova, N.; Nick, M.; Schneickert, S.; Wessner, M. | Stuttgarter Softwaretechnik-Forum, S. 57-67, 2008. |
Layoutmanager für automatisch erstellte Prozessführungsbilder mit Hilfe von Daten aus der Digitalen Fabrik | Schleipen, M.; Schick, K.; Sauer, O. | Rabe, M. (Hrsg.), Advances in simulation for production and logistics applications, S. 397-406, Fraunhofer IRB Verlag, 2008. |
OPC UA supporting the automated engineering of production monitoring and control systems | Schleipen, M. | Proceedings of 13th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, S. 640-647, 2008. |
Self-configuring visualization of a production monitoring and control system | Schleipen, M.; Schick, K. | CIRP International Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering, 2008. |
The system-independent data exchange format CAEX for supporting an automatic configuration of a production monitoring and control system | Schleipen, M.; Drath, R.; Sauer, O. | Proceedings of IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE 2008), S. 1786-1791, 2008. |
Systematische Beurteilung und Verbesserung des Engineerings von automatisierten Anlagen | Schertl, A.; Löwen, U.; Fay, A.; Drath, R.; Gutermuth, G.; Mühlhause, M.; Ebel, M. | Automation 2008, VDI-Berichte Nr. 2032, VDI-Verlag, 2008. |
Durchgängiges Datenmanagement durch plug-and-work zur virtuellen Linieninbetriebnahme | Bär, T.; Mandel, S.; Sauer, O.; Ebel, M. | Sauer, O.; Sutschet, G. (Hrsg.), Tagungsband zum 2. Karlsruher Leittechnischen Kolloquium, S. 105-121, Fraunhofer IRB Verlag, 2008. |
Automatische Projektierung eines Produktionsleitsystems mit Hilfe des Standarddatenaustauschformats CAEX | Ebel, M.; Drath, R.; Sauer, O. | atp - Automatisierungstechnische Praxis 50 Nr. 5, S. 40-47, Oldenbourg Industrieverlag, 2008. |
Automatische Projektierung von Produktionsanlagen im übergeordneten Leitsystem | Sauer, O.; Ebel, M. | PPS Management 12 Nr. 4, S. 24-27, 2007. |
ProduFlexil: Flexible Produktion mit SOA-Architektur und Plug-and-Work-Mechanismus | Ebel, M.; Okon, M.; Baumann, M. | Stuttgarter Softwaretechnik-Forum, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart, S. 65-74, 2007. |
Plug-and-work von Produktionsanlagen und übergeordneter Software | Sauer, O.; Ebel, M. | 37. Jahrestagung der Gesellschaft für Informatik e.V. (GI): INFORMATIK 2007 - Informatik trifft Logistik. GI Proceedings 110, S. 331-338, 2007. |
Engineering of production monitoring & control systems | Sauer, O.; Ebel, M. | Proceedings of 52nd IWK - Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, 2007. |
Plug-and-work von Produktionsanlagen und übergeordneter Software | Sauer, O.; Ebel, M. | Aktuelle Trends in der Softwareforschung, Tagungsband zum do it.software-forschungstag 2007. dpunkt.verlag, Heidelberg, 2007. |