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WO2020078680A1 - Verfahren zur steuerung einer produktionsanlage, computerprogramm, maschinenlesbares speichermedium, elektronische steuereinheit sowie produktionsanlage - Google Patents

Verfahren zur steuerung einer produktionsanlage, computerprogramm, maschinenlesbares speichermedium, elektronische steuereinheit sowie produktionsanlage Download PDF

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Publication number
WO2020078680A1
WO2020078680A1 PCT/EP2019/075890 EP2019075890W WO2020078680A1 WO 2020078680 A1 WO2020078680 A1 WO 2020078680A1 EP 2019075890 W EP2019075890 W EP 2019075890W WO 2020078680 A1 WO2020078680 A1 WO 2020078680A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
production
units
task
manipulated variable
buffer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2019/075890
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marcus Hlavac
Stefan Ruppin
Marcus Werner Appel
Michael Walther
Martin Schoepf
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to CN201980067669.3A priority Critical patent/CN112805644B/zh
Publication of WO2020078680A1 publication Critical patent/WO2020078680A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • 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]
    • G05B19/41865—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 job scheduling, process planning, material flow
    • 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
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • 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]
    • G05B19/41885—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 modeling, simulation of the manufacturing system
    • 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

  • a method for controlling a production system having a start buffer, an end buffer and a plurality of production units with process functions, a transport route for product transport with a product flow running between the start buffer and the end buffer.
  • a large number of machines and process devices are often interconnected to form a production network for the manufacture of products.
  • the coupling of the individual machines and / or process devices generally takes place by means of assembly lines or transport devices.
  • products of the same processing status are transported between the machines.
  • Products can also be removed or added during the transport route, for example when carrying out a quality control.
  • machines fail or the production speed of the machine is changed, so that the product flow in the transport route changes. Subsequent machines must be able to react quickly to such changes.
  • One way to react to this is to use model predictive rules (MPC).
  • MPC model predictive rules
  • Such model predictive regulations are often used in chemical process engineering, for example.
  • the publication DE 10 2010 039 313 Al which probably forms the closest prior art, describes a method for controlling a production line with workstations which are supplied with workpieces to be machined one after the other via a transport system TS and with controls for machining the workpiece in each Work station, in which resting states can be generated in one or more work stations, into which the control can go if there is no subsequent workpiece after the machining of the workpiece.
  • a method for controlling a production system with the features of claim 1 is proposed.
  • a computer program, a machine-readable storage medium, an electronic control unit and a production system are also proposed. Preferred and / or advantageous configurations result from the description, the subclaims and the attached figures.
  • a method for controlling a production plant is proposed.
  • the method can be implemented as a computer program and / or can be executed on a control unit and / or the production system.
  • the production plant is, for example, a production line.
  • a product can be manufactured, processed and / or processed by means of the production plant.
  • the terms product, object and / or workpiece are used in the following in particular as equivalent.
  • a multi-stage production plan can be carried out by means of the production plant.
  • the control can be used to distribute work steps in the production system, to put the production system into operation, to adapt it and / or to switch it off.
  • the production system includes a start buffer, an end buffer and a number of production units with process functions.
  • the production system preferably comprises exactly one start buffer and / or exactly one end buffer.
  • the production system can have a plurality of start buffers and / or Have final buffers.
  • the start buffer is designed in particular as a source and is formed, for example, by an input warehouse. A blank and / or an object can be provided and / or obtained by means of the start buffer.
  • the start buffer is the starting point for production in the production plant.
  • the end buffer is designed, for example, as an output bearing and / or forms a sink.
  • a finished workpiece, product and / or object can be delivered and / or deposited at the end buffer.
  • the end buffer in particular forms the end point of production with the production plant.
  • a start buffer is characterized in that it is only removed from it, an end buffer is in particular characterized in that it is only inserted into it.
  • the production plant has a plurality, in particular more than five and in particular more than ten production units.
  • the production units are formed, for example, by work stations.
  • each production unit has a process function and / or a plurality of process functions.
  • the process functions are, for example, work steps and / or activities that the production unit can carry out. Examples of process functions include drilling, sawing, screwing or measuring.
  • the production facilities are also called machines in everyday language.
  • a transport is defined and / or runs from the start buffer to the end buffer.
  • the transport route is designed to transport the product, the workpiece and / or the object.
  • a product, the workpiece and / or an object can be transported from the start buffer to the end buffer along the transport path.
  • the product transport takes place in particular with a product flow.
  • the product flow indicates, for example, the number of products, objects and / or workpieces that are transported per unit of time.
  • the product flow can be used to identify a production speed of the production plant.
  • the production flow can in particular be defined via a cycle time of the production units, in particular the product flow being determined by the longest cycle time of the production unit.
  • the transport route can be an unbranched transport route, for example directly from the start buffer to the end buffer, alternatively the transport route is a branched route Transport route with parallel routes, branches and / or detours.
  • the transport route can be formed by an assembly line and / or another transport unit.
  • the production units are arranged in particular on and / or along the transport route. Individual production units are connected to one another in particular by the transport route.
  • the connection of the transport units by means of the transport path can be direct, for example linearly unbranched or branched.
  • transport routes can be run in parallel, preferably if production units are to perform the same task.
  • the production units are supplied with the product, the object and / or the workpiece in particular on the transport route.
  • the transport route serves to link the individual production units.
  • the transport route between two production units forms a product buffer.
  • a product buffer in particular also the start buffer and end buffer, always only contains products with the same processing status.
  • the transport route between two production units and / or the production buffer forms an edge, such an edge being understood as an edge in the sense of Petri nets, such an edge being particularly characterized in that an edge entering a production unit is a product, Deliver workpiece or object to the production unit, an edge of the production unit emerging from the production unit taking an object, workpiece and / or product.
  • a product buffer is also particularly characterized in that it is removed from it and placed in it.
  • the production plant comprises at least two production units that have the same process function.
  • more than two and / or five production units can have the same process function.
  • several identical process functions can be covered by different production units. This is to be understood in particular in such a way that at least two production units are present redundantly and / or the same process functions occur redundantly in the production system.
  • Production units with a redundant process function are preferably arranged in parallel.
  • the procedure provides that a production task is determined.
  • the production task can be determined and / or created by a user.
  • To determine the production task for example, production steps are defined and / or strung together.
  • the production task and / or the determination of the production task serves to define the production steps to be carried out in succession which are necessary to produce the product.
  • the production task begins with the removal of an object from the start buffer, which is followed
  • the production steps can be carried out in particular through process functions.
  • the process functions describe the production steps. For example, if a production step is drilling a hole at this position, this process step can be carried out using the drilling process function.
  • Production units can be assigned and / or assigned.
  • the production task can also be determinable by calling it from a database and / or entering it in a computer program.
  • the method provides that production units for carrying out the individual production steps are selected based on an optimization of the production task.
  • the selection is based, for example, on maintaining production, maximizing product flow and / or being able to produce in an energy-efficient manner.
  • the production steps of the production task are assigned to the production units in such a way that the production task is carried out particularly well.
  • the production units are then controlled based on the selection made. For example, the production units are informed that they must and / or should carry out this production step. Furthermore, the control can include that the transport flow takes place in such a way that the corresponding production units in the correct order and / or at the right time with products, objects and / or workpieces.
  • the selection of production units and / or the assignment of production units to production steps is based on the optimization task for the redundant production units. For example, it may be more efficient and / or less expensive to use one or the other production unit with the same process function. By solving the optimization problem, the production unit can be selected that is more suitable for the same process function.
  • the invention is based on the consideration of providing a method and / or an algorithm which can assign redundant process functions to perform the same task.
  • production units can be used evenly.
  • faulty production units can be replaced by redundant counterparts.
  • the proposed invention enables a separate design of control and control variable distribution. The method is therefore suitable as a particularly fault-tolerant control of intermediate buffers.
  • the invention is also based on the consideration of providing a method which controls a production plant and takes over the machine and / or process device assignment, this assignment taking place in particular in real time and / or during operation of the production plant. This enables an efficient assignment.
  • the optimization of the process task includes and / or takes into account a secondary condition.
  • the secondary condition can represent, for example, the most uniform possible utilization of production units, in particular the redundant production units, fulfilling special quality requirements, energy-efficient working or fail-safe production.
  • several constraints and the production task can be optimized at the same time.
  • values are defined, for example Condition should be optimized primarily and / or which is subordinate. This embodiment is based on the consideration that the presence of redundant production units enables a different distribution of process functions and / or production steps, so that there is no clear solution to enable the production system. An assignment can be preferred by introducing constraints.
  • the production units have at least one manipulated variable.
  • the manipulated variable is particularly suitable for describing and / or setting the process function.
  • the manipulated variable defines the production speed and / or the cycle time of the process function.
  • the optimization is based on the manipulated variable.
  • the manipulated variable for a process function can be taken from an interval, for example the manipulated variable u e [Umin, Umax].
  • a target value for the manipulated variable is determined.
  • the setpoint is optimized, for example, in such a way that the production task is optimized and / or the secondary condition is met and / or taken into account. It can then be provided that the actuating variable is set in accordance with the setpoint when the production units are activated.
  • the manipulated variable is particularly preferably a continuous manipulated variable.
  • This form of normalization can be represented by a linear / affine mapping of the Manipulated variable to be understood on the real process speed.
  • the interval limits 0 and 1 can therefore be selected arbitrarily. If a production system is defective, this cannot be recognized by its manipulated variable, for example, but by its discrete state.
  • the selection monitors the production task, the production units, the process functions and / or intermediate buffers as product parameters.
  • the manipulated variables can also be monitored as product parameters.
  • the product parameters are preferably called up cyclically, in particular, however, before the production task is selected.
  • a change in a production parameter is detected, with the change in the production parameter being followed by a new selection and / or assignment of production units for carrying out the process steps.
  • the design of the method can redistribute production units to production steps if a production parameter has been changed. For example, a production unit fails, the manipulated variable then changing in particular from 1 to 0, so that the production units are newly assigned to the production tasks and / or steps in order to maintain the production task.
  • a change in the production parameter can result in an object being removed or added from an intermediate buffer, so that subsequent production units must and / or can react to it.
  • the production parameter describes a failure and / or status of the production unit.
  • production parameter 1 describes that the production unit is in operation and / or is running intact, wherein production parameter 0 describes that the production unit has failed and / or is out of operation. If one of these production parameters changes, it has to be reacted to in the production plant, especially if a production unit has failed. With the method, a new selection and / or assignment of production units and production steps will thus take place immediately after the change in the production parameter.
  • This design is based on the consideration of a procedure for To provide control of a production plant, which enables the particularly fail-safe operation of the production plant.
  • the selection of the production units is based on a Petri network.
  • the production system is modeled and / or described as a Petri network.
  • the production task as such can also be modeled and / or displayed in the Petri network.
  • the production units are described as transitions and the intermediate buffers are described as locations.
  • the states of the intermediate buffers and / or locations are referred to as marks.
  • the brands describe, for example, the filling status of the transport route, for example whether a product can be provided and / or removed.
  • the optimization of the production task is based on an evaluation, assessment and / or optimization of the Petri network.
  • the process functions are called activities of transitions. This embodiment is based on the consideration of providing a simple and / or machine-solvable method for controlling the production plant which can describe and / or reflect reality well.
  • One embodiment of the invention provides that the selection of the production plants is based on methods of control allocation.
  • the control allocation is based on the consideration of providing a control algorithm as the primary goal, which calculates a control input and / or manipulated variables u, which ensure that the desired task, in particular production task with the production system, is achieved and in particular that the process functions are used as far as possible will.
  • the control algorithm reduces the product flow and / or the production task, i.e. the performance target is reduced, and searches for manipulated variables u that allow the smallest possible deviation from the target.
  • Priorities can also be involved so that constraints can also be set.
  • Such a weighting can take place, for example, using weighting matrices.
  • the optimization can be described as a mathematical problem.
  • the mathematical problem of optimization can be specifically defined as a minimum - min
  • M is a matrix.
  • the matrix M has in particular.
  • the matrix M is not square and is preferably rank-deficient.
  • the matrix M preferably has more columns than rows.
  • a Newton step and / or Newton method with a QR decomposition is used to carry out the method and / or the optimization.
  • the method of steepest descent can be used to solve the optimization problem in the presence of an edge-deficient matrix M.
  • the matrix M can in particular be a time-dependent matrix M and describe the dynamics of the production plant.
  • the standard used is preferably the Euclidean standard, but can alternatively be replaced by another standard.
  • state vectors from the Petri network are used as the starting point and / or starting values to solve the optimization problem, which are initially determined, for example, by a trajectory determination module.
  • a particularly preferred embodiment of the invention provides that an additional condition description in the form of a matrix J (of uO) is used in the optimization for the selection and / or assignment of the production units to production steps.
  • this optimization can be described in the form of a mathematical model
  • the matrix J of uO describes in particular constraints that should be fulfilled.
  • the matrix J of uO can include a weighting of the individual constraints.
  • the matrix J is time-dependent.
  • Another object of the invention is a computer program.
  • the computer program is in particular for execution and / or execution on a computer, a production system or an electronic control unit.
  • the computer program is designed to carry out all steps of the method, in particular as described above, when the computer program is executed on the computer, the production system or on the electronic control unit.
  • Another object of the invention is a machine-readable storage medium.
  • the machine-readable storage medium is a CD, a USB stick, a DVD or another data carrier.
  • the computer program for carrying out the method is stored on the machine-readable storage medium.
  • Another object of the invention is an electronic control unit, the control unit being set up to carry out all the steps of the method as described above.
  • the electronic control unit is a computer unit, a processor unit or a microcontroller.
  • the computer program is executed on the electronic control unit as previously described.
  • the production plant has a start buffer, an end buffer and a plurality of production units with production functions.
  • a transport route extends between the start buffer and the end buffer, the production units being arranged along the transport route.
  • the production units are connected to one another via the transport route, the transport route between two production units each forming a product buffer. At least two production units in the production plant have the same process function and are therefore redundant.
  • the production system has an electronic control unit, the electronic control unit being designed based on a production task, which is determined, for example, or stored or implemented by a user can determine, extract and / or determine production steps of a production task.
  • the electronic control unit is also designed to assign production units to the production steps based on the production task and optimization of the production task. Furthermore, the control unit can be designed to control the production units based on the selection and / or assignment. In particular, the production plant is designed to carry out the method.
  • Figure 1 shows a production plant as an embodiment
  • Figure 2 is a schematic view of a production facility
  • Figure 3 manipulated and output variables in a simulated production plant
  • Figure 4 shows another Petri network of a production plant
  • Figure 5 shows a production plant with parallel redundant production units.
  • FIG. 1 shows a production plant 1.
  • the production plant 1 comprises five production units 2a, 2b, 2c, 2d and 2e. Furthermore, the
  • Production plant 1 has two start buffers 3a and 3b and an end buffer 4.
  • a transport route extends between start buffers 3a and 3b to end buffer 4.
  • the start buffers 3a, 3b are each connected to at least one production unit 2a, 2b or 2d.
  • the end buffer 4 is also connected to at least one production unit 2c, 2d, 2e.
  • Raw materials, a product or an object are obtained from the start buffer 3a, which can then be made available to one of the production units 2a, 2b, 2c.
  • the transport route is defined and / or is defined via assembly lines, the assembly lines and / or the transport route being referred to as edges 5. These edges 5 correspond in particular to the edges in petri nets.
  • a transport route and / or an edge 5 connects either two production units 2 or a production unit 2 with the start buffer 3 or the end buffer 4.
  • the transport route and / or the edges 5 between two production units 2 form an intermediate buffer 6.
  • a product, an object or a workpiece is consequently added and removed from an intermediate buffer 6.
  • the intermediate buffer 6 thus forms an intermediate store.
  • the intermediate buffer 6 has in particular only objects, products and / or workpieces of the same processing state.
  • the production units 2a-2e each have a manipulated variable.
  • the manipulated variable u is, for example, the speed, the speed being from an interval between u min and u max .
  • each production unit has at least one such manipulated variable u.
  • Each production unit 2 can thus be understood as a valve, the product flow in the production network and / or the production system 1 being able to be regulated by adjusting the manipulated variable u.
  • the production plant 1 thus has as many manipulated variables u as there are production units 2a-2e.
  • the production plant 1 has as many states as there are buffers, in particular start buffers 3a, 3b, end buffers 4 and / or intermediate buffers 6.
  • the production plant 1 has two production units 2a, 2b, which form redundant production units. Redundant production units 2a, 2b are understood in particular to mean production units which have the same process function.
  • the process function is, for example, an activity that can be carried out by means of the production unit 2.
  • the proposed invention is based on the consideration of providing a production system 1 and / or a method for controlling the production system 1 which prevents or at least reduces an empty or full running of the intermediate buffer.
  • Input variables of the method and / or of the algorithm are existing status information from the production unit control, or generally from the machine control. This status information is used for real-time influencing and / or real-time control of the entire production plant 1.
  • the production behavior of the production unit 2a-e can accordingly also be based on the status information of another of the production units 2a-e can be adjusted.
  • the utilization of the information socialized in this way under the production units 2a-e takes place algorithmically and offers a simple possibility for the internal redistribution of the production effort and / or the production task. Inexperienced machine operators can also ensure such redistribution by means of the method.
  • the method can be used to reduce the capital tied up in the production plant by using idle production units 1 in real time.
  • control allocation approaches can be found, for example, for the redundant control of actuators in aircraft.
  • a predetermined manipulated variable u is divided between existing actuators and, in the case of production plant 1, between existing production units 2a-2e. This means that production units 2a-2e can be used evenly and faulty production units can be replaced by redundant counterparts.
  • the proposed method can be used in particular for the fault-tolerant regulation of intermediate buffers 6, as can be seen in FIG. 1.
  • the production system 1 has at least as many independent manipulated variables u as there are intermediate buffers 6 and further manipulated variables u.
  • the method is carried out on an electronic control unit. This redundancy can then be used as follows, for example.
  • the electronic control unit specifies the manipulated variables u in such a way that acute malfunctions such as production unit failures or unplanned product withdrawals can be reacted to as quickly as possible and compensated for. If, for example, a production unit 2a-2e fails, parallel and / or redundant production units 2a-2e can take over part of the work by producing faster.
  • Upstream production units 2a-2e can also reduce their speed, for example, and thus save resources such as energy. Furthermore, intermediate buffers downstream of this are no longer filled as necessary, in particular by using the method.
  • a fault diagnosis necessary for the control and reconfiguration task is particularly thereby ensures that production units used in production plants 2a-2e can recognize faults, such as maintenance conditions, and can provide them as production parameters, for example.
  • FIG. 2 schematically shows an example of a production plant 1.
  • the production plant 1 shown here represents a line production.
  • the aim of this line production is to regulate the two intermediate buffers 6a and 6b to a desired value. By using control allocation, this can also be made possible in the case of discrete events such as production unit failures.
  • the production plant 1 can in particular be represented and / or described as a Petri network.
  • the start buffer 3 can be understood as a place 7a. 7th places are also referred to as storage components. Places 7 can describe objects or data elements and include their representation. Place 7a is connected to machines M1, M and M3, which can be understood as transition 8a. The transition 8a describes a production level. The transition 8a is connected to the place 7 via edges 9.
  • a production level comprises in particular one or more production units 2, preferably redundant production units 2.
  • the transitions 8 can change memory contents. In particular, the change in the memory contents describe activities which, for example, describe the process functions.
  • the transition 8a provides products of a certain processing state to the intermediate buffer 6a.
  • the intermediate buffer 6a is shown in the description as a Petri network as a place 7b. Edges 9 again point from place 7b to a subsequent transition 8b, the subsequent transition 8b comprising further machines M4, M5 and M6 as production units 2 and forming a further production level.
  • the machines M4, M5 and M6 or the transition 8b are followed by an intermediate buffer 6b, which can again be understood as a place 7c.
  • FIG. 3 shows the associated manipulated variable and output variable curves of a section of the production plant 1 from FIG. 2.
  • the manipulated variables u of the three production units or machines M1, M2 and M3 are identified in the first transition 8a. For example, one of the production units 2 fails more frequently in this production level and / or has to be serviced, so that no products are then manufactured or processed by this production unit 2 at the time.
  • This failure of the production unit 2 can be compensated for by the other two production units 2 by producing more and compensating for the failure. Due to the faster production and the compensation by the two other production units 2, this is no longer recognizable in the manipulated variable at the outputs of the second production level, transition 8b.
  • the manipulated variable curves for the second transition 8 are shown, which have no peaks or breaks, but a smooth curve curve.
  • the initial identification vector is by m 0 e N
  • the MATLAB notation is used for the indexing, where, for example, A ⁇ 2: s ) denotes column vectors 2 to 5 of the matrix A.
  • Complex production plants 1 often comprise many production units 2 that can interact with one another. A formal way is described below of how such production plants 1 can be described and / or modeled with discrete event behavior. The modeling method is described using an exemplary embodiment of a production plant 1 from FIG. 4.
  • MAD ES models multi-agent discrete event systems
  • MAD ES models are constructed in a compositional manner. Therefore, independent agents are first considered, who are represented here by the production facilities 2. Connections are then introduced in order to create production plant 1
  • a separate agent L is a DES (Discrete event System), which can perform at least one operation or one action.
  • a separate agent can therefore be modeled in a Petri network with a non-empty transit set T ⁇ 0). Conversely, there cannot be a transition that does not belong to an agent, since, by definition, operations can only be performed by agents.
  • a process can in particular be represented by a process function.
  • FIG. 4 shows a simplified Petri network model of the production plant 1 as a further exemplary embodiment.
  • a production unit 2a which forms a transition 8a, removes a number of workpieces from an input buffer 3a, processes them using the process function and delivers the processed workpieces to the intermediate buffer 6a.
  • the state 9a models a state in which the production unit 2a executes the process function intended for it.
  • the production unit 2b takes the machined workpieces from the intermediate buffer 6a.
  • the Production unit 2b can describe and / or have a transition 8b, in which case the machined workpiece is finished and delivered to the output buffer 4.
  • the production unit 2a switches to the “out of operation” state, which can be understood and / or described as transition 8c and can be modeled by state 9b.
  • the transition 8d describes the restarting of the production unit 2a so that new production cycles can be started.
  • the transition 8e represents an empty transition, which does not affect the machine status. It can be assumed that production units 2 can vary their processing speed as a manipulated variable.
  • the corresponding network matrix for the exemplary production plant 1 is given by
  • Connections also called edges, describe how and / or which agents can interact with each other.
  • Petri nets only places can describe connections. This is because transitions always correspond to operations that, by definition, can only be performed by agents.
  • These agents A t and A j with i F j should be connected by the places p if ( ⁇ rur ⁇ ) h T Ai F ⁇ 0) L ( ⁇ ru r ') n T L ⁇ F ⁇ 0), where ⁇ R and p ⁇ denote pre- and post-transition set of p. Specifically, this means that there is at least one edge that connects p to a transition from A t and at least one edge that connects p to A j .
  • a production plant 1 is considered, which is defined as follows. Definition: A production plant is described by a bipartite graph with the node partitions M and ⁇ . Elements of ⁇ describe buffers, elements of M instances of production units 2 as shown in FIG. 1. Furthermore, the condition must be met that the production units 2 have no more than one input buffer and one output buffer.
  • the two partitions M and ⁇ denote sets of different node types in the graph of a production network, in particular according to the production units or buffers.
  • the numbering of these nodes (1; ...; ⁇ M ⁇ ; ⁇ M ⁇ + 1, ..., ⁇ M ⁇ +
  • FIG. 5 shows an example of a production plant 1 as a two-part graph, consisting of three machine nodes M and three buffer nodes ⁇ .
  • the machine accounts M are provided with the reference number 2 here and form production units, the buffer nodes ⁇ here having the reference numbers 3, 6 and 4 and forming buffers.
  • the corresponding sub-adjacency matrices are given by
  • N t ' [- (A 2,1 ) c . ) (Ai, 5 ) (; . ) 0 0 0], (6)
  • the network matrix of the overall system is given by
  • An ODE model can be derived from the matrix N N.
  • the system input considered is given by variable processing speeds for the production units.
  • the entire production cycle of a production unit is given by firing the first two transitions. Due to the block diagonal structure, the performance of a production cycle of a certain production unit affects its own manipulated variable
  • Input buffer 3 is neglected and only the part of the production network that is within the system boundary in Figure 5 is modeled.
  • a decoupling controller can be constructed as follows
  • D * denotes the classic decoupling matrix, which in our case corresponds to the input matrix.
  • u —Kx + Fw
  • y * -BKx + BFw.
  • F K must apply.
  • the resulting K and F become a 2 norm by the choice of the pseudo inverses, ie their maximum singular value is minimized (for which our additional degree of freedom is used). This leads to a Equal weighting of the input values u cl and u c2 , which indicates an even utilization of the parallel production units by the control.

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Abstract

Verfahren zur Steuerung einer Produktionsanlage (1), wobei die Produktionsanlage (1) einen Startpuffer 3a,b, einen Endpuffer (4) und eine Mehrzahl an Produktionseinheiten 2a-e mit Prozessfunktionen aufweist, wobei von dem Startpuffer 3a,b zum Endpuffer (4) ein Transportweg zum Produkttransport mit einem Produktfluss verläuft, wobei die Produktionseinheiten 2a-e am Transportweg angeordnet sind, wobei der Transportweg zwischen zwei Produktionseinheiten 2a-e jeweils einen Produktpuffer bildet, wobei mindestens zwei Produktionseinheiten 2a-e eine gleiche Prozessfunktion aufweisen, mit den Verfahrensschritten: - Bestimmen einer Produktionsaufgabe, wobei die Produktionsaufgabe Produktionsschritte umfasst und die Produktionsschritte durch mindestens eine der Prozessfunktionen ausführbar sind, - Auswahl von Produktionseinheiten 2a-e zur Durchführung der Produktionsschritte, wobei die Auswahl auf einer Optimierung der Produktionsaufgabe basiert, - Ansteuern der Produktionseinheiten 2a-e.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Steuerung einer Produktionsanlage, Computerprogramm, maschinenlesbares Speichermedium, elektronische Steuereinheit sowie
Produktionsanlage
Stand der Technik
Es wird ein Verfahren zur Steuerung einer Produktionsanlage vorgeschlagen, wobei die Produktionsanlage einen Startpuffer, einen Endpuffer und eine Mehrzahl an Produktionseinheiten mit Prozessfunktionen aufweist, wobei zwischen Startpuffer und Endpuffer ein Transportweg zum Produkttransport mit einem Produktfluss verläuft.
Zur Herstellung von Produkten wird häufig eine Vielzahl von Maschinen und Prozesseinrichtungen zu einem Produktionsnetzwerk zusammengeschaltet. Die Verkopplung der einzelnen Maschinen und/oder Prozesseinrichtungen geschieht dabei in der Regel durch Fließbänder oder Transporteinrichtungen. Zwischen den Maschinen werden insbesondere Produkte desselben Verarbeitungszustandes transportiert. Während des Transportweges können aber auch Produkte entnommen werden oder hinzugefügt werden, beispielsweise bei Durchführung einer Qualitätskontrolle. Ferner ist es möglich, dass Maschinen ausfallen oder die Produktionsgeschwindigkeit der Maschine verändert wird, sodass sich der Produktfluss im Transportweg ändert. Nachfolgende Maschinen müssen auf solche Veränderungen schnell reagieren können. Eine Möglichkeit, darauf zu reagieren, ist der Einsatz von modellprädiktiven Regelungen (MPC). Solche modellprädiktiven Regelungen finden beispielsweise in der chemischen Verfahrenstechnik häufig Einsatz. Die Druckschrift DE 10 2010 039 313 Al, die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, beschreibt ein Verfahren zur Steuerung einer Fertigungslinie mit Arbeitsstationen, die über ein Transportsystem TS nacheinander mit zu bearbeitenden Werkstücken versorgt werden und mit Steuerungen für die Bearbeitung des Werkstückes in jeder Arbeitsstation, wobei in einer oder mehreren Arbeitsstationen Ruhezustände generierbar sind, in welche die Steuerung gehen kann, wenn nach der Bearbeitung des Werkstückes kein nachfolgendes Werkstück vorhanden ist.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Steuerung einer Produktionsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Ferner wird ein Computerprogramm, ein maschinenlesbares Speichermedium, eine elektronische Steuereinheit und eine Produktionsanlage vorgeschlagen. Bevorzugte und/oder vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung, den Unteransprüchen und den beigefügten Figuren.
Es wird ein Verfahren zur Steuerung einer Produktionsanlage vorgeschlagen. Insbesondere ist das Verfahren als ein Computerprogramm implementierbar und/oder auf einer Steuereinheit und/oder der Produktionsanlage ausführbar. Die Produktionsanlage ist beispielsweise eine Fertigungslinie. Mittels der Produktionsanlage kann ein Produkt hergestellt, bearbeitet und/oder verarbeitet werden. Die Begriffe Produkt, Objekt und/oder Werkstück werden im Folgenden insbesondere gleichwertig verwendet. Insbesondere kann mittels der Produktionsanlage ein mehrstufiger Produktionsplan ausgeführt werden. Im Speziellen können mittels der Steuerung Arbeitsschritte in der Produktionsanlage verteilt werden, die Produktionsanlage in Betrieb genommen werden, angepasst werden und/oder abgeschaltet werden.
Die Produktionsanlage umfasst einen Startpuffer, einen Endpuffer und eine Mehrzahl an Produktionseinheiten mit Prozessfunktionen. Vorzugsweise umfasst die Produktionsanlage genau einen Startpuffer und/oder genau einen Endpuffer. Alternativ kann die Produktionsanlage eine Mehrzahl an Startpuffern und/oder Endpuffern aufweisen. Der Startpuffer ist insbesondere als eine Quelle ausgebildet und wird beispielsweise von einem Eingangslager gebildet. Mittels des Startpuffers ist ein Rohling und/oder ein Objekt bereitstellbar und/oder beziehbar. Der Startpuffer bildet insbesondere den Ausgangspunkt für die Produktion in der Produktionsanlage. Der Endpuffer ist beispielsweise als ein Ausgangslager ausgebildet und/oder bildet eine Senke. An dem Endpuffer kann insbesondere ein fertiges Werkstück, Produkt und/oder Objekt abgegeben und/oder abgelegt werden. Der Endpuffer bildet insbesondere den Endpunkt der Produktion mit der Produktionsanlage. Insbesondere ist ein Startpuffer dadurch gekennzeichnet, dass aus ihm ausschließlich entnommen wird, wobei ein Endpuffer insbesondere dadurch gekennzeichnet ist, dass in diesen ausschließlich hineingelegt wird.
Die Produktionsanlage weist eine Mehrzahl, insbesondere mehr als fünf und im Speziellen mehr als zehn Produktionseinheiten auf. Die Produktionseinheiten werden beispielsweise von Arbeitsstationen gebildet. Insbesondere weist jede Produktionseinheit eine Prozessfunktion und/oder eine Mehrzahl an Prozessfunktionen auf. Die Prozessfunktionen sind beispielsweise Arbeitsschritte und/oder Tätigkeiten, welche die Produktionseinheit durchführen kann. Beispiele für Prozessfunktionen sind beispielsweise Bohren, Sägen, Schrauben oder Messen. Im Besonderen werden alltagssprachlich die Produktionsanlagen auch als Maschinen bezeichnet.
Von Startpuffer zu Endpuffer ist ein Transport definiert und/oder verläuft dort. Der Transportweg ist zum Transport des Produktes, des Werkstücks und/oder des Objektes ausgebildet. Entlang des Transportweges kann ein Produkt, das Werkstück und/oder ein Objekt von Startpuffer zu Endpuffer transportiert werden. Der Produkttransport erfolgt insbesondere mit einem Produktfluss. Der Produktfluss gibt beispielsweise an, welche Anzahl an Produkten, Objekten und/oder Werkstücken pro Zeiteinheit transportiert wird. Insbesondere ist der Produktfluss zur Kennzeichnung einer Produktionsgeschwindigkeit der Produktionsanlage heranziehbar. Der Produktionsfluss kann im Speziellen über eine Taktzeit der Produktionseinheiten definiert werden, wobei insbesondere der Produktfluss durch die längste Taktzeit der Produktionseinheit bestimmt wird. Der Transportweg kann ein unverzweigter Transportweg sein, beispielsweise direkt von Startpuffer zu Endpuffer, alternativ ist der Transportweg ein verzweigter Transportweg mit parallelen Strecken, Abzweigungen und/oder Umleitungen. Im Speziellen kann der Transportweg von einem Fließband und/oder einer anderweitigen Transporteinheit ausgebildet sein.
Die Produktionseinheiten sind insbesondere am und/oder entlang des Transportweges angeordnet. Einzelne Produktionseinheiten werden insbesondere durch den Transportweg miteinander verbunden. Die Verbindung der Transporteinheiten mittels des Transportweges kann direkt, beispielsweise linear unverzweigt oder verzweigt geschehen. Beispielsweise können Transportwege parallel geführt werden, vorzugsweise wenn Produktionseinheiten eine gleiche Tätigkeit ausführen sollen. Die Produktionseinheiten werden am Transportweg insbesondere mit dem Produkt, mit dem Objekt und/oder dem Werkstück versorgt. Der Transportweg dient der Verkopplung der einzelnen Produktionseinheiten.
Der Transportweg zwischen zwei Produktionseinheiten bildet jeweils einen Produktpuffer. Ein Produktpuffer, insbesondere auch der Startpuffer und Endpuffer, beinhaltet ausschließlich immer Produkte desselben Verarbeitungszustandes. Insbesondere bildet der Transportweg zwischen zwei Produktionseinheiten und/oder der Produktionspuffer eine Kante, wobei eine solche Kante als Kante im Sinne von Petri- Netzen zu verstehen ist, wobei eine solche Kante insbesondere dadurch gekennzeichnet ist, dass eine in eine Produktionseinheit eintretende Kante ein Produkt, Werkstück oder Objekt an die Produktionseinheit liefert, wobei eine aus der Produktionseinheit austretende Kante der Produktionseinheit ein Objekt, Werkstück und/oder Produkt entnimmt. Ein Produktpuffer ist ferner insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass aus ihm entnommen wird und hineingelegt wird.
Die Produktionsanlage umfasst mindestens zwei Produktionseinheiten, die eine gleiche Prozessfunktion aufweisen. Insbesondere können mehr als zwei und/oder fünf Produktionseinheiten eine gleiche Prozessfunktion aufweisen. Ferner können im Speziellen mehrere gleiche Prozessfunktionen von unterschiedlichen Produktionseinheiten umfasst sein. Dies ist insbesondere so zu verstehen, dass mindestens zwei Produktionseinheiten redundant vorhanden sind und/oder gleiche Prozessfunktionen redundant in der Produktionsanlage Vorkommen. Vorzugsweise sind Produktionseinheiten mit redundanter Prozessfunktion parallel angeordnet.
Das Verfahren sieht vor, dass eine Produktionsaufgabe bestimmt wird. Insbesondere kann die Produktionsaufgabe durch einen Benutzer bestimmt und/oder angelegt werden. Zum Bestimmen der Produktionsaufgabe werden beispielsweise Produktionsschritte festgelegt und/oder aneinandergereiht. Die Produktionsaufgabe und/oder das Bestimmen der Produktionsaufgabe dient dem Festlegen der nacheinander durchzuführenden Produktionsschritte, die nötig sind um das Produkt herzustellen. Beispielsweise beginnt die Produktionsaufgabe mit einer Entnahme eines Objekts aus dem Startpuffer, woran sich
Bearbeitungsschritte anschließen und anschließend das bearbeitete Objekt und/oder Werkstück am Endpuffer abgegeben und/oder abgelegt wird. Die Produktionsschritte sind insbesondere durch Prozessfunktionen ausführbar. Beispielsweise beschreiben die Prozessfunktionen die Produktionsschritte. Beispielsweise lautet ein Produktionsschritt bohre ein Loch an dieser Position, so kann dieser Prozessschritt durch die Prozessfunktion Bohren ausgeführt werden. Im Speziellen können Produktionsschritte bestimmter Arten von
Produktionseinheiten zugeordnet und/oder zuordenbar sein. Insbesondere kann die Produktionsaufgabe auch bestimmbar sein, indem es aus einer Datenbank aufgerufen wird und/oder in einem Computerprogramm eingegeben wird.
Das Verfahren sieht vor, dass Produktionseinheiten zur Durchführung der einzelnen Produktionsschritte basierend auf einer Optimierung der Produktionsaufgabe ausgewählt werden. Die Auswahl basiert beispielsweise darauf, die Produktion aufrecht zu erhalten, den Produktfluss zu maximieren und/oder energieeffizient produzieren zu können. Bei dem Verfahren werden die Produktionsschritte der Produktionsaufgabe so den Produktionseinheiten zugeordnet, dass die Produktionsaufgabe besonders gut durchgeführt wird.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens werden dann die Produktionseinheiten basierend auf der getroffenen Auswahl angesteuert. Beispielsweise wird den Produktionseinheiten mitgeteilt, dass sie diesen Produktionsschritt durchführen müssen und/oder sollen. Ferner kann das Ansteuern umfassen, dass der Transportfluss so erfolgt, dass die entsprechenden Produktionseinheiten in der richtigen Reihenfolge und/oder zur richtigen Zeit mit Produkten, Objekten und/oder Werkstücken versorgt wird.
Insbesondere erfolgt die Auswahl von Produktionseinheiten und/oder die Zuordnung von Produktionseinheiten zu Produktionsschritten basierend auf der Optimierungsaufgabe für die redundant vorkommenden Produktionseinheiten. Beispielsweise kann es effizienter und/oder kostengünstiger sein, die eine oder die andere Produktionseinheit mit der gleichen Prozessfunktion zu verwenden. Durch Lösung des Optimierungsproblems kann die Produktionseinheit ausgewählt werden, die für die gleiche Prozessfunktion besser geeignet ist.
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, ein Verfahren und/oder einen Algorithmus bereitzustellen, der redundant vorkommende Prozessfunktionen zur Durchführung der gleichen Aufgabe zuordnen kann. Beispielsweise kann so eine gleichmäßige Auslastung von Produktionseinheiten erfolgen. Insbesondere können so auch fehlerhafte Produktionseinheiten durch redundante Pendants ersetzt werden. Insbesondere ermöglicht die vorgeschlagene Erfindung im Gegensatz zur modellprädiktiven Regelung eine getrennte Auslegung von Regelung und Stellgrößenverteilung. Das Verfahren eignet sich damit als besonders fehlertolerante Regelung von Zwischenpuffern.
Der Erfindung liegt ferner die Überlegung zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine Produktionsanlage steuert und die Maschinen und/oder Prozesseinrichtungszuordnung übernimmt, wobei diese Zuordnung insbesondere in Echtzeit und/oder während des Betriebes der Produktionsanlage erfolgt. Somit wird eine effiziente Zuordnung ermöglicht.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Optimierung der Prozessaufgabe eine Nebenbedingung umfasst und/oder berücksichtigt. Die Nebenbedingung kann beispielsweise eine möglichst gleichmäßige Auslastung von Produktionseinheiten, insbesondere der redundanten Produktionseinheiten ein Erfüllen besonderer Qualitätsansprüche, ein energieeffizientes Arbeiten oder ein ausfallsicheres Produzieren darstellen. Insbesondere können auch mehrere Nebenbedingungen und die Produktionsaufgabe gleichzeitig optimiert werden. Bei gleichzeitiger Optimierung werden beispielsweise Wertigkeiten definiert, welche Bedingung vorrangig optimiert sein soll und/oder welche nachrangig ist. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, dass durch das Vorhandensein von redundanten Produktionseinheiten eine unterschiedliche Verteilung von Prozessfunktionen und/oder Produktionsschritten möglich ist, sodass es keine eindeutige Lösung zur Ermöglichung der Produktionsanlage geben muss. Durch das Einführen von Nebenbedingungen kann eine Zuordnung präferiert werden.
Optional ist es vorgesehen, dass die Produktionseinheiten mindestens eine Stellgröße aufweisen. Die Stellgröße ist insbesondere zur Beschreibung und/oder Einstellung der Prozessfunktion geeignet. Beispielsweise definiert die Stellgröße die Produktionsgeschwindigkeit und/oder die Taktzeit der Prozessfunktion. Insbesondere ist es vorgesehen, dass bei der Auswahl der Produktionseinheiten für die Produktionsaufgabe die Optimierung basierend auf der Stellgröße erfolgt. Beispielsweise ist die Stellgröße für eine Prozessfunktion aus einem Intervall zu entnehmen, beispielsweise ist die Stellgröße u e [Umin, Umax]. Im Speziellen kann es auch vorgesehen sein, dass bei der Auswahl der Produktionseinheiten und/oder Prozessfunktionen bei der Optimierung ein Sollwert für die Stellgröße bestimmt wird. Der Sollwert wird dabei beispielsweise so optimiert, dass die Produktionsaufgabe optimiert ist und/oder die Nebenbedingung erfüllt und/oder berücksichtigt ist. Dabei kann es dann vorgesehen sein, dass beim Ansteuern der Produktionseinheiten die Stellgröße entsprechend dem Sollwert eingestellt wird.
Besonders bevorzugt ist die Stellgröße eine kontinuierliche Stellgröße. Insbesondere ist die Stellgröße durch Normierung auf ein Intervall zwischen 0 und 1 skalierbar, wobei die Stellgröße beispielsweise als u bezeichnet wird, wobei insbesondere u = 1 eine maximale Produktionsgeschwindigkeit der zugehörigen Produktionsanlage beschreibet. Wird eine Produktionsanlage dagegen mit der Stellgröße u=0 beaufschlagt, produziert diese mit der minimal möglichen Produktionsgeschwindigkeit. Diese kann identisch Null sein. In diesem Fall produziert die Produktionsanlage nicht. Die minimale Produktionsgeschwindigkeit kann Prozessbedingt auch größer als Null sein, sofern eine Mindestproduktionsgeschwindigkeit benötigt wird, um die erforderliche Produktqualität zu sichern, wobei eine normierte Stellgröße von u=0 in diesem Fall (aufgrund der Normierung) in einer Produktionsgeschwindigkeit größer Null resultiert. Diese Form der Normierung kann durch eine lineare/affine Abbildung der Stellgröße auf die reale Prozessgeschwindigkeit verstanden werden. Daher sind die Intervallgrenzen 0 und 1 willkürlich wählbar. Ist eine Produktionsanlage defekt, kann dies beispielsweise nicht an ihrer Stellgröße erkannt werden, sondern an ihrem diskreten Zustand.
Besonders bevorzugt ist es, dass die Auswahl die Produktionsaufgabe, die Produktionseinheiten, die Prozessfunktionen und/oder Zwischenpuffer als Produktparameter überwacht. Insbesondere können auch die Stellgrößen als Produktparameter überwacht werden. Vorzugsweise werden die Produktparameter zyklisch abgerufen, insbesondere jedoch vor der Auswahl der Produktionsaufgabe. Im Speziellen wird eine Änderung eines Produktionsparameters detektiert, wobei auf die Änderung des Produktionsparameters eine erneute Auswahl und/oder Zuordnung von Produktionseinheiten zur Durchführung der Prozessschritte erfolgt. Anders ausgedrückt kann die Ausgestaltung des Verfahrens eine Umverteilung von Produktionseinheiten zu Produktionsschritten durchführen, wenn ein Produktionsparameter verändert wurde. Beispielsweise fällt eine Produktionseinheit aus, wobei sich die Stellgröße dann insbesondere von 1 auf 0 ändert, sodass zur Aufrechterhaltung der Produktionsaufgabe die Produktionseinheiten neu den Produktionsaufgaben und/oder Schritten zugeordnet werden. Ferner kann eine Änderung des Produktionsparameters darin resultieren, dass aus einem Zwischenpuffer ein Objekt entnommen oder hinzugefügt wird, sodass nachfolgende Produktionseinheiten darauf reagieren müssen und/oder können.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass der Produktionsparameter einen Ausfall und/oder Status der Produktionseinheit beschreibt. Beispielsweise beschreibt der Produktionsparameter 1, dass die Produktionseinheit in Betrieb ist und/oder intakt läuft, wobei der Produktionsparameter 0 beschreibt, dass die Produktionseinheit ausgefallen ist und/oder außer Betrieb ist. Ändert sich somit einer dieser Produktionsparameter, so muss in der Produktionsanlage darauf reagiert werden, insbesondere, wenn eine Produktionseinheit ausgefallen ist. Mit dem Verfahren wird somit sofort nach der Änderung des Produktionsparameters eine neue Auswahl und/oder Zuordnung von Produktionseinheiten und Produktionsschritten erfolgen. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung einer Produktionsanlage bereitzustellen, welches den besonders ausfallsicheren Betrieb der Produktionsanlage ermöglicht.
Besonders bevorzugt ist es, dass die Auswahl der Produktionseinheiten auf einem Petri-Netz beruht. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Produktionsanlage als ein Petri-Netz modelliert und/oder beschrieben wird. Beispielsweise kann auch die Produktionsaufgabe als solches im Petri-Netz modelliert und/oder dargestellt werden. Dabei ist es vorgesehen, dass die Produktionseinheiten als Transitionen beschrieben werden und die Zwischenpuffer als Plätze beschrieben werden. Die Zustände der Zwischenpuffer und/oder Plätze werden als Marken bezeichnet. Die Marken beschreiben beispielsweise den Füllzustand des Transportweges, beispielsweise, ob ein Produkt bereitgestellt und/oder entnommen werden kann. Dabei ist es beispielsweise vorgesehen, dass die Optimierung der Produktionsaufgabe auf einer Auswertung, Beurteilung und/oder Optimierung des Petri-Netzes erfolgt. Im Speziellen werden die Prozessfunktionen als Aktivitäten der Transitionen bezeichnet. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, ein einfach und/oder maschinell lösbares Verfahren zur Steuerung der Produktionsanlage bereitzustellen, welches die Realität gut beschreiben und/oder wiederspiegeln kann.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Auswahl der Produktionsanlagen auf Methoden der Control Allocation basiert. Der Control Allocation liegt die Überlegung zugrunde, als primäres Ziel einen Regelungsalgorithmus bereitzustellen, welcher einen Steuereingang und/oder Stellgrößen u berechnet, welche sicherstellen, dass die gewünschte Aufgabe, insbesondere Produktionsaufgabe mit der Produktionsanlage, erreicht wird und insbesondere die Prozessfunktionen im Rahmen der Möglichkeiten ausgenutzt werden. Insbesondere ist es vorgesehen, dass wenn keine machbare Stellgröße gefunden werden kann, mittels des Regelungsalgorithmus der Produktfluss und/oder die Produktionsaufgabe reduziert wird, also das Leistungsziel herabgesetzt wird, und nach Stellgrößen u zu suchen, welche eine möglichst geringe Abweichung vom Soll ermöglicht. Ferner können Prioritäten involviert werden, sodass Nebenbedingungen auch gesetzt werden können. Eine solche Gewichtung kann beispielsweise mittels Gewichtungsmatrixen erfolgen. Im Speziellen ist es vorgesehen, dass die Optimierung beschreibbar ist als ein mathematisches Problem. Das mathematische Problem der Optimierung kann im Speziellen definiert werden als Minimum - min |Mu-us| - Betrag, wobei gleichzeitig gilt Umin ist kleiner als umax. Dabei ist M eine Matrix. Die Matrix M weist im Speziellen auf. Im Speziellen gilt, dass die Matrix M nicht quadratisch ist und vorzugsweise rangdefizient ist. Die Matrix M weist vorzugsweise mehr Spalten als Zeilen auf. Im Speziellen kann es vorgesehen sein, dass zur Ausführung des Verfahrens und/oder der Optimierung ein Newtonschritt und/oder Newtonverfahren mit einer QR-Zerlegung verwendet wird. Insbesondere kann zur Lösung des Optimierungsproblems bei Vorliegen einer randefiziären Matrix M die Methode des steilsten Abstiegs verwendet werden. Die Matrix M kann insbesondere eine zeitabhängige Matrix M sein und die Dynamik der Produktionsanlage beschreiben. Die verwendete Norm ist vorzugsweise die euklidsche Norm, kann jedoch alternativ durch eine andere Norm ersetzt werden. Als Startpunkt und/oder Startwerte zur Lösung des Optimierungsproblems werden insbesondere Zustandsvektoren aus dem Petri-Netz verwendet, welche beispielsweise durch ein Trajektorienbestimmungsmodul zu Anfang bestimmt werden.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass bei der Optimierung zur Auswahl und/oder Zuordnung der Produktionseinheiten zu Produktionsschritten eine Nebenbedingungsbeschreibung in Form einer Matrix J (von uO) verwendet wird. Insbesondere kann diese Optimierung in Form eines mathematischen Modells beschrieben werden
Figure imgf000012_0001
Die Matrix J von uO beschreibt insbesondere Nebenbedingungen, die erfüllt werden sollen. Die Matrix J von uO kann eine Gewichtung der einzelnen Nebenbedingungen umfassen. Im Speziellen ist die Matrix J von uO zeitabhängig.
Besonders bevorzugt ist es, dass für die Stellgrößen uO und die Kennzahl der Produktionsaufgabe US gilt: dim(uo) > dim(us).. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, dass hier Produktionseinheiten und/oder Prozessfunktionen redundant Vorkommen und diese Beschreibung mathematisch so in das Modell integriert werden kann. Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Computerprogramm. Das Computerprogramm ist insbesondere zur Durchführung und/oder Ausführung auf einem Rechner, einer Produktionsanlage oder einer elektronischen Steuereinheit. Das Computerprogramm ist ausgebildet, alle Schritte des Verfahrens, insbesondere wie vorher beschrieben, durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf dem Rechner, der Produktionsanlage oder auf der elektronischen Steuereinheit ausgeführt wird.
Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein maschinenlesbares Speichermedium. Beispielsweise ist das maschinenlesbare Speichermedium eine CD, ein USB-Stick, eine DVD oder ein anderweitiger Datenträger. Auf dem maschinenlesbaren Speichermedium ist das Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens gespeichert.
Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet eine elektronische Steuereinheit, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens wie es vorher beschrieben ist durchzuführen. Beispielsweise ist die elektronische Steuereinheit eine Rechnereinheit, eine Prozessoreinheit oder ein Mikrocontroller. Beispielsweise wird auf der elektronischen Steuereinheit das Computerprogramm wie vorher beschrieben durchgeführt.
Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet eine Produktionsanlage zur Produktion und/oder Bearbeitung eines Produktes. Die Produktionsanlage weist einen Startpuffer, einen Endpuffer und eine Mehrzahl an Produktionseinheiten mit Produktionsfunktionen auf. Zwischen dem Startpuffer und dem Endpuffer erstreckt sich ein Transportweg, wobei entlang des Transportweges die Produktionseinheiten angeordnet sind. Die Produktionseinheiten sind über den Transportweg miteinander verbunden, wobei der Transportweg zwischen zwei Produktionseinheiten jeweils einen Produktpuffer bildet. Mindestens zwei Produktionseinheiten in der Produktionsanlage weisen eine gleiche Prozessfunktion auf und sind damit redundant vorhanden. Die Produktionsanlage weist eine elektronische Steuereinheit auf, wobei die elektronische Steuereinheit ausgebildet ist, basierend auf einer Produktionsaufgabe, welche beispielsweise bestimmt wird oder durch einen Benutzer hinterlegt oder implementiert werden kann, Produktionsschrite einer Produktionsaufgabe festzulegen, zu extrahieren und/oder zu bestimmen. Die elektronische Steuereinheit ist ferner ausgebildet, basierend auf der Produktionsaufgabe und Optimierung der Produktionsaufgabe den Produktionsschriten Produktionseinheiten zuzuordnen. Ferner kann die Steuereinheit ausgebildet sein, die Produktionseinheiten basierend auf der Auswahl und/oder Zuordnung anzusteuern. Insbesondere ist die Produktionsanlage zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
Figur 1 eine Produktionsanlage als ein Ausführungsbeispiel;
Figur 2 eine schematische Ansicht einer Produktionsanlage;
Figur 3 Stell- und Ausgangsgrößen in einer simulierten Produktionsanlage;
Figur 4 ein weiteres Petrinetz einer Produktionsanlage;
Figur 5 eine Produktionsanalage mit parallelen redundanten Produktionseinheiten.
Figur 1 zeigt eine Produktionsanlage 1. Die Produktionsanlage 1 umfasst fünf Produktionseinheiten 2a, 2b, 2c, 2d und 2e. Ferner umfasst die
Produktionsanlage 1 zwei Startpuffer 3a und 3b sowie einen Endpuffer 4. Zwischen den Startpuffern 3a und 3b hin zum Endpuffer 4 erstreckt sich ein Transportweg. Die Startpuffer 3a, 3b sind jeweils mit mindestens einer Produktionseinheit 2a, 2b oder 2d verbunden. Der Endpuffer 4 ist ebenfalls mit mindestens einer Produktionseinheit 2c, 2d, 2e verbunden. Aus dem Startpuffer 3a werden Rohstoffe, ein Produkt oder ein Objekt bezogen, welches dann einer der Produktionseinheiten 2a, 2b, 2c bereitgestellt werden kann. Der Transportweg definiert sich und/oder ist festgelegt über Fließbänder, wobei die Fließbänder und/oder der Transportweg als Kanten 5 bezeichnet werden. Diese Kanten 5 entsprechen insbesondere den Kanten in Petri- Netzen. Ein Transportweg und/oder eine Kante 5 verbindet entweder zwei Produktionseinheiten 2 oder eine Produktionseinheit 2 mit dem Startpuffer 3 oder dem Endpuffer 4. Der Transportweg und/oder die Kanten 5 zwischen zwei Produktionseinheiten 2 bilden einen Zwischenpuffer 6. Aus einem Zwischenpuffer 6 wird folglich ein Produkt, ein Objekt oder ein Werkstück hinzugefügt und entnommen. Der Zwischenpuffer 6 bildet somit einen Zwischenspeicher. Der Zwischenpuffer 6 weist insbesondere nur Objekte, Produkte und/oder Werkstücke desselben Verarbeitungszustandes auf.
Die Produktionseinheiten 2a-2e weisen jeweils eine Stellgröße auf. Die Stellgröße u ist beispielsweise die Geschwindigkeit, wobei die Geschwindigkeit aus einem Intervall zwischen umin und umax liegt. Insbesondere kann ohne Beschränkung der Allgemeinheit angenommen werden, dass jede Produktionseinheit mindestens eine solche Stellgröße u aufweist. Jede Produktionseinheit 2 kann somit wie ein Ventil aufgefasst werden, wobei durch Einstellung der Stellgröße u der Produktfluss im Produktionsnetzwerk und/oder der Produktionsanlage 1 reguliert werden kann. Aus regelungstechnischer Sicht weist damit die Produktionsanlage 1 so viele Stellgröße u auf, wie es Produktionseinheiten 2a-2e gibt. Ferner weist die Produktionsanlage 1 so viele Zustände auf, wie es Puffer, insbesondere Startpuffer 3a, 3b, Endpuffer 4 und/oder Zwischenpuffer 6 gibt.
Die Produktionsanlage 1 weist zwei Produktionseinheiten 2a, 2b auf, welche redundante Produktionseinheiten bilden. Als redundante Produktionseinheiten 2a, 2b werden insbesondere Produktionseinheiten verstanden, die dieselbe Prozessfunktion aufweisen. Die Prozessfunktion ist beispielsweise eine Tätigkeit, die mittels der Produktionseinheit 2 ausführbar ist.
Der vorgeschlagenen Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, eine Produktionsanlage 1 und/oder ein Verfahren zur Steuerung der Produktionsanlage 1 bereitzustellen, welches ein Leer- oder Volllaufen von Zwischenpuffer verhindert oder zumindest verringert. Eingangsgrößen des Verfahrens und/oder des Algorithmus sind bereits vorhandene Zustandsinformationen aus der Produktionseinheitssteuerung, oder allgemein der Maschinensteuerung. Diese Zustandsinformationen werden zur Echtzeitbeeinflussung und/oder Echtzeitregelung der gesamten Produktionsanlage 1 verwendet. Mit dem Verfahren kann das Produktionsverhalten der Produktionseinheit 2a-e demnach auch auf Basis der Zustandsinformationen einer anderen der Produktionseinheiten 2a-e angepasst werden. Die Verwertung der auf diese Weise unter den Produktionseinheiten 2a-e sozialisierten Informationen erfolgt algorithmisch und bietet eine simple Möglichkeit zur produktionsanlageninternen Umverteilung des Produktionsaufwandes und/oder der Produktionsaufgabe. Mittels des Verfahrens können auch unerfahrene Maschinenbediener eine solche Umverteilung gewährleisten. Ferner kann mittels des Verfahrens eine Reduktion der Kapitalbindung in der Produktionsanlage durch die Nutzung von brachliegenden Produktionseinheiten 1 in Echtzeit ermöglicht werden.
Das verwendete Verfahren zur Steuerung der Produktionsanlage 1 basiert dabei auf Strategien der Control Allocation. Ansätze der Control Allocation sind beispielsweise zur redundanten Steuerung von Aktoren in Flugzeugen zu finden. Bei der Control Allocation wird eine vorgegebene Stellgröße u auf vorhandene Aktoren und im Falle der Produktionsanlage 1 auf vorhandene Produktionseinheiten 2a-2e aufgeteilt. So kann eine gleichmäßige Auslastung der Produktionseinheiten 2a-2e erfolgen und fehlerhafte Produktionseinheiten durch redundante Pendants ersetzt werden.
Das vorgeschlagene Verfahren kann insbesondere zur fehlertoleranten Regulierung von Zwischenpuffern 6, wie diese in Figur 1 zu sehen sind, genutzt werden. Dabei besitzt die Produktionsanlage 1 mindestens so viele unabhängige Stellgrößen u, wie es Zwischenpuffer 6 und darüber hinaus weitere Stellgrößen u gibt. Beispielsweise wird das Verfahren auf einer elektronischen Steuereinheit ausgeführt. Diese Redundanz kann dann beispielsweise wie folgt genutzt werden. Die elektronische Steuereinheit legt dabei die Stellgrößen u derart fest, dass auf akute Störungen, wie beispielsweise Produktionseinheitenausfälle oder ungeplante Produktentnahmen schnellstmöglich reagiert werden kann und diese ausgeglichen werden. Fällt beispielsweise eine Produktionseinheit 2a-2e aus, können parallel arbeitende und/oder redundant vorhandene Produktionseinheiten 2a-2e einen Teil der Arbeit übernehmen, indem sie schneller produzieren. Vorgelagerte Produktionseinheiten 2a-2e können ferner beispielsweise ihre Geschwindigkeit reduzieren und so zum Beispiel Ressourcen wie Energie sparen. Ferner werden damit insbesondere durch Anwendung des Verfahrens nachgelagerte Zwischenpuffer nicht mehr als nötig befüllt. Eine zur Kontroll- und Rekonfigurationsaufgabe nötige Fehlerdiagnose wird insbesondere dadurch gewährleistet, dass in Produktionsanlagen verwendete Produktionseinheiten 2a- 2e Fehlerfälle, wie Wartungszustände bereits selbst erkennen und beispielsweise als Produktionsparameter bereitstellen können.
Figur 2 zeigt schematisch ein Beispiel, einer Produktionsanlage 1. Die hier dargestellte Produktionsanlage 1 stellt eine Linienfertigung dar. Ziel bei dieser Linienfertigung ist es, die beiden Zwischenpuffer 6a und 6b auf einen Sollwert zu regeln. Durch den Einsatz von Control Allocation kann dies auch bei diskreten Ereignissen wie beispielweise Produktionseinheitsausfällen ermöglicht werden.
Die Produktionsanlage 1 kann insbesondere als ein Petri-Netz darstellbar und/oder beschreibbar sein. Der Startpuffer 3 kann als ein Platz 7a verstanden werden. Plätze 7 werden auch als Speicherkomponenten bezeichnet. Plätze 7 können Gegenstände oder Datenelemente beschreiben und ihre Darstellung umfassen. Der Platz 7a ist mit Maschinen Ml, M und M3 verbunden, diese können als Transition 8a verstanden werden. Die Transition 8a beschreibt dabei eine Produktionsebene. Die Transition 8a ist mit dem Platz 7 über Kanten 9 verbunden.
Eine Produktionsebene umfasst insbesondere eine oder mehrere Produktionseinheiten 2, vorzugsweise redundante Produktionseinheiten 2. Die Transitionen 8 können Speicherinhalte verändern. Insbesondere beschreiben die Veränderung der Speicherinhalte Aktivitäten, welche beispielsweise die Prozessfunktionen beschreiben. Die Transition 8a stellt an den Zwischenpuffer 6a Produkte eines bestimmten Verarbeitungszustandes bereit. Der Zwischenpuffer 6a ist in der Beschreibung als Petri-Netz als ein Platz 7b dargestellt. Von dem Platz 7b weisen wieder Kanten 9 zu einer nachfolgenden Transition 8b, wobei die nachfolgende Transition 8b weitere Maschinen M4, M5 und M6 als Produktionseinheiten 2 umfasst und eine weitere Produktionsebene bildet. Auf die Maschinen M4, M5 und M6 bzw. die Transition 8b folgt ein Zwischenpuffer 6b, welcher wieder als ein Platz 7c verstanden werden kann. Auf diesen folgt wieder eine Transition 8c und daraufhin ein Platz 7c, welcher den Endpuffer beschreibt. Die Plätze 7a, 7b, 7c und 7d weisen insbesondere Marken auf. Die Marken 10 beschreiben beispielsweise Gegenstände und/oder Datenmengen. Im Speziellen beschreiben die Marken 10 Produkte, Objekte oder Werkstücke eines bestimmten Verarbeitungszustandes. Figur 3 zeigt die zugehörigen Stell- und Ausgangsgrößenverläufe eines Ausschnitts der Produktionsanlage 1 aus Figur 2. In dem ersten Diagramm sind die Stellgrößen u der drei Produktionseinheiten bzw. Maschinen Ml, M2 und M3 in der ersten Transition 8a gekennzeichnet. Beispielsweise fällt eine der Produktionseinheiten 2 in dieser Produktionsebene häufiger aus und/oder muss gewartet werden, sodass dann keine Produkte zu der Zeit von dieser Produktionseinheit 2 hergestellt oder bearbeitet werden. Dieser Ausfall der Produktionseinheit 2 kann durch die anderen beiden Produktionseinheiten 2 ausgeglichen werden, indem diese mehr produzieren und den Ausfall ausgleichen. Durch die schnellere Produktion und das Ausgleichen durch die beiden anderen Produktionseinheiten 2 ist an den Ausgängen der zweiten Produktionsebene, der Transition 8b, in der Stellgröße dies nicht mehr erkennbar. Im zweiten Diagramm sind die Stellgrößenverläufe für die zweite Transition 8 dargestellt, welche keine Zacken oder Abbrüche aufweisen, sondern einen glatten Kurvenverlauf. Durch die Anwendung des Verfahrens kann also auf Produktionsausfälle und/oder Stellgrößenveränderungen in redundanten Produktionsanlagen reagiert werden.
Insbesondere kann ein Ausführungsbeispiel wie folgt beschrieben werden:
Definition: Ein initialisiertes Petri-Netz ist durch das 5-Tupel TN = (T, T, N, m0, c) definiert, wobei T die Plätze und T die jeweiligen Transitionen bezeichnen. Die Netz- Matrix N e z|J,| x |:r| erfasst die Kanten zwischen T und T. Der initiale Kennzeichnungsvektor ist durch m0 e N|:p| gegeben, während c e N|:p| die maximale Token- Kapazität der Stellen beschreibt. Die grundlegende Gleichung der Petri-Netze ist gegeben durch: m(k + 1) = m(/c) + Nt(k)
Wobei t k) e {0,l)| :r| einen Firingvektor bei einem Ereignis k beschreibt, wobei der die Übergänge tt feuern können, wenn 0 < m(k) + N t(k) < c gilt.
Ferner beschreibt x = Ax + Bu y = Cx ein lineares Zustandsraummodell, wobei A e Mnxn, B e Mnxp, C e Eßxn gilt und x0 einen Ausgangszustand beschreibt. Im Folgenden wird die MATLAB- Notation für die Indizierung verwendet, wobei zum Beispiel A^2:s) Spaltenvektoren 2 bis 5 der Matrix A bezeichnet.
Komplexe Produktionsanlagen 1 umfassen oft viele Produktionseinheiten 2, die miteinander interagieren können. Im Folgenden wird ein formaler Weg beschrieben, wie solche Produktionsanlagen 1 mit diskretem Ereignisverhalten beschreibbar und/oder modellierbar sind. Das Modellierungsverfahren wird anhand eines Ausführungsbeispiels einer Produktionsanlage 1 aus Figur 4 beschrieben.
Der Aufbau von MAD ES- Modellen (Multi-agent discrete event Systems) erfolgt kompositorisch. Deshalb werden zunächst unabhängige Agenten betrachtet, die hier durch die Produktionseinrichtungen 2 repräsentiert werden. Anschließend werden Verbindungen eingeführt, um die Produktionsanalage 1 zu erstellen
Definition: Ein separater Agent L ist ein DES (Discrete event System), welcher mindestens einen Vorgang bzw. eine Aktion ausführen kann. Ein separater Agent kann daher in einem Petri-Netz mit einer nicht leeren Transittionsmenge modelliert werden T {0). Umgekehrt kann es keinen Übergang geben, der nicht zu einem Agenten gehört, da per Definition Vorgänge nur von Agenten ausgeführt werden können. Ein Vorgang kann insbesondere durch eine Prozessfunktion repräsentiert sein.
Figur 4 zeigt ein vereinfachtes Petri- Netzmodell der Produktionsanlage 1 als ein weiteres Ausführungsbeispiel. Während des Normalbetriebs entnimmt eine Produktionseinheit 2a, welche eine Transition 8a bildet, eine Anzahl von Werkstücken aus einem Eingangspuffer 3a, bearbeitet diese mittels der Prozessfunktion und gibt die bearbeiteten Werkstücke an den Zwischenpuffer 6a ab. Der Zustand 9a modelliert einen Zustand in welchem die Produktionseinheit 2a die ihr zugedachte Prozessfunktion ausführt. Aus dem Zwischenpuffer 6a entnimmt die Produktionseinheit 2b die bearbeiteten Werkstücke. Die Produktionseinheit 2b kann eine Transition 8b beschreiben und/oder aufweisen, wobei hier das bearbeitete Werkstück fertig gestellt und an den Ausgangspuffer 4 abgegeben wird.
Zur Wartung schaltet die Produktionseinheit 2a in den Zustand„Außer Betrieb“, was als Transition 8c verstanden und/oder beschrieben werden kann und durch den Zustand 9b modellierbar ist. Die Transition 8d beschreibt, das Wiederinbetriebnehmen der Produktionseinheit 2a, so dass neue Produktionszyklen gestartet werden können. Die Transition 8e stellt einen leeren Übergang dar, welcher sich nicht auf den Maschinenzustand auswirkt. Es kann davon ausgegangen werden, dass Produktionseinheiten 2 ihre Bearbeitungsgeschwindigkeit als Stellgröße variieren können.
Die korrespondierende Netzmatrix zu der beispielhaften Produktionsanlage 1 ist gegeben durch
Figure imgf000020_0001
Definition: Verbindungen, auch Kanten genannt, beschreiben, wie und/oder welche Agenten miteinander interagieren können. In Bezug auf Petri-Netze können nur Plätze Verbindungen beschreiben. Das ist darauf zurückzuführen, dass Übergänge immer Vorgängen entsprechen, die per Definition nur von Agenten ausgeführt werden können. Diese Agenten At und Aj mit i F j sollen durch die Plätze p verbunden sein, wenn (·r u r·)h TAi F {0)L(·r u r') n TLί F {0) gilt, wobei ·r und p· Prä- und Post- Transitionsmenge von p bezeichnen. Im Einzelnen bedeutet dies, dass sowohl mindestens eine Kante, die p mit einem Übergang von At verbindet existiert, als auch mindestens eine Kante, die p mit Aj verbindet, existiert.
Aufbau von Produktionsanlagen 1: Nach der Einführung der wichtigsten Bestandteile von MADES werden im Folgenden diese Bestanteile zusammengefügt. Es wird eine Produktionsanlage 1 betrachtet, die wie folgt definiert ist. Definition: Eine Produktionsanlage wird durch einen bipartiten Graphen mit den Knoten- Partitionen M und Έ beschrieben. Dabei beschreiben Elemente von Έ Puffer, wobei Elemente von M Instanzen von Produktionseinheiten 2, wie in Figur 1 dargestellt sind. Weiterhin muss die Bedingung erfüllt sein, dass die Produktionseinheiten 2 nicht mehr als einen Eingangspuffer und einen Ausgangspuffer haben.
Die zwei Partitionen M und Έ bezeichnen Sätze unterschiedlicher Knotentypen im Graphen eines Produktionsnetzwerkes, insbesondere gemäß den Produktionseinheiten bzw. Puffern. Die Nummerierung dieser Knoten (1; ... ; \M\; \M\ + 1, ... , \M\ + |B|) führt zu einer Adjazenzmatrix der Produktionsanlage mit einer Struktur
Figure imgf000021_0001
Figur 5 zeigt beispielhaft eine Produktionsanlage 1 als zweiteiligen Graph, bestehend aus drei Maschinenknoten M und drei Pufferknoten Έ. Die Maschinenkonten M sind hier mit den Bezugszeichen 2 versehen und bilden Produktionseinheiten, wobei die Pufferknoten Έ hier die Bezugszeichen 3, 6 und 4 aufweisen und Puffer bilden. Die entsprechenden Sub-Adjazenmatrizen sind gegeben durch
0 2 0 2 2 0
A 1,2 0 2 0 , Al, 2 0 0 3
.0 0 3 .0 0 0
Die in Abbildung 5 dargestellte Produktionsanlage wird vollständig durch die vorherigen Gleichungen beschrieben. Definiert werden die Kanten zwischen den Produktionseinrichtungen der j-ten Stelle und den gemeinsamen Ressourcen als
Nt' = [-(A2,1)c .) (Ai,5)(; .) 0 0 0], (6)
Die Netzmatrix des Gesamtsystems ist gegeben durch
Figure imgf000022_0001
Im Beispiel sollen strukturell homogene Agenten mit Nmi = N™2 = N™3 = Nm vorliegen.
In den Fällen, in denen Petri-Netze abstrakte Zustände wie Ampelfarben oder diskrete Maschinenzustände beschreiben, fehlt es den Fluidmodellen oft an Bedeutung, da strikte logische Bedingungen gelockert werden. Andererseits können Plätze, die quantitative Werte wie eine Anzahl an Werkstücken beschreiben, ohne diese Probleme fluidisiert werden. Dies liegt daran, dass das resultierende kontinuierliche Modell eine Interpolation zwischen ganzen Zahlen darstellt, die umso besser passt, je größer die Population (der Token) an diesen Plätzen ist. Die für eine erfolgreiche Fluidisierung notwendige Eigenschaft ist, dass eine aussagekräftige Vergleichbarkeit der Markierung mit der euklidischen Metrik möglich ist. Aus diesem Grund werden Petri- Netzpositionen, die qualitative Zustände beschreiben als logische Zustände bezeichnet. Stattdessen werden Plätze, die Quantitäten beschreiben und somit durch die euklidische Metrik messbar sind, als Speicherzustände bezeichnet und als gestrichelte Kreise im Petrinetz dargestellt. Im nächsten Abschnitt werden die Speicherzustände genutzt, um von der Petri-Netzbeschreibung zu einem ODE-Modell zu gelangen.
Ein ODE-Modell kann aus der Matrix NN abgeleitet werden. Der betrachtete Anlageninput ist durch variable Bearbeitungsgeschwindigkeiten für die Produktionseinheiten gegeben. Der gesamte Produktionszyklus einer Produktionseinheit ist durch das Feuern der ersten beiden Übergänge gegeben. Aufgrund der berandeten Blockdiagonalstruktur wirkt sich die Leistung eines Produktionszyklus einer bestimmten Produktionseinheit auf die eigene Stellgröße aus
Amm = Nm (. 1} + Nm (. 2) = 0
Die Markierung der gemeinsam genutzter Ressourcen ergeben sich zu
Figure imgf000022_0002
Offensichtlich kann eine Produktionseinheit zur Bearbeitung bestartet oder auch beendet werden. Die einzigen Änderungen die auftreten, befinden sich an Speicherplätzen, die in unserem Fall den Werkstückfluss durch das Netzwerk erfassen. Diese Speicherplätze beschreiben Zustandsinformationen im Sinne der Regelungstheorie und/oder SystemtheorieSteuerungstheorie. Daher kann sich auf die Speicherplätze konzentriert werden, um ein fluidisiertes ODE-Modell für den Reglerentwurf abzuleiten.
Da ein DES keine Zeitinformationen enthält, muss diese eingebunden werden, um zu einem ODE-Modell zu gelangen. Am einfachsten ist es, eine Zeitdauer AT den Übergängen des Petri-Netzes zuzuordnen. Da wir Multi-Agenten-Systeme betrachten, können Agenten Operationen parallel ausführen. Um die zeitlichen Aspekte richtig zu behandeln, ergibt sich die Notwendigkeit von (nichtlinearen) Vektorzeitkonzepten oder einer Hierarchisierung. Im vorliegenden Beispiel dauert ein Produktionszyklus zwei Übergänge und damit 2 T . Wie bereits erwähnt entspricht die Fluidisierung der Interpolation zwischen ganzen Zahlen, solange die Markierung der fluidisierten Plätze einen sinnvollen Bezug zur euklidischen Metrik hat. Bei Speicherplätzen ist dies immer der Fall. Bezüglich infinitesimaler kleiner Zeitinstanzen dt kann die Zustandsänderung als dxL = AmLi beschrieben werden. Durch das Einführen des Vektors u aller Stellgrößen, ergibt sich das Zustandsraummodell als
Figure imgf000023_0001
y = X.
Der Eingangspuffer 3 wird dabei vernachlässigt und nur der Teil des Produktionsnetzwerkes modelliert, welcher sich innerhalb der Systemgrenze in Abbildung 5 befindet. Die Messung der Anzahl der Werkstücke in den Puffern ist Stand der Technik oder kann nach dem Stand der Technik durchgeführt werden, da es sich lediglich um die Zählung der Werkstücke handelt. Deshalb wird C = f(|B|-ix|B|-i) angenommen.
Die zunehmende Komplexität der Kanten zwischen den Produktionseinheiten lässt den Ablauf der Werkstücke durch das Produktionsnetzwerk immer unübersichtlicher werden. Dies gilt insbesondere für den Fall von Produktionseinheitsausfällen, die die Netzstruktur vorübergehend verändern. Um Störungen zu kompensieren und der berechneten Referenzkurve zu folgen, wird ein Regler als Entkopplungsregler konstruiert. Ein Entkopplungsregler kann wie folgt konstruiert werden
Definition: Eine Differenzordnung
Figure imgf000024_0001
e N mit i = l, ... , p entsprechend dem Ausgang yi = cjx ist die kleinste positive ganze Zahl mit dί < n für welche c Adί_1B F 0 gilt. Die Differenzordnung d des Gesamtsystems ist als d = Zf <$i gegeben. Im vorliegenden Beispiel vereinfacht sich die allgemeine Ableitung der Entkopplungsgleichungen wie folgt. Die Differenzordnung beschreibt, wie oft die Systemausgabe differenziert werden muss, bis sie von der Systemeingabe beeinflusst wird. Für unser System gilt, yt = xt = c Ax + cjBu F 0 =>
Figure imgf000024_0002
Vi =
henfolge der Systemunterschiede d = E =15j = n.
Figure imgf000024_0003
Wobei D* die klassische Entkopplungsmatrix bezeichnet, die in unserem Fall der Eingangsmatrix entspricht. Mit Hilfe eines Kontrollgesetztes der Form u = —Kx + Fw, ergibt sich der geschlossene Regelkreis zu y* = -BKx + BFw. Um Ausgangs- Eingangssignale voneinander zu entkoppeln, werden Eigenwerte mit geschlossenem Regelkreis eingeführt, dabei muss BK = -Aci = diag(—Ä{1, ... ,— L^) erfüllt sein, und BF eine diagonale Form aufweisen muss. Um die stationäre Genauigkeit zu gewährleisten, muss F = K gelten. Damit ist das Rückkopplungsgesetz für die Entkopplungssteuerung durch u = B+Aci (w - x) gegeben, wobei B+ das Pseudoinverse von B ist.
Hier ist das Zustandsraummodell eine Eingabematrix mit Rang(B) = n, während es im überbesetztem Fall zusätzliche Freiheitsgrade gibt, die ausgenutzt werden können. In vorliegenden Beispiel werden durch die Wahl der Pseudoinversen die resultierenden K und F eine 2-Norm auf, d.h. ihr maximaler Singulärwert wird minimiert (wofür unser zusätzlicher Freiheitsgrad genutzt wird). Dies führt zu einer Gleichgewichtung der Eingangswerte ucl und uc2, was auf eine gleichmäßige Auslastung der parallelen Produktionseinheiten durch die Steuerung hinweist.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Steuerung einer Produktionsanlage (1), wobei die Produktionsanlage (1) einen Startpuffer (3a, b), einen Endpuffer (4) und eine Mehrzahl an Produktionseinheiten (2a-e) mit Prozessfunktionen aufweist, wobei von dem Startpuffer (3a, b) zum Endpuffer (4) ein Transportweg zum Produkttransport mit einem Produktfluss verläuft, wobei die Produktionseinheiten (2a-e) am Transportweg angeordnet sind wobei der Transportweg zwischen zwei Produktionseinheiten (2a-e),
insbesondere jeweils, einen Produktpuffer bildet, wobei mindestens zwei Produktionseinheiten (2a-e) eine gleiche Prozessfunktion aufweisen, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte
- Bestimmen einer Produktionsaufgabe, wobei die Produktionsaufgabe
Produktionsschritte umfasst und die Produktionsschritte durch mindestens eine der Prozessfunktionen ausführbar sind,
- Auswahl von Produktionseinheiten (2a-e) zur Durchführung der
Produktionsschritte, wobei die Auswahl auf einer Optimierung der
Produktionsaufgabe basiert,
- Ansteuern der Produktionseinheiten (2a-e)
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierung der Prozessaufgabe eine Nebenbedingung umfasst und/oder berücksichtigt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Produktionseinheiten (2a-e) eine Stellgröße (u) für die Prozessfunktion aufweisen, wobei die Auswahl der Produktionseinheiten (2a-e) basierend auf der Stellgröße (u) erfolgt und/oder bei der Auswahl ein Sollwert für die Stellgröße (u) bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße (u) eine kontinuierliche Stellgröße (u) beschreibt.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Produktionsaufgabe, die Produktionseinheiten (2a-e),
Prozessfunktionen und/oder Zwischenpuffer (6) als Produktionsparameter überwacht werden, wobei bei einer Änderung mindestens eines
Produktionsparameters eine erneute Auswahl von Produktionseinheiten (2a-e) zur Durchführung der Produktionsschritte und/oder eine Umverteilung erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Produktionsparameter einen Ausfall und/oder Status der
Produktionseinheit (2a-e) beschreibt.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl der Produktionseinheiten (2a-e) auf einem Petri-Netz beruht, wobei die Produktionsanlage (1) als ein Petri-Netz modelliert und/oder beschrieben wird, wobei die Produktionseinheiten (2a-e) als Transitionen (8a, b) beschrieben werden und die Zwischenpuffer (6) als Plätze (7a, b) beschrieben werden.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl der Produktionsanlagen (1) auf Control Allocation basiert.
9 Verfahren nach eine der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierung beschreibbar ist als
Figure imgf000027_0001
wobei us eine Kennzahl für die Produktionsaufgabe ist, u0 eine Stellgröße (u) der Prozessfunktion ist,
Figure imgf000028_0001
eine Untergrenze für die Stellgröße u0 ist, u™ax eine Obergrenze für die Stellgröße u0 ist und M eine Matrix ist.
10. Verfahren nach eine der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierung beschreibbar ist als
Figure imgf000028_0002
wobei us eine Kennzahl für die Produktionsaufgabe (1) ist, u0 eine Stellgröße (u) der Prozessfunktion ist,
Figure imgf000028_0003
eine Untergrenze für die Stellgröße u0 ist, u™ax eine Obergrenze für die Stellgröße u0 ist, M eine Matrix ist und J(u0) eine Matrix zur Nebenbedingungsbeschreibung ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass gilt dim(uo) > dim(us).
12. Computerprogramm dadurch gekennzeichnet, dass alle Schritte des
Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche durchgeführt werden, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner oder der Produktionsanlage (1) ausgeführt wird.
13. Maschinenlesbares Speichermedium dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Speichermedium das Computerprogramm gespeichert ist.
14. Elektronische Steuereinheit eingerichtet alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.
15. Produktionsanlage (1) zur Produktion und/oder Bearbeitung eines Produktes, mit einem Startpuffer (3), einem Endpuffer (4), einer Mehrzahl an
Produktionseinheiten (2a-e) mit Produktionsfunktionen und insbesondere mit einer elektronischen Steuereinheit nach Anspruch 14, wobei zwischen dem Startpuffer (3) und dem Endpuffer (4) ein Transportweg angeordnet ist, wobei entlang des Transportweges die Produktionseinheiten (2a-e) angeordnet sind, wobei mindestens zwei Produktionseinheiten (2a-e) eine gleiche Prozessfunktion aufweisen, mit einer elektronischen Steuereinheit, wobei die elektronische Steuereinheit ausgebildet ist, basierend auf einer Produktionsaufgabe,
Produktionsschritte einer Produktionsaufgabe festzulegen, zu extrahieren und/oder zu bestimmen und basierend auf der Produktionsaufgabe und
Optimierung der Produktionsaufgabe den Produktionsschritten
Produktionseinheiten (2a-e) zuzuordnen.
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