Internet der Dinge in der Intralogistik (eBook)

Prof. Dr.-Ing. Dipl. -Wirtsch.-Ing. Willibald Günthner studierte an der Technischen Universität München Maschinenbau und Arbeits- und Wirtschaftswissenschaften. Nach seiner Promotion am dortigen Lehrstuhl für Förderwesen trat er als Konstruktions- und Technischer Leiter für Förder- und Materialflusstechnik in die Fa. Max Kettner Verpackungsmaschinen ein. 1989 übernahm er die Professur für Förder- und Materialflusstechnik an der FH Regensburg. Seit 1994 ist Prof. Günthner Leiter des Lehrstuhls für Fördertechnik Materialfluss Logistik an der TU München.Er ist Gründungsmitglied und Schatzmeister der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Technische Logistik WGTL und stellvertretender Vorsitzender des Wissenschaftlichen Beirats der Bundesvereinigung Logistik. Seit September 2004 war er Sprecher des Bayerischen Forschungsverbundes „Supra-adaptive Logistiksysteme (ForLog)" und ist Mitglied des Vorstandes der VDI-Gesellschaft „Produktion und Logistik" sowie Vorsitzender des Fachbereichs „Technische Logistik". Professor Dr. Michael ten Hompel studierte Elektrotechnik an der RWTH Aachen und promovierte an der Universität Witten/Herdecke. Er ist Inhaber des Lehrstuhls für Förder- und Lagerwesen an der Universität Dortmund und geschäftsführender Institutsleiter am Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik in Dortmund. Neben seiner wissenschaftlichen Tätigkeit ist Professor ten Hompel auch als Unternehmer tätig gewesen. So gründete er 1988 die GamBit GmbH und leitete das Unternehmen, das sich vorrangig mit der Entwicklung und Realisierung von Warehouse-Management-Systemen beschäftigt, bis zum Jahr 2000 als geschäftsführender Gesellschafter.Er ist Gründungsmitglied und Vizepräsident der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Technische Logistik WGTL, Mitglied des Hauptvorstandes des BITKOM, Mitglied des Vorstandes der Bundesvereinigung Logistik und Sprecher des Direktoriums der Fraunhofer Academy.

Vorwort 5
Inhaltsverzeichnis 7
Autorenverzeichnis 15
Teil I Herausforderungen in der Intralogistik 17
Individualisierung als logistisch-technisches Prinzip 18
1.1 Individualisierung als Gestaltungsprinzip 19
1.2 Paradoxien der Informationslogistik 19
1.3 Individualisierung als Ziel und als Ausweg 21
Neue Anforderungen für die Logistik des 21. Jahrhunderts 23
2.1 Globalisierung verändert Ansprüche 23
2.2 Herausforderungen für die Logistik 24
2.3 Intralogistik kann Logistikprobleme lösen 24
2.4 Innovationspotenziale der Intralogistik 25
2.4.1 Umkehrung der Warenströme 25
2.4.2 Demografischer Wandel erfordert Automatisierung 26
2.4.3 Automatisierung erfordert Standardisierung 27
2.4.4 Flexibilität durch Modularität 27
Materialflusssteuerung heute und ihre Defizite 28
3.1 Materialflusssteuerung heute 28
3.2 Grenzen heutiger Systeme 31
Entwicklungen in der Automatisierungstechnik 35
4.1 Entwicklung der Automatisierungstechnik 35
4.2 Bildung mechatronischer Module 37
4.3 Konvergenz der Kommunikationstechnik 38
4.4 Neuartige Kommunikationsmöglichkeiten 38
4.5 Zusammenfassung 39
Software-Methoden für die Automatisierung 40
5.1 Software in der Automatisierung 41
5.2 Anforderungen an neue Software-Methoden 42
5.3 Verteilte Automatisierung nach IEC 61499 43
5.4 Serviceorientierte Architekturen 44
5.5 Software-Agenten und Agentensysteme 46
5.6 Fazit 47
Literatur 49
Teil II Das Internet der Dinge 51
Die Vision vom Internet der Dinge 52
6.1 Einleitung 52
6.2 Das Internet als Vorbild 53
6.3 Paradigmenwechsel in der Intralogistik 55
6.4 Ausblick 55
Echtzeitanforderungen der Materialflusssteuerung 56
7.1 Echtzeitanforderungen auf der Systemebene 57
7.2 Echtzeitanforderungen auf der Komponentenebene 57
7.3 Aspekte von Echtzeitanforderungen in multiagentengesteuerten Materialflusssystemen 59
Die Bausteine des Internet der Dinge 61
8.1 Motivation und Anforderungen 61
8.2 Die Bausteine des Internet der Dinge 62
8.2.1 Transporteinheiten 63
8.2.2 Module 64
8.2.3 Softwaredienste 64
8.3 Standardisierung und Anpassbarkeit 64
8.4 Fähigkeiten der Entitäten 66
8.5 Funktionsklassen für Module 66
8.5.1 Verzweigung-/Zusammenführung 67
8.5.2 Stetigförderer und Schienen 67
8.5.3 Unstetigförderer 68
8.5.4 Arbeitsstation 68
8.6 Beispiel: Gestaltung eines Verzweigungsmoduls 68
8.6.1 Auf bau 69
8.6.2 Betriebsablauf 70
8.7 Fazit 71
Kooperation und Autonomie in selbststeuernden Systemen 73
9.1 Grundlagen von Agentensystemen 73
9.2 Agententypen 74
9.3 Relevante Eigenschaften von Agenten 77
9.4 Die Umwelt von Agenten 78
9.5 Multiagentensysteme 80
9.6 Kooperation 80
9.7 Kommunikation 82
9.7.1 Blackboard 82
9.7.2 Message-Passing 83
9.7.3 Kommunikationsschichtenmodell 84
Eine Ontologie für das Internet der Dinge 87
10.1 Einleitung 87
10.2 Entwicklung einer Kommunikationsontologie 89
10.2.1 Ontologiebeschreibung 89
10.2.2 Kommunikationsmodell 95
10.3 Validierung 97
10.3.1 Akteure 98
10.3.2 Kommunikationsszenario 99
10.4 Zusammenfassung 101
Softwarearchitektur für eine agentenbasierte Materialflusssteuerung 102
11.1 Anforderungen 102
11.2 Bisherige Architekturmodelle für die Materialflusssteuerung 103
11.3 Agentenbasierte Materialflusssteuerung 104
11.3.1 Referenzarchitekturen für Multiagentensysteme 104
11.3.2 Abstraktes Architekturmodell für das Internet der Dinge 107
11.3.3 Modellierung der Steuerungsagenten 108
11.3.4 Echtzeitsteuerung von Modulagenten 110
11.4 Fazit 113
Rechenplattformen und RFID für das Internet der Dinge 114
12.1 Übersicht über die Steuerungshardware 114
12.1.1 Anforderungen 115
12.1.2 Architektur 118
12.1.3 Fazit 120
12.2 Einsatz von RFID 120
12.2.1 Frequenzbereiche 121
12.2.2 Einsatz im Internet der Dinge 123
12.2.3 Fazit 125
Strategien für die dezentrale agentenbasierte Steuerung von Materialflusssystemen 126
13.1 Einführung 126
13.2 Lokalisierung von Agenten in der Anlage 127
13.3 Der Zustandsraum für Agentensysteme 128
13.4 Topologiespezifische Ausprägung strategischer Aspekte am Beispiel zweier Anlagentypen 131
13.4.1 Automatisches Kommissionierlager: Paarbildung, Sequenzbildung, Sortieren 131
13.4.2 Flughafen-Gepäckförderanlage: Routing steht im Vordergrund 136
13.5 Routingverfahren 137
13.5.1 Topologische Information 137
13.5.2 Dynamische schnellste Wege 139
13.5.3 Lastabhängiges strategisches Routing 141
13.6 Zusammenfassung 146
Konfiguration und Überwachung einer verteilten Materialflusssteuerung 147
14.1 Motivation 147
14.2 Systemkonfiguration 147
14.3 Systemüberwachung und -visualisierung 150
14.3.1 Allgemeingültigkeit durch regelbasierte Visualisierung 150
14.3.2 Nachverfolgbarkeit und Historien 152
14.3.3 Statistiken 153
14.4 Zusammenfassung 154
Simulation und Emulation im Internet der Dinge 155
15.1 Simulation – Begriff und Anwendung 155
15.1.1 Durchführung einer Simulationsstudie 157
15.1.2 Vor- und Nachteile der Simulation 159
15.2 Emulation – Begriff und Anwendung 160
15.3 Werkzeuge zur Materialf lusssimulation 162
15.4 Simulation im Internet der Dinge 164
15.5 Emulation im Internet der Dinge 166
15.5.1 Einsatz eines gängigen Materialflusssimulators 166
15.5.2 Agentenbasierter Emulationsbaukasten 167
15.5.3 Emulation in den Lebenszyklusphasen 168
Literatur 173
Teil III Der neue Logistik-Lebenszyklus 176
Der Lebenszyklus heutiger Materialflusssysteme – eine Übersicht 177
16.1 Lebenszyklus eines Materialflusssystems 178
16.1.1 Planungsphase 178
16.1.2 Realisierungsphase 179
16.1.3 Inbetriebnahme/Hochlaufphase 181
16.1.4 Betrieb 183
16.1.5 Erweiterung/Modernisierung 183
16.2 Dezentrale Automatisierungssysteme – eine Herleitung 184
16.3 Referenzmodell-Methode 187
16.4 Zusammenfassung 190
Die Erstellung eines Baukastens für das Internet der Dinge 191
17.1 Baukasten für Entitäten 192
17.2 Basisinformationen einer Entität 195
17.3 Additive Komponenten eines Baukastens 195
17.4 Aggregationen 198
17.5 Anpassung der Tools 198
Der Lebenszyklus eines Internet der Dinge Materialflusssystems: Planung 200
18.1 Qualifizierung 200
18.2 Spezifizieren bei vorgegebener Lösung 201
18.3 Spezifizieren bei nicht vorgegebener Lösung 202
18.4 Simulation 204
18.5 Interne Kalkulation 205
18.6 Koordinierung der Zulieferer 206
18.7 Projektierung der Steuerungstechnik 206
18.8 Projektierung der IT 207
18.9 Terminplanung des Projekts 207
Der Lebenszyklus eines Internet der Dinge Materialflusssystems: Realisierung 209
19.1 Detailstudie 209
19.2 Feinplanung und Pflichtenheft 210
19.3 Konfiguration/Customizing 212
19.4 Programmierung 213
19.4.1 Neue mechatronische Entität bzw. neues Modul 214
19.4.2 Softwaretechnischer Dienst 214
19.4.3 Visualisierung 215
19.4.4 Sicherheitskreise 215
19.5 Herstellung einer mechatronischen Entität bzw. eines Moduls 216
19.6 Inhouse-Test 217
19.7 Dokumentation 217
19.8 Montage 218
Der Lebenszyklus eines Internet der Dinge Materialflusssystems: Inbetriebnahme und Hochlauf 219
20.1 Referenzanlage 219
20.2 Phasen der konventionellen Inbetriebnahme 221
20.3 Inkrementelle Inbetriebsetzung im Internet der Dinge 222
20.4 Technische Voraussetzungen 223
20.4.1 Standardisierte Laufzeitumgebung und Infrastruktur 224
20.4.2 Wiederverwendbare Komponenten 225
20.4.3 Diagnosemöglichkeiten und Monitoring 225
20.4.4 Testen und Emulation 227
20.5 Fazit 228
Der Lebenszyklus eines Internet der Dinge Materialflusssystems: Betrieb 230
21.1 Überblick über Vorteile selbstorganisierter Materialf lusssysteme im Lebenszyklus 230
21.2 Logistische Leistungsfähigkeit 231
21.3 Quantifizierung und Bewertung der Flexibilität von Materialf lusssystemen 232
21.4 Robustheit 234
21.5 Datenverfügbarkeit und zusätzliche Dienstleistungen 235
21.6 Fazit 236
Der Lebenszyklus eines Internet der Dinge Materialflusssystems: Umbau und Modernisierung 237
22.1 Erwartete Vorteile 237
22.2 Anforderungen an den Umbau 238
22.3 Voraussetzungen und Checkliste zur Vorbereitung 238
22.3.1 Ist-Aufnahme 238
22.3.2 Soll-Anforderungen 239
22.3.3 Prozessführung 240
22.3.4 Layout 240
22.3.5 Sicherheitsanforderungen 241
22.4 Agentifizierung 241
22.4.1 Umbau einer Referenzanlage 241
22.5 Technische Umsetzung 243
22.6 Erfahrungsbericht 246
22.7 Begleitende Dokumentation 246
22.8 Fazit 247
Zusammenfassung und Fazit: Das Internet der Dinge als neues Vorgehensmodell 248
23.1 Grundlagen und technische Aspekte 248
23.2 Engineering und Betrieb 250
23.3 Der Faktor Mensch und Qualifikation – Gewerkeübergreifendes Arbeiten und vertikale Kompetenzen 253
23.4 Fazit 254
Literatur 255
Teil IV Die Anwendung 258
Realisierung einer agentenbasierten Steuerung für Elektrohängebahnsysteme 259
24.1 Definition und Einsatz von Elektronhängebahnanlagen 259
24.2 Versuchsanlage des Lehrstuhls fml an der TU München 259
24.3 Aufgaben- und Szenarienbeschreibung 261
24.4 Modularisierung und Steuerungsarchitektur 262
24.5 Funktionsweise 265
24.6 Fazit 270
Chancen und Herausforderungen von dezentral gesteuerten Flughafen- Gepäckförderanlagen 271
25.1 Allgemeines 271
25.2 Aufgaben und Funktionsbereiche von Gepäckförderanlagen 272
25.3 Typische/Domänenspezifische Anforderungen für Gepäckförderanlagen 274
25.4 Identifikationskonzepte 275
25.5 Dezentrale Gepäckförderanlage 276
25.5.1 Vorabentwicklung mechatronischer Module 276
25.5.2 Engineering dezentraler Anlagen 278
25.5.3 Umbauten 279
25.5.4 Gepäcktransport in dezentralen Systemen 279
25.6 Konzepte zur Betriebsführung 281
25.6.1 Simulation als Werkzeug 282
25.6.2 Strategisches Routingverfahren 284
25.6.3 Eigensimulation 284
25.6.4 Ergebnis und Herausforderungen 286
25.7 Migrationskonzept 287
25.8 Zusammenfassung 289
Ein dezentral gesteuertes Kommissionierlager 291
26.1 Einleitung 291
26.2 Moderne Kommissionierlager 292
26.3 Referenzanlage 293
26.4 Konzeptionelle Lösungen 297
26.4.1 RFID-Einsatz 297
26.4.2 Konzept einer agentenbasierten Steuerung 298
26.5 Integration der Steuerung 305
26.6 Fazit 306
Agentenbasierte Staplerleitsysteme 308
27.1 Einleitung 308
27.2 Definition und Einsatz von Staplerleitsystemen 310
27.3 Agentenbasierte Staplerleitsysteme 311
27.4 Moderne Software-Architektur 312
27.5 Operative Funktionen eines aSLS 315
27.6 Exkurs: Zusammenführung mit IdentProLog 320
27.7 Fazit 322
Hochflexible, RFID-gesteuerte Handhabung von Stückgut 324
28.1 Anlagenkomponenten und Teilsysteme 324
28.2 Anforderungen an die Greiftechnik für das Internet der Dinge 325
28.3 Systemkonzept der Greiftechnik für RFID-basierten Materialfluss 326
28.4 Kombination von Greifprinzipien 327
28.5 Konzeption eines Greifers für das Szenario Depalettierroboter 328
28.6 Realisierte Anlage für das Szenario Depalettierroboter 328
28.7 Greifer 331
28.8 RFID-System 333
28.9 Erprobung des Szenarios 336
28.10 Folgerungen und Erkenntnisse 338
Literatur 339
Teil V Internet der Dinge - Eine Vision wird Wirklichkeit 340
Fazit 341
Sachverzeichnis 344