Konzeptionierung der Integration eines Workflow-Management-Systems in eine flexible fertigungstechnische Anlage

Master's Thesis , 2007 , 105 Pages , Grade: 1,2

Engineering - Industrial Engineering and Management

Neben einem kurzen Abriss der theoretischen Grundlagen erläutert diese Arbeit die Konzeption und Implementierung eines Workflow-Management-Systems (WMS) anhand einer flexiblen Fertigungsanlage. Die Konzeption besteht aus der Modellierung der Ressourcen und Prozesse und der nachfolgenden Erstellung der Workflows. Hierauf folgt eine prototypische Implementierung, wobei besonders auf die typischen Probleme und Fallstricke eingegangen wird. Im Fazit der Arbeit wird dargestellt, dass das anfangs aufgestellte Ziel, neue Produkte und Varianten schneller und kostengünstiger einzuführen, mithilfe eines WMS erreicht werden kann.

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Problemumfeld
1.2 Stand der Technik
1.3 Ziele und Aufgaben
1.4 Struktur der Arbeit

2 Beschreibung der Norm DIN EN 62264
2.1 Inhaltlicher Aufbau
2.2 Objektmodellierung der Ressourcen und Prozesse
2.2.1 Role-based Equipment Model
2.2.2 Material Model
2.2.3 Personnel Model
2.2.4 Process Segment Information
2.3 Operations Management Information
2.3.1 Operations Definition Information
2.3.2 Operations Schedule Information
2.3.3 Operations Performance Information
2.3.4 Operations Capability Information
2.4 Workflows

3 Modellierung des Anwendungsszenarios nach DIN EN 62264
3.1 Beschreibung der Fahrzeugmontage
3.2 Objektmodellierung des flexiblen Fertigungssystems
3.2.1 Personnel Model
3.2.2 Role-based Equipment Model
3.2.3 Material Model
3.2.4 Process Segment Information
3.3 Operations Management Information
3.3.1 Operations Definition Information
3.3.2 Operations Schedule Information
3.3.3 Operations Performance Information
3.4 Workflow
3.4.1 Struktur des Workflows
3.4.2 Scheduling Workflow
3.4.3 Dispatching Workflow
3.4.4 Sequencing Workflows
3.4.5 Basic Process Segment Workflows

4 Prototypische Implementierung des Workflow-Management-Systems
4.1 Implementierungskonzept
4.2 Definition der Schnittstelle zur Anlagensteuerung
4.3 Implementierung der Workflows
4.3.1 Scheduling Workflow
4.3.2 Dispatching Workflow
4.3.3 Sequencing Workflow
4.3.4 Basic Process Segment Workflows

5 Fazit und Ausblick

Literaturverzeichnis

Anhang A Liste der BPMN-Symbole

Anhang B Liste der Schnittstellenvariablen
B.1 Steuerungsseitig gesetzte Schnittstellenvariablen
B.2 Workflowseitig gesetzte Schnittstellenvariablen

Anhang C Manual GE Proficy Workflow usage
C.1 Proficy SOA Server start
C.2 Start of Gateway OPC Server
C.3 Start of Proficy Workflow
C.4 Running the Workflow “Car Production”

Kurzreferat

Neben einem kurzen Abriss der theoretischen Grundlagen erläutert diese Arbeit die Konzeption und Implementierung eines Workflow-Management-Systems (WMS) an­hand einer flexiblen Fertigungsanlage. Die Konzeption besteht aus der Modellierung der Ressourcen und Prozesse und der nachfolgenden Erstellung der Workflows. Hie­rauf folgt eine prototypische Implementierung, wobei besonders auf die typischen Probleme und Fallstricke eingegangen wird. Im Fazit der Arbeit wird dargestellt, dass das anfangs aufgestellte Ziel, neue Produkte und Varianten schneller und kostengüns­tiger einzuführen, mit Hilfe eines WMS erreicht werden kann.

Abstract

After a short summary of the relevant theory, the master thesis explains the conception and implementation of the Workflow Management System (WMS) by using the exa­mple of a flexible production plant. There are three steps of conception: resource mo­deling, process modeling and workflow creation. The conception is followed by a pro- totypic implementation which focuses on specific problems and pitfalls. In conclusion, the essay proves that a WMS based on DIN EN 62264 enables a faster and cheaper introduction of new products and their variations.

Abkürzungsverzeichnis

BPMN Business Process Model and Notation

CNC Computerized Numerical Control

DIN EN 62264 Normen über die Integration v. Unternehmens-EDV und Leitsystemen

ERP Enterprise Resource Planning

FFS Flexibles Fertigungssystem

FIFO First in - First Out

GE General Electric

HRL Hochregallager

IFAT Institut für Automatisierungstechnik

ISA-95 Vorgänger Norm der DIN EN 62264 der International Society of Automation

MES Manufacturing Execution System

OD Operations Definition, Aggregation von Operations Segments zu einem Produkt

OM-Informationen Operations Management Information

OPC Open Platform Communications

OR Operations Request, aus Operations Definition erzeugter Fertigungsauftrag

OS Operations Segment, kleinster produktabhängiger Prozessschritt

PS Process Segment, kleinster produktunabhängiger Prozessschritt

S1IX1 Transportziel: Hochregallager

S2IX2 Transportziel: Montageroboter

S3IX1 Transportziel: CNC-Fräser

SPS Speicherprogrammierbare Steuerung

UML Unified Modeling Language

VDI Verein Deutscher Ingenieure

WMS Workflow-Management-System

XOR Exclusive Or, Exklusiv-Oder-Verknüpfung

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1. Struktur des flexiblen Fertigungssystems [2, p. 13]

Abbildung 2. Ausrüstungshierarchiemodell der DIN EN 62264-2

Abbildung 3. Elemente des Equipment Models [7, p. 27]

Abbildung 4. Elemente des Material Models [7, p. 38]

Abbildung 5. Elemente des Personnel Models [7, p. 22]

Abbildung 6. Elemente der Process Segment Information [7, p. 49]

Abbildung 7. Elemente der Operations Definition Information [7, p. 59]

Abbildung 8. Elemente der Operations Schedule Information [7, p. 72]

Abbildung 9. Elemente der Operations Performance Information [7, p. 86]

Abbildung 10. Personnel Model des flexiblen Fertigungssystems

Abbildung 11. Equipment Model bis zur Ebene Area

Abbildung 12. Equipment Model unterhalb der Ebene Area

Abbildung 13. Material Model des flexiblen Fertigungssystems

Abbildung 14. Process Segment Information "Transport"

Abbildung 15. Process Segment Information "Aus-/Einlagerung"

Abbildung 16. Process Segment Information "Fräsen"

Abbildung 17. Process Segment Information "Montage"

Abbildung 18. Ausschnitt der Operations Definition Information

Abbildung 19. Scheduling Workflow in BPMN-Darstellung

Abbildung 20. Dispatching Workflow in BPMN-Darstellung

Abbildung 21. Sequencing Workflow in BPMN-Darstellung

Abbildung 22. Basic Process Workflow "Auslagerung" Teil 1

Abbildung 23. Basic Process Workflow "Auslagerung" Teil 2

Abbildung 24. Basic Process Workflow "Transport" Teil 1

Abbildung 25. Basic Process Workflow "Transport" Teil 2

Abbildung 26. Basic Process Workflow "Montage" Teil 1

Abbildung 27. Basic Process Workflow "Montage" Teil 2

Abbildung 28. Basic Process Workflow "Fräsen" Teil 1

Abbildung 29. Basic Process Workflow "Fräsen" Teil 2

Abbildung 30. Basic Process Workflow "Einlagerung" Teil 1

Abbildung 31. Basic Process Workflow "Einlagerung" Teil 2

Abbildung 32. Kommunikation zwischen den Workflows und der Anlage

Abbildung 33. Implementierung des Scheduling Workflows

Abbildung 34. Formular zur Auswahl des Fahrzeugtyps sowie der Stückzahl

Abbildung 35. Implementierung des Dispatching Workflows

Abbildung 36. Implementierung eines Sequencing Workflows

Abbildung 37. Subprozess "Lagerbestand überprüfen" Teil 1

Abbildung 38. Subprozess "Lagerbestand überprüfen" Teil 2

Abbildung 39. Subprozess "Ausführen der Operations Segments" Teil 1

Abbildung 40. Subprozess "Ausführen der Operations Segments" Teil 2

Abbildung 41. Implementierung Basic Process Workflow "Auslagerung" Teil 1

Abbildung 42. Implementierung Basic Process Workflow "Auslagerung" Teil 2

Abbildung 43. Implementierung Basic Process Workflow "Auslagerung" Teil 3

Abbildung 44. Implementierung Basic Process Workflow "Auslagerung" Teil 4

Abbildung 45. Commands for the start of the SOA Server

Abbildung 46. Successful server start

Abbildung 47. Establishing an OPC Server connection

Abbildung 48. Launching OPC Quick Client

Abbildung 49. Login into the Proficy Client

Abbildung 50. Running the Car Production Workflow

Abbildung 51. Form for the preferred type and quantity

Abbildung 52. Refill of the inventory

Abbildung 53. Manipulation of variables by the Workflow

Abbildung 54. Simulated answer variables of the production plant

Abbildung 55. Simulation of the production plant reaction

Abbildung 56. Display of the reason of a runtime error

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1. Modell der funktionalen Hierarchie gemäß DIN EN 62264-1 [6, p. 17]

Tabelle 2. Transaktionsmodelle der DIN EN 62264-5 10

Tabelle 3. Erläuterung der relevanten Verben der Transaktionsmodelle 10

Tabelle 4. Liste der in dieser Arbeit verwendeten BPMN-Symbole 12

Tabelle 5. Operations Segments der Operations Definition „Feuerwehrfahrzeug“

Tabelle 6. Steuerungsseitig gesetzte Schnittstellenvariablen

Tabelle 7. Workflowseitig gesetzte Schnittstellenvariablen

1 Einleitung

1.1 Problemumfeld

In Zeiten der Globalisierung und der immer kürzer werdenden Produkt- und Innovati­onszyklen ist zur Erhaltung der Wettbewerbsfähigkeit die Reduktion von Kosten, Risi­ken und Fehlern erforderlich. Vor diesem Hintergrund zeichnet sich in der Fertigungs­industrie eine zunehmende Flexibilisierung sowie Modularisierung der Fertigungsan­lagen und -prozesse ab, um den Anpassungsaufwand beispielsweise bei der Einfüh­rung neuer Produkte und Produktvarianten zu verringern [1, p. 1].

Die Einführung eines Workflow-Management-Systems (WMS) gemäß DIN EN 62264 ermöglicht eine Modellierung der vorhandenen Produktionsressourcen sowie der für das operative Management erforderlichen Informationen und ergänzt diese um ein mehrstufiges Ablaufschema zur Ausführung des technischen Prozesses. Die strikte Trennung der Workflow-Modellierung von der Steuerungssoftware der Anlage erhöht den Wiederverwendungsanteil beider Bestandteile, was zu einer Erhöhung der Flexi­bilität führt.

Anhand der Fahrzeugproduktion auf der flexiblen Fertigungsanlage des Instituts für Automatisierungstechnik (IFAT) soll verdeutlicht werden, dass die Einführung eines Workflow-Management-Systems zur Flexibilisierung des Fertigungsprozesses bei der Einführung neuer Produkte und Produktvarianten sowie bei Änderungen im Produkti­onsprozess beiträgt.

1.2 Stand der Technik

Das flexible Fertigungssystem des Magdeburger Instituts für Automatisierungstechnik ist eine modulare Fertigungsstraße, auf der derzeit die Produkte Steck- und Spielwürfel sowie ein Modellfahrzeug in den Varianten ADAC-, Feuerwehr- und Polizeifahrzeug produziert werden können [2, pp. 7-9].

Die in Abbildung 1 dargestellte Anlage besteht aus einem Hochregallager, einem Mon­tageroboter sowie einer CNC-Fräsmaschine, wobei die zu bearbeitenden Teile mit Hilfe einer Zweiachskomponente dieser zugeführt und von dieser abgeführt werden. Die Teile werden mit Hilfe eines Transportsystems, das aus drei miteinander verbun­denen Förderbändern besteht, auf Wagen zwischen den Stationen transportiert. Die Routenplanung erfolgt hierbei mit Hilfe von Weichen, ausfahrbaren Stoppern und den sogenannten Hubix-Einheiten, welche die zu bearbeitenden Teile in der korrekten Position fixieren [2, pp. 3-4].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1. Struktur des flexiblen Fertigungssystems [2, p. 13].

Ein Fertigungsvorgang eines bestimmten Objekts besteht im Wesentlichen aus drei Schritten: Zunächst werden die benötigten Teile aus dem Hochregallager ausgelagert.

Anschließend werden sie zu den Bearbeitungsstationen transportiert und dort bearbei­tet. Zum Schluss laufen die leeren Paletten der Einzelteile sowie das Fertigteil zum Lager zurück und werden dort eingelagert [2, p. 22].

Die Koordination zwischen den einzelnen Bearbeitungsstationen erfolgt mittels spei­cherprogrammierbarer Steuerungen: Jedes der drei Förderbänder sowie die einzelnen Bearbeitungsstationen werden hierbei von einer eigenen SPS gesteuert. Die Koordi­nation der einzelnen Fertigungsaufträge erfolgt über eine separate zentrale Steuerung, die mit den Einzelsteuerungen kommuniziert. Diese Steuerungsarchitektur soll auch nach Einführung eines Workflow-Management-Systems bestehen bleiben [2, p. 23].

In der Masterarbeit Konzept für Produktionsplanung und Qualitätssicherung für eine fertigungstechnische Anlage wird die Konzeption eines Manufacturing Execution Sys­tems (MES) gemäß VDI 5600 für die flexible Fertigungsanlage beschrieben. Hierbei liegt der Fokus neben der Analyse der Anforderungen sowie der Darstellung der Auf­gaben auf der Auswahl von geeigneten MES-Softwarebausteinen.

Im Gegensatz zu der bereits existierenden Arbeit, wurde hier ein MES gemäß DIN EN 62264 konzipiert. Ein wesentlicher Unterschied der DIN EN 62264 zur VDI 5600 ist beispielsweise die Einteilung sämtlicher Prozesse in die vier Aktivitäten Produktion, Instandhaltung, Qualität und Inventar, wobei diese Einteilung in der VDI 5600 feiner und deutlicher abgegrenzt erfolgt 3.

Ziel der Normenreihe DIN EN 62264 ist es insbesondere, den durchgängigen Informa­tionsaustausch über alle Ebenen zu ermöglichen 4. Vorteile sind beispielsweise kür­zere Anlaufzeiten bei der Einführung neuer Produkte, niedrigere Automatisierungskos­ten sowie bessere Möglichkeiten für die Definition von Benutzeranforderungen.

1.3 Ziele und Aufgaben

Diese Arbeit verfolgt das Ziel, durch die Einführung eines Workflow-Management-Sys­tems die Flexibilität auf einem bestehenden Fertigungssystem insbesondere bei der Einführung neuer Produkte sowie bei Änderungen an bestehenden Produkten zu er- höhen, um den Anpassungsaufwand und somit die Kosten für diesen Prozess zu sen­ken. Dabei soll das WMS eine auftragsbezogene Reihung sowie eine Konfiguration der Produktionsressourcen ermöglichen.

Bisher muss für jede Neueinführung eines Produktes oder einer Variante sowie einer Änderung eines bereits bestehenden Produktes die Steuerungssoftware aufwändig angepasst werden. Durch die Entkopplung des Workflows von der Steuerung der An­lagenmodule wird dies nicht mehr oder in deutlich geringerem Maße erforderlich sein. Darüber hinaus wird das flexible Fertigungssystem um eine Ressourcenverwaltung sowie um eine Fehlerbehandlung ergänzt.

Die wesentlichen Aufgaben dieser Arbeit sind neben der Vorstellung der theoretischen Grundlagen der Norm DIN EN 62264 die Modellierung des flexiblen Fertigungssys­tems (FFS) sowie die prototypische Implementierung. Die Modellierung erfolgt mit Hilfe der in der Norm definierten Objektmodelle sowie der Operations Management Infor­mation (kurz OM-Informationen) und wird durch einen mehrstufigen Workflow ergänzt.

Anschließend erfolgt die prototypische Implementierung mit Hilfe des von General Electric entwickelten Programms Proficy Workflow auf einem separaten Leitrechner. Die Verbindung zwischen dem Leitrechner und dem realen Fertigungssystem erfolgt hierbei über Ethernet mittels einer OPC-Schnittstelle, über die mit Hilfe von auf der zentralen Steuerung angelegten Schnittstellenvariablen der Produktionsprozess über­wacht bzw. in diesen eingegriffen werden kann.

Die Anpassung der bisherigen Steuerungssoftware der Anlage an das Workflow-Sys­tem muss separat durchgeführt werden und ist nicht Teil dieser Arbeit. Aus diesem Grund wird auf der zentralen SPS eine modellhafte Liste von Zustandsvariablen er­stellt, um das Vorhandensein einer geeigneten Steuerungssoftware zu simulieren und einen Test des erstellten Workflowkonzepts zu ermöglichen.

1.4 Struktur der Arbeit

Zunächst wird im Kapitel 2 der Inhalt der Norm DIN EN 62264 beschrieben, wobei der Fokus hierbei auf der Darstellung der Objektmodelle, der Operations Management In- formation sowie der Workflows liegt. Da zu diesen Themen nur in sehr geringem Um­fang Sekundärliteratur existiert, werden darüber hinaus Anwendungsmöglichkeiten dieser Modellierung für die Praxis aufgezeigt.

Das darauffolgende Kapitel 3 baut auf den in Kapitel 2 beschriebenen Ansätzen auf und wendet diese auf das konkrete Anwendungsszenario der Fahrzeugproduktion mit Hilfe des flexiblen Fertigungssystems an. In diesem Kapitel werden die Objektmodelle sowie die relevanten OM-Informationen erstellt und als UML-Objektdiagramme gra­fisch modelliert. Anschließend erfolgt die Einführung des Business Process Model and Notation (BPMN), das zur Darstellung der verschiedenen Workflows genutzt wird.

Die prototypische Implementierung erfolgt im Kapitel 4: Hierbei wird das Softwarepaket GE Proficy Workflow genutzt, das die Umsetzung der einzelnen Modelle sowie der Workflows unterstützt und über ein OPC-Clientmodul die Steuerung der Anlage er­möglicht.

Hierbei ist zu beachten, dass die Steuerungssoftware des FFS bisher nicht auf die Nutzung eines Workflow-Management-Systems ausgelegt ist. Aus diesem Grund wur­den auf der zentralen Steuerung separate Schnittstellenvariablen angelegt, die von den einzelnen Teilprozessen des Workflows angesteuert werden.

2 Beschreibung der Norm DIN EN 62264

2.1 Inhaltlicher Aufbau

Die europäische Norm DIN EN 62264, die auf der Spezifikation ISA-95 basiert 5, besteht aus fünf Teilen und beschreibt die Integration von Unternehmensführungs- und Leitsystemen.

In Teil 1 werden hauptsächlich die wesentlichen Grundmodelle sowie die Terminologie vorgestellt, die in den weiteren Teilen verwendet wird: Hierzu gehört das in Tabelle 1 vorgestellte Modell der funktionalen Hierarchie, das eine vertikale Einordnung der ein­zelnen Systembestandteile ermöglicht. Die Ebenen sind hierbei nach Prozessnähe ge­ordnet 6:

Tabelle 1. Modell der funktionalen Hierarchie gemäß DIN EN 62264-1 [6, p. 17].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Aktivitäten eines Workflow-Management-Systems sind hauptsächlich auf Ebene 3 angeordnet, wobei eine Schnittstelle zur Ebene 4 besteht. Zu den Aufgaben eines Workflow-Management-Systems gehören die Koordination der einzelnen Teilprozesse zur Herstellung der gewünschten Endprodukte sowie die Erstellung und Pflege der entsprechenden Aufzeichnungen. Bei den Teilprozessen wird zwischen folgenden Ka­tegorien unterschieden:

- Produktionsmanagement
- Instandhaltungsmanagement
- Qualitätsmanagement
- Lager- und Inventarmanagement

In der Praxis sind an den einzelnen Teilprozessen häufig mehrere dieser vier Aspekte beteiligt, sodass ein sogenannter gemischter Teilprozess auch mehreren Aktivitäten zugeordnet werden kann 6.

Für die Erstellung des Workflow-Management-Systems selbst ist hauptsächlich der zweite Teil der Normenreihe relevant: In ihm werden die sogenannten Objektmodelle sowie die für das operative Management erforderlichen Informationen beschrieben 7. Auf diesen Teil wird daher detailliert in den Kapiteln 2.2 und 2.3 eingegangen.

Im dritten Teil der Norm wird ein generisches Aktivitätenmodell vorgestellt: Ziel des Modells ist eine durchgängige funktionale Steuerung der Aktivitäten innerhalb der Ebene 3 sowie die Darstellung der zwischen den einzelnen Funktionen auszutau­schenden Informationen.

Diese werden häufig als OM-Informationen bezeichnet und in die Typen Operations Definition, Operations Capability, Operations Schedule und Operations Performance eingeteilt (siehe Kapitel 2.3). Im weiteren Verlauf dieses Teils werden die spezifischen Aktivitätenmodelle für die Kategorien Produktion, Instandhaltung, Qualität und Inventar vorgestellt 8.

Die Modellierung der entsprechenden Aktivitäten mit Hilfe von Objektmodellen erfolgt im Teil 4. Hier wird auch das Konzept des Workflows (siehe Kapitel 2.4) vorgestellt, welches vom Business Process Model and Notation abgeleitet ist 9.

Teil 5 ergänzt das Normenwerk um ein Kommunikationsmodell zwischen den Ebenen 3 und 4. In dieser Arbeit wird das Modell abweichend von der Norm zur Veranschauli­chung der Kommunikation innerhalb der Ebene 3 sowie zwischen Ebene 2 (flexibles Fertigungssystem) und 3 genutzt. Innerhalb des Modells wird zwischen drei verschie­denen Transaktionsmodellen unterschieden (siehe folgende Tabelle) 10:

Tabelle 2. Transaktionsmodelle der DIN EN 62264-5 10.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für jedes der drei Transaktionsmodelle werden spezifische Verben zur Kommunika­tion genutzt, wobei die für diese Arbeit relevanten Verben auf Informationsanbieter und -nutzerseite in der folgenden Tabelle kurz erläutert werden:

Tabelle 3. Erläuterung der relevanten Verben der Transaktionsmodelle 10.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Wesentlichen besteht jede Nachricht aus einem Verb und optional einem oder meh­reren Substantiven. Als Substantiv werden in diesem Fall die Objekte der DIN EN 62264 verwendet. Da Teil 5 der Norm keine zu verwendende Syntax vorschreibt, wird die der Anwendungsbeispiele innerhalb der Norm übernommen. Dabei steht stets das Verb an erster und das Substantiv an zweiter Stelle, wobei an das Substantiv zusätz­lich Attribute angehängt werden können 10. Beispielsweise erfolgt die Übergabe ei­nes Fertigungsauftrags (Operations Requests) zur Ausführung von einer übergeord­neten an eine untergeordnete Workflowebene wie folgt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Diese Syntax wird später in Kapitel 4.2 genutzt, um die Kommunikation zwischen den einzelnen Workflowebenen sowie mit der flexiblen Fertigungsanlage zu beschreiben und mit Hilfe eines Sequenzdiagramms (siehe Abbildung 32) zu veranschaulichen. Aus Gründen der Übersicht wird dabei auf die Darstellung der Attribute verzichtet.

2.2 Objektmodellierung der Ressourcen und Prozesse

2.2.1 Role-based Equipment Model

Das Role-based Equipment Model stellt die rollenbasierte Ausrüstungshierarchie dar. Der Begriff „rollenbasiert“ bezieht sich in diesem Zusammenhang auf die Tatsache, dass ein Equipment in mehreren Rollen auftreten kann: So kann beispielsweise ein Geldautomat in den Rollen „Auszahlungsautomat“ und „Einzahlungsautomat“ auftre­ten. Da die Equipments der Fertigungsanlage zu einem bestimmten Zeitpunkt nur in einer Rolle gleichzeitig auftreten, wird das Prinzip in dieser Arbeit nicht verwendet.

Auf der Hierarchie (Abbildung 2) wird zwischen sieben Ebenen unterschieden, die vom Gesamtunternehmen (Enterprise) bis hin zum einzelnen Sensor/Aktor (Control Mo­dule) reichen. Für das WMS sind insbesondere die auf Level 3 angeordneten Hierar­chieebenen relevant, die in der Abbildung markiert sind.

Unterhalb der Ebene Area werden die einzelnen Prozesstypen spaltenweise unter­schieden. Die erste und zweite Spalte beziehen sich auf chargenorientierte bzw. kon­tinuierliche Produktion, die dritte Spalte auf eine diskrete Fertigung. Die rechte Spalte bezieht sich allgemein auf Lagermodule bzw. -einheiten für alle drei Prozesstypen 7.

Da es sich im Falle des flexiblen Fertigungssystems um eine diskrete Fertigung han­delt, sind ausschließlich die Spalten 3 (diskrete Prozesse) und 4 (Lageroperationen) relevant. Die Funktionen der einzelnen Modellkomponenten (Equipments) werden später im Kapitel 3.2.2 anhand eines realen Beispiels erläutert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2. Ausrüstungshierarchiemodell der DIN EN 62264-2.

Dabei können auf jeder Ebene des Equipment Models beliebig viele Equipments (bspw. Production Lines) existieren, wobei jedes Equipment von einer sogenannten Equipment Class abgeleitet werden kann und dessen Eigenschaften (Equipment Class Properties) als Equipment Properties übernimmt. Dieses Prinzip ist insbesondere bei gleichartigen Equipments von Vorteil. Auf Instanzebene können dem Equipment aller­dings weitere Equipment Properties zugeordnet werden, die in der zugehörigen Klasse nicht enthalten sind sowie den auf Klassenebene definierten Properties Werte zuge­ wiesen werden (siehe Abbildung 3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3. Elemente des Equipment Models [7, p. 27].

Die in der Bildmitte angeordnete Equipment Capability Test Specification mit dem zu­gehörigen Equipment Capability Test Result dient üblicherweise zum Test der in den Properties festgelegten Eigenschaften, wird jedoch im weiteren Verlauf der Arbeit nicht mehr betrachtet [7, pp. 27-31].

Neben dem Role-based Equipment Model existiert zusätzlich ein Physical Asset Mo­del. Dieses unterscheidet sich vom Equipment Model in der Tatsache, dass es keine rollenbasierte Struktur aufweist und die tatsächlich vorhandenen Ausrüstungsgegen­stände auflistet [7, pp. 32-37]. Da die im zu modellierenden Prozess verwendeten Equipments jedoch nur in einer Rolle auftreten und die Implementierungssoftware phy­sische Assets nicht unterstützt, wird das Modell in dieser Arbeit vernachlässigt.

2.2.2 Material Model

Im Gegensatz zum hierarchisch aufgebauten Equipment Model (Abbildung 2) werden im hierarchielosen Material Model (Abbildung 4) die zu verbrauchenden Materialien im Produktionsprozess beschrieben. Eine Gemeinsamkeit der beiden Modelle ist jedoch die Unterscheidung von Klasse und Instanz:

Dabei werden auch hier die Material Class Properties als Material Properties übernom­men, sobald ein Material einer Material Class zugeordnet wird. Zusätzlich kann im Be­reich des Material Models noch zwischen sogenannten Material Lots und Material Sub­lots unterschieden werden, wodurch einer bestimmten Menge bzw. Untermenge gleichartiger Güter separate Eigenschaften zugeordnet werden können. Zur Reduktion der Komplexität werden diese Möglichkeiten jedoch nicht genutzt und die entsprechen­den Eigenschaften dem verwendenden Equipment zugeordnet [7, pp. 37-47].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4. Elemente des Material Models [7, p. 38].

2.2.3 Personnel Model

Im Personnel Model werden die zur Erreichung des Produktionsziels verfügbaren Per­sonalressourcen beschrieben. Wie bei den bereits zuvor beschriebenen Modellen wird auch hier zwischen der konkreten Person (z.B. Hans Müller) und der entsprechenden Personal Class (z.B. Abteilungsleiter) unterschieden. Als Properties für Klassen oder Instanzen werden in diesem Modell z.B. Fähigkeiten oder Zulassungen für Personen­ gruppen und Einzelpersonen modelliert [7, pp. 22-26].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5. Elemente des Personnel Models [7, p. 22].

2.2.4 Process Segment Information

Als Process Segment Information (siehe Abbildung 6) bezeichnet man die unterste Ebene der Darstellung von Prozessinformationen. Das Process Segment (PS) ist hier­bei die kleinste dokumentierte Prozesseinheit, die aus den Process Segment Parame­tern sowie den benötigten Ressourcen besteht.

Die zugeordneten Ressourcen eines Segments sind in die vier Ressourcentypen Per­sonal, Equipment, Physical Asset sowie Material unterteilt und werden als Specifica­tions bezeichnet. Einem Process Segment können beliebig viele Specifications jedes Typs zugeordnet werden. Jeder einzelnen Specification kann ebenfalls eine beliebige Anzahl Specification Properties zugewiesen werden, welche über die Art und Weise der Ressourcenverwendung innerhalb des Segments Aufschluss geben.

Die Abhängigkeit der einzelnen Segmente kann mit Hilfe der Process Segment De­pendency festgelegt werden: So kann etwa innerhalb eines Prozesses bestimmt wer­den, dass dieser erst nach Abschluss eines anderen Prozesses ausgeführt werden darf [7, pp. 48-56]. Da diese Abhängigkeiten jedoch in dieser Arbeit vollständig inner­halb der Workflows modelliert sind, wird diese Komponente nicht genutzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6. Elemente der Process Segment Information [7, p. 49].

2.3 Operations Management Information

Als Operations Management Information werden die Informationen bezeichnet, die für den laufenden Betrieb erforderlich sind oder während des laufenden Betriebs generiert werden. Hierzu gehören im Wesentlichen die Operations Definition, der Operations Schedule, die Operations Performance sowie die Operations Capability [7, pp. 4-6].

2.3.1 Operations Definition Information

Wie bereits erwähnt, ist das produktunspezifische Process Segment ein Prototyp des produktspezifischen Operations Segments (OS), wobei von einem PS ähnlich einer Vorlage beliebig viele OS abgeleitet werden können, allerdings jedes OS genau einem PS zugeordnet ist. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass bei gleichartigen Pro­zessen der Programmieraufwand deutlich reduziert wird, da die zu Grunde liegende wiederverwendbare Vorlage für einen ähnlichen Prozess nur geringfügig angepasst werden muss.

Die Resource Specifications des OS mit ihren Properties sowie die Parameter Specifi­cation werden hierbei vom PS übernommen, können jedoch an den entsprechenden Prozess angepasst werden.

Die einzelnen OS können anschließend zu einer sogenannten Operations Definition (OD) aggregiert werden, die alle zugehörigen Segmente inklusive deren Properties und Parametern enthält. Die OD wird daher häufig genutzt, um sämtliche benötigten Ressourcen und Parameter eines zu fertigenden Produkts zu beschreiben.

Die Operations Definition Information (vollständig in Abbildung 7 dargestellt) unter­stützt darüber hinaus zusätzliche Features wie die Erstellung und Verwaltung von Ma­terialentnahme- und -verwendungsscheinen. Da diese Funktionen insbesondere auf­grund der kleinskaligen Prozesse und der Reduzierung des Modellierungsaufwands nicht verwendet werden, wird an dieser Stelle nicht weiter darauf eingegangen [7, pp. 58-70].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7. Elemente der Operations Definition Information [7, p. 59].

2.3.2 Operations Schedule Information

Aus der zuvor aggregierten Operations Definition kann nun ein konkreter Fertigungs­auftrag generiert werden, der als Operations Request (OR) bezeichnet wird, wobei bei der Erzeugung des Auftrags die Segment Specifications der OD dem OR als Segment Requirements mit ihren jeweiligen Properties zugeordnet werden. Mehrere Aufträge können dabei als sogenannter Operations Schedule (Abbildung 8) zusammengefasst und gemeinsam verwaltet werden [7, pp. 71-86].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8. Elemente der Operations Schedule Information [7, p. 72].

2.3.3 Operations Performance Information

Die in Abbildung 9 dargestellten Operations Performance Information dienen der Do­kumentation der zuvor ausgeführten Fertigungsaufträge. Die Protokollierung der Aus­führung jedes einzelnen Requests erfolgt als Operations Response. Dabei fügt jedes ausgeführte Process Segment die entsprechende Segment Response hinzu, welche aus den tatsächlich verwendeten Ressourcen (Resource Actuals) und weiteren, zuvor festgelegten, Segment Data besteht.

Jedes Actual besitzt hierbei bestimmte Eigenschaften, wozu beispielsweise die Nut­zungsart sowie die Menge des entsprechenden Materials gehören. Einem Actual kön­nen darüber hinaus weitere Properties (z.B. materialspezifische Produktionsabwei­chungen) zugeordnet werden [7, pp. 86-96].

Ein großer Vorteil der Performance Information ergibt sich aus der möglichen Verknüp­ fung des Workflowmanagement-Systems mit einem Historian-Datenbankserver: So können die aus dem realen Produktionsprozess gewonnenen Daten in Echtzeit abge­ speichert und die aus der statistischen Analyse gewonnenen Informationen zur Ver­ besserung des Prozesses genutzt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9. Elemente der Operations Performance Information [7, p. 86].

2.3.4 Operations Capability Information

Die Operations Capability Information sind die Sammlung aller Ressourcen sowie de­ren Ressourcenzustände für einen definierten Zeitabschnitt in der Vergangenheit, Ge­genwart oder der Zukunft [7, p. 97]. So kann mit Hilfe eines Capability Models z.B. die Verfügbarkeit, Disposition oder der Krankenstand des Personals modelliert werden. Da diese Informationen für die Modellierung des Einsatzszenarios nicht verwendet werden, wird an dieser Stelle nicht weiter darauf eingegangen.

2.4 Workflows

Ein Workflow ist ein Prozess mit einem definierten Anfang und Ende, der aus einer Menge von aufeinander folgenden Schritten besteht. Die Ausführungsreihenfolge die­ser Schritte wird dabei mit Hilfe von Bedingungen oder durch das Auslösen von Ereig­nissen bestimmt. Zudem werden im Workflow die für die Ausführung jedes Schrittes erforderlichen Ressourcen definiert [11, pp. 3-4].

Die Modellierung des Workflows kann auf verschiedene Arten erfolgen, wobei in der Norm DIN EN 62264-4 beispielsweise die Verwendung des BPMN-Prozessdiagramms sowie der Flowchart-Notation (Flussdiagramm) empfohlen ist. Im weiteren Verlauf wird die im Unternehmenskontext gebräuchliche BPMN-Darstellung betrachtet. Ein Pro­zessdiagramm besteht im Wesentlichen aus Knoten und gerichteten Kanten [9, pp. 82-84]. Die folgende Tabelle stellt die in dieser Arbeit verwendeten BPMN-Symbole kurz vor:

Tabelle 4. Liste der in dieser Arbeit verwendeten BPMN-Symbole 12.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aus Übersichtsgründen befindet sich eine vollständige Liste aller Symbole im Anhang A.

In der Darstellung der DIN EN 62264 besitzt jeder Knoten (Workflow Specification Node) einen Knotentyp (Workflow Specification Node Type) aus der obigen Tabelle. Dabei können sowohl dem Knoten als auch dem Knotentyp weitere Properties zuge­ordnet werden. Das gleiche Prinzip gilt analog für die Kanten, wo sowohl die Workflow Specification Connection, als auch der Workflow Specification Connection Type ei­gene Properties besitzen [9, p. 34].

Als Teil des Workflow-Management-Systems stellt der hierarchisch aufgebaute Work­flow das verbindende Element zwischen den Objektmodellen sowie den OM-Informa- tionsmodellen dar: Dabei definiert er die Ausführungsreihenfolge der Operations Seg­ments, indem er die zugehörigen Workflows mit diesen als Eingabeparameter aufruft. Des Weiteren koordiniert er die für einen Prozess benötigten Ressourcen und sorgt für die Strukturierung der Schedules sowie der im Produktionsprozess gewonnenen Infor­mationen.

3 Modellierung des Anwendungsszenarios nach DIN EN 62264

3.1 Beschreibung der Fahrzeugmontage

Das gesamte Fahrzeug besteht aus vier Teilen: Fahrgestell, Sitzbaugruppe, Karosse­rie und Dach, wobei die Karosserie in den Varianten ADAC-, Feuerwehr- und Polizei­karosserie verbaut werden kann.

Der Fertigungsprozess beginnt mit der Auslagerung des Fahrgestells aus dem vollau­tomatischen Hochregallager (HRL) auf einen bereitstehenden Transportwagen. An­schließend fährt der Wagen mit dem Fahrgestell über die Transportbänder in Richtung Montageroboter, wobei parallel dazu bereits die Sitzbaugruppe ausgelagert wird, wel­che danach ebenfalls zum Roboter läuft.

Sobald die beiden Teile den Roboter erreicht haben, wird die für das entsprechende Teil zuständige Trajektorie (Bahnkurve) vom Roboter ausgeführt. Hierbei wird die Sitz­baugruppe direkt auf die Palette des Fahrgestells montiert, sodass nur die leere Pa­lette der Sitzbaugruppe direkt zum Lager zurückgeführt und eingelagert wird.

Nach der Auslagerung der Sitzbaugruppe fährt das HRL mit der Auslagerung der bei Auslösung des Fertigungsauftrages ausgewählten Karosserie fort, welche im Gegen­satz zu den anderen Teilen zuvor gefräst wird. Wenn die Karosserie an der Bearbei­tungsstation angekommen ist, führt sie die Zweiachskomponente der CNC-Fräsma- schine zu und wird durch Aufruf der spezifischen Frästrajektorie gefräst. Nach dem Rücktransport auf das Förderband wird auch die Karosserie wie alle anderen Teile zuvor auf der Palette des Fahrgestells montiert und die leere Palette läuft zum Lager zurück.

Der letzte Schritt der Produktion ist die Dachmontage, die nach Auslagerung der Ka­rosserie angestoßen wird: Nach der Auslagerung des Dachs und dem Transport zum Roboter wird das Fahrzeug durch die Montage des Dachs fertiggestellt. Das fertige Fahrzeug befindet sich nun auf der Palette des Fahrgestells, läuft zum Hochregallager zurück und wird dort eingelagert.

3.2 Objektmodellierung des flexiblen Fertigungssystems

3.2.1 Personnel Model

Im Kapitel 2 wurde der Aufbau der einzelnen Objektmodelle erläutert und als UML- Klassendiagramme dargestellt. Dies lässt sich besonders gut am Personnel Model darstellen: Im Kapitel 2.2.3 wurde bereits allgemein der Zusammenhang zwischen den Elementen Personnel Class und Person sowie den Personnel Class Properties und den Personnel Properties aufgezeigt.

Obwohl die Norm hier ausdrücklich von Klassen (Personnel Class) und Instanzen (Per­son) spricht, sind dies aus Sicht von UML aufgrund der allgemeinen Definition der Ele­mente stets Klassen, z.B. die Klasse Personnel Class und die Klasse Person des zuvor dargestellten Klassendiagramms.

In den folgenden Unterkapiteln wird das flexible Fertigungssystem mit Hilfe konkreter Elemente der Norm modelliert. Da sämtliche Bestandteile des Modells in einem Dia­gramm dargestellt werden sollen, werden diese als abgeleitete Instanzen der zuvor dargestellten Klassendiagramme behandelt. Aus diesem Grund bietet sich die Darstel­lung als UML-Objektdiagramm an. Die beispielhafte Anwendung dieses Konzepts wird in den folgenden Absätzen aufgezeigt:

Das Personnel Model des flexiblen Fertigungssystems ist sehr klein, da für den ope­rativen Betrieb keinerlei Personal benötigt wird. Zur Behebung der beim Betrieb auf­tretenden Fehler, zu denen derzeit noch Ungenauigkeiten bei der Montage oder das Verklemmen von Teilen gehört, ist es dennoch sinnvoll, dass ein Anlagenfahrer das FFS beaufsichtigt.

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• College: Otto-von-Guericke-University Magdeburg (Institut für Automatisierungstechnik)
• Grade: 1,2
• Author: Florian Doleschal (Author)
• Publication Year: 2007
• Pages: 105
• Catalog Number: V1288557
• ISBN (PDF): 9783346747853
• ISBN (Book): 9783346747860
• Language: German
• Tags: konzeptionierung, integration, workflow-management-systems, anlage