Die Erfindung betrifft die Automatisierung einer modularen Produktionsplattform und eine modulare Produktionsplattform. Insbesondere, aber nicht ausschließlich betrifft die Erfindung das Fertigungsmanagementsystem nach dem Oberbegriff von

Anspruch 1 sowie ein entsprechendes Verfahren zum automatisierten Herstellen von Produktlosen mit einer Vielzahl von Endprodukten.

Um die Fertigung von Produktlosen bestehend aus einer Vielzahl von Endprodukten automatisiert ablaufen lassen zu können, werden Fertigungsmanagementsysteme eingesetzt. Derartige Fertigungsmanagementsysteme verbinden die eigentlichen Fertigungsvorgänge des„Manufacturing Execution System" (MES) und die

Ressourcenplanung des Unternehmens,„Enterprise Resource Planning" ERP, miteinander und spielen innerhalb der Produktions-IT eine zunehmend wichtigere Rolle. Dabei werden nicht nur Daten aus der Produktion gesammelt, verdichtet und analysiert, sondern die Produktion wird auf Basis dieser Daten planend und steuernd unterstützt.

Ein Fertigungsmanagementsystem zum automatisierten Herstellen von Produktlosen mit einer Vielzahl von Endprodukten umfasst dementsprechend ein oder mehrere Fertigungsmodule, die wiederum eine oder mehrere Bearbeitungskomponenten aufweisen. Mit den Bearbeitungskomponenten der Fertigungsmodule werden aus einem oder mehreren Eingangsprodukten Zwischenprodukte erzeugt, die in einem nachfolgenden Fertigungsmodul weiter bearbeitet werden oder als Endprodukt ausgestoßen werden.

Die geplante und vorgegebene Produktionsabfolge ist in einer Planungseinrichtung des Fertigungsmanagementsystems abgespeichert. Die Fertigungsmodule werden von einer Koordinationseinrichtung gesteuert. Zwischen der Planungseinrichtung und der Koordinationseinrichtung ist eine Planungskoordinationsschnittstelle vorgesehen, und zwischen der Koordinationseinrichtung und den Fertigungsmodulen mit ihren Bearbeitungskomponenten ist eine Koordinationsausführungsschnittstelle

vorgesehen. Von der Planungskoordinationsschnittstelle wird in Abhängigkeit von der vorgegebenen Produktionsabfolge eine Steuersequenz für jedes Fertigungsmodul erzeugt, und von der Koordinationsausführungsschnittstelle wird in Abhängigkeit von der Steuersequenz eine Bearbeitungssequenz für jede Bearbeitungskomponente erzeugt.

Einen Überblick über Fertigungsmanagementsysteme gibt G. Reinhard et al., „Vorlesungsskript Technische Betriebsführung II"; TU München, 1996, S. 29 - 34. Dort wird eine rechnerintegrierte Fertigung CAM mit Planungsrechner und DNC- Rechner beschrieben.

Aus DE 10 2006 027 669 A1 ist eine computerimplementierte Arbeitsablauf- Maschine zum Management einer Arbeitsliste bekannt. Die Maschine enthält einen Arbeitslistenserver zum Bereitstellen von Diensten und zum Speichern eines

Arbeitslisteneintrags, einen Aufgabenplaner, der den Arbeitslisteneintrag, der durch den Arbeitslistenserver gespeichert wird, zerlegt, einen Aufgabeninterpreter zum Empfangen der Arbeitsliste und zum Trennen der Arbeitsliste in eine Aktion und einen Akteur und einen Aufgabenmanager, der an den Aufgabenplaner und an den Akteur, der durch die Arbeitsliste spezifiziert ist, gekoppelt ist.

Aus DE 102 06 903 A1 ist ein Verfahren zur Erstellung von Softwareapplikationen insbesondere für MES-Systeme bekannt. Objekte (mit Daten, Attributen, Verhalten, Funktionen) für Softwareapplikationen, insbesondere MES-Applikationen, werden mit Metainformationen verknüpft, als hierarchische Bäume (OB1 , OB2) strukturiert (wobei unterschiedliche Darstellungsformen wählbar sind) und miteinander verzeigert bzw. vernetzt (lateral und/oder horizontal). Zur Laufzeit werden die Objektte (K1 -K4, KV-K4') zu Softwareapplikationen zusammengesetzt, wobei sich die Gesamtfunktion der Softwareapplikationen aus der Struktur der hierarchischen Bäume (OB1 , OB2) ableitet. Es können Softwareapplikationen für MES-Systeme, für

Automatisierungssysteme, für industrielle Steuerungen (auch

Bewegungssteuerungen) und für Büroanwendungen (Officebereich) erstellt werden.

Wesentlicher Bestandteil von Fertigungsmanagementsystemen mit einer modularen Produktionsplattform sind konfigurierbare autonome Fertigungsmodule. Sie sind mit Plug-and-Produce-Fähigkeiten, eigener PC-basierten Echtzeitsteuerung, einer zentralen, modulunabhängigen Mensch-Maschine-Schnittstelle und unterschiedlichen Prozesskomponenten ausgestattet. Die Prozesskomponenten umfassen beispielsweise Fertigungs-, Produktions- und Prüfprozesse.

Ein Nachteil bei dem bisherigen Stand der Technik besteht darin, dass das

Prozessmodell, von dem in einem Fertigungsmanagementsystem ausgegangen wird, in der Regel an Vorgaben der Hersteller der Fertigungsmodule und den

entsprechenden Steuerungen angepasst werden muss.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es damit, ein einheitliches hersteiler- und steuerungsunabhängiges Prozessmodell zu schaffen, welches in allen

Systemebenen und Prozessschritten konsistent bleibt und die Beschreibung eines Produktionsprozesses innerhalb einer Fertigungslinie auf Basis der Fähigkeiten der konfigurierbaren Fertigungsmodule erlaubt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Fertigungsmanagementsystem zum

automatisierten Herstellen von Produktlosen mit einer Vielzahl von Endprodukten nach Anspruch 1 bzw. das entsprechende Verfahren nach Anspruch 9. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Die Erfindung schafft zusätzlich zu den oben genannten Schnittstellen eine weitere Datenverbindung von den Fertigungsmodulen zu der Koordinationseinrichtung, über die Parameter von Eingangsprodukt, Zwischenprodukt bzw. Endprodukt und

Fertigungsmodul an die oberen Ebenen gemeldet werden.

Das gattungsgemäße Fertigungsmanagementsystem zum automatisierten Herstellen von Produktlosen mit einer Vielzahl von Endprodukten umfasst:

wenigstens ein Fertigungsmodul mit wenigstens einer Bearbeitungskomponente zum

Erzeugen eines Zwischenproduktes aus wenigstens einem Eingangsprodukt, eine Planungseinrichtung zum Abspeichern einer vorgegebenen Produktionsabfolge, eine Koordinationseinrichtung mit wenigstens einer Datenbank zum Steuern von dem wenigstens einen Fertigungsmodul,

eine Planungskoordinationsschnittstelle zum Erzeugen wenigstens einer

Steuersequenz für jedes Fertigungsmodul in Abhängigkeit von der vorgegebenen Produktionsabfolge, eine Koordinationsausführungsschnittstelle zum Erzeugen einer

Bearbeitungssequenz für jede Bearbeitungskomponente in Abhängigkeit von der Steuersequenz.

Das Fertigungsmanagementsystem wird erfindungsgemäß weitergebildet durch einen logischen Bus zwischen wenigstens einem Fertigungsmodul und der wenigstens einen Datenbank zum Übertragen von Datenpaketen, wobei die

Datenpakete wenigstens umfassen: Parameter des wenigstens einen

Eingangsproduktes und/oder des Zwischenproduktes und/oder des

Fertigungsmoduls als Nutzdaten und eine Identifizierung des jeweiligen

Fertigungsmoduls und der jeweiligen Datenbank, und wobei jedes Fertigungsmodul wenigstens ein Listener-Modul zum Abfragen vorgegebener Parameter und zum Senden an bei dem Listener-Modul registrierte Datenbanken aufweist.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen

Fertigungsmanagementsystems weisen eines oder - soweit technisch möglich und sinnvoll - mehrere der folgenden Merkmale auf:

• eine Routinen-Datenbank zum Abspeichern von Script- und Service-Task- Routinen, wobei die Koordinationsausführungsschnittstelle beim Erzeugen der Bearbeitungssequenz wenigstens eine Routine wenigstens einer

echtzeitfähigen Basisfunktion einer Bearbeitungskomponente zuordnet;

• die echtzeitfähigen Basisfunktionen entsprechen einer oder mehreren SPS- Routinen einer Bearbeitungskomponente;

• ein Enterprise-Service-Bus, über den die Planungskoordinationsschnittstelle mit einer Business-IT, einem ERP-System und/oder einem MES-System verbunden ist;

• die Datenverbindung umfasst einen Robotics-Service-Bus;

• ein Modul-Bus, über den die Fertigungsmodule miteinander verbunden sind;

• das wenigstens eine Fertigungsmodul umfasst eine Parameterdatenbank zum Abspeichern der Parameter des wenigstens einen Eingangsproduktes und/oder des Zwischenproduktes und/oder des Fertigungsmoduls über den Robotics-Service-Bus;

• die Koordinationseinrichtung und/oder die Planungseinrichtung über den

Enterprise-Service-Bus hat Zugriff auf die Parameterdatenbank. Das entsprechende Verfahren zum automatisierten Herstellen von Produktlosen mit einer Vielzahl von Endprodukten durch Erzeugen von Zwischenprodukten aus jeweils wenigstens einem Eingangsprodukt durch wenigstens ein Fertigungsmodul mit wenigstens einer Bearbeitungskomponente umfasst die Schritte:

Abspeichern einer vorgegebenen Produktionsabfolge in einer Planungseinrichtung,

Steuern von dem wenigstens einen Fertigungsmodul durch eine

Koordinationseinrichtung mit wenigstens einer Datenbank,

Erzeugen wenigstens einer Steuersequenz für jedes Fertigungsmodul in

Abhängigkeit von der vorgegebenen Produktionsabfolge durch eine

Planungskoordinationsschnittstelle,

Erzeugen einer Bearbeitungssequenz für jede Bearbeitungskomponente in

Abhängigkeit von der Steuersequenz durch eine

Koordinationsausführungsschnittstelle und

Übertragen von Datenpaketen über einen logischen Bus zwischen wenigstens einem Fertigungsmodul und der wenigstens einen Datenbank, wobei die Datenpakete wenigstens umfassen: Parameter des wenigstens einen Eingangsproduktes und/oder des Zwischenproduktes und/oder des Fertigungsmoduls als Nutzdaten und eine Identifizierung des jeweiligen Fertigungsmoduls und der jeweiligen Datenbank und Abfragen und Senden an eine Datenbank vorgegebener Parameter durch wenigstens ein Lister-Modul des jeweiligen Fertigungsmoduls, die bei dem

wenigstens einen Listener-Modul des jeweilige Fertigungsmoduls registriert ist.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen eines oder - soweit technisch möglich und sinnvoll - mehrere der folgenden Merkmale auf:

• die Produktionsabfolge ist als eine Instruktionsmenge abgespeichert, und die Planungskoordinationsschnittstelle unterteilt die Instruktionen der

Produktionsabfolge in Benutzerschnittstellen- (HMI-) Instruktionen,

Tätigkeitsinstruktionen, Inspektionsinstruktionen;

• die Koordinationsausführungsschnittstelle ordnet jede Tätigkeitsinstruktion wenigstens einem Fertigungsmodul zu zum Ausführen eines

Herstellungsschrittes, jede Benutzerschnittstellen- (HMI-) Instruktion wenigstens einer Benutzerschnittstelle zum Anpassen der Herstellungsschritte durch einen Benutzer, jede Inspektionsinstruktion wenigstens einer

Inspektionseinheit zum Erfassen von Ist-Parametern und Vergleichen mit Soll- Parametern; • die Koordinationsausführungsschnittstelle ordnet zum Erzeugen einer maschinenspezifischen Bearbeitungssequenz eine Script- bzw. eine Service- Task-Routine in einer Routinen-Datenbank einer echtzeitfähigen Basisfunktion einer Bearbeitungskomponente zu;

• die Script- bzw. Service-Task-Routinen werden als HyperCard- bzw.

JavaScript-Routinen abgespeichert;

• die Script- bzw. Service-Task-Routinen sind als Plug-In-Routinen

abgespeichert,

• die Planungskoordinationsschnittstelle kommuniziert über einen Enterprise- Service-Bus mit einer Business-IT, einem ERP-System und/oder einem MES- Sy stem;

• die Koordinationsausführungsschnittstelle kommuniziert über einen Robotics- Service-Bus mit den Fertigungsmodulen;

• die Fertigungsmodule sind über einen Modul-Bus miteinander verbunden,

• ein weiterer Schritt ist Abspeichern der Parameter des wenigstens einen

Eingangsproduktes und/oder des Zwischenproduktes und/oder des

Fertigungsmoduls in einer Parameterdatenbank des wenigstens einen

Fertigungsmoduls über den Robotics-Service-Bus;

• die Koordinationseinrichtung und/oder die Planungseinrichtung über den

Enterprise-Service-Bus hat Zugriff auf die Parameterdatenbank.

Die Erfindung weist insbesondere die folgende vorteilhafte Eigenschaft auf. Dank der erfindungsgemäßen Datenverbindung ist es möglich, jedes einzelne Werkstück bei der Bearbeitung zu verfolgen und zu überwachen, so dass eine„individualisierte" Produktion erreicht wird. Die damit verbundene gleichzeitige Bearbeitung

unterschiedlicher Produkte bzw. Bauteile in der modularen Fertigungslinie wird erst durch die individuelle Zuordnung des Produkts bzw. Bauteils zu instanziierten fertigungsnahen Prozessmodellen, eine Identifikation des Produkts bzw. Bauteils beim Übergang zwischen den Fertigungsmodulen und die Entkopplung des

Materialflusses vom spezifischen Produktionsprozess ermöglicht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügte Zeichnung. Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fertigungsmanagementsystems.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die erfindungsgemäße Umsetzung einer

Produktionsabfolge in eine Steuersequenz für Fertigungsmodule.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die erfindungsgemäße Formulierung einer

Bearbeitungssequenz für die Bearbeitungskomponente eines Fertigungsmoduls in Abhängigkeit von der Steuersequenz.

Fig. 4 zeigt das Beispiel eines Aktivitätsdiagramms beim Übergang von der

Planungsebene zur Ausführungsebene.

Erfindungsgemäß wurde auf Basis von Architekturmustern aus der Software- /Automatisierungstechnik und der Robotik sowie den im Projekt identifizierten Modularisierungsebenen (Fertigungslinie und -modul, Prozesskomponente) eine dreischichtige Systemarchitektur bestehend aus einer Planungsebene 1 , einer Koordinationsebene 2 und einer Ausführungsebene 3 entwickelt. Dies ist dargestellt in Fig. 1 .

Die Planungsebene 1 beinhaltet eine Komponente 4 für die Ressourcenplanung (ERP) sowie eine Komponente 5 für Ausführungsroutinen (MES). Die

Ressourcenplanung 4 und die Ausführungsroutinen 5 stehen gemeinsam einer Planungseinrichtung 6 zur Verfügung, die in Fig. 1 durch einen schematischen, in BPMN formulierten Produktionsablauf angedeutet ist. Die Planungseinrichtung 6 kommuniziert mit einer oder mehreren Datenbanken 7 sowie mit der

Koordinationsebene 2 darunter. Die Kommunikationswege und -richtungen sind durch einfache bzw. doppelte Pfeile angedeutet.

In der Koordinationsebene 2 ist eine Koordinationseinrichtung 8 vorgesehen für die Steuerung und Überwachung von Fertigungsmodulen, die zu Gruppen oder Linien zusammengefasst sein können. Auf dieser Ebene hat ein Benutzer der

Fertigungsmodule über eine Benutzerschnittstelle 9 (HMI) die Möglichkeit, in die ablaufenden Prozesse einzugreifen und sie gegebenenfalls zu modifizieren. Unter der Koordinationsebene 2 schließt sich die Ausführungsebene 3 an, zu der Fertigungsmodule 10 logisch zugeordnet sind. Die Fertigungsmodule 10

kommunizieren über programmierbare Steuerungen (PLC) 1 1 und darin

implementierten Funktionen 12 der programmierbaren Steuerung, sog. PLC- Funktionen, mit wenigstens einer Bearbeitungskomponente 13 des jeweiligen

Fertigungsmoduls 10.

Erfindungsgemäß ist über die obige Architektur hinaus eine Datenverbindung 14 zu Datenbanken auf höheren Ebenen vorgesehen. Über diese Datenverbindung 14 werden Parameter der Werkstücke in den Bearbeitungskomponenten 13 wie auch Parameter der Bearbeitungskomponenten 13 selbst an höhere Instanzen gemeldet, so dass eine sog.„One Piece Flow"-Bearbeitung einzelner Werkstücke möglich wird.

Insbesondere umfasst die Datenverbindung 14 einen Robotics-Service-Bus (RSB). Der RS-Bus ist ein ereignisgesteuertes Middleware-System. Das RS-Bus-Protokoll sieht die Übertragung von Datenpaketen (Ereignisse) in einem vorgegebenen Format vor. Die Datenpakete beinhalten Nutzdaten (Payload), deren Format von dem Nutzer frei vorgegeben werden kann. Des weiteren wird eine Identifizierung (ID) für jedes Datenpaket angegeben, so dass jedes Datenpaket im Sinne einer späteren

Nachverfolgung schnell auffindbar ist. Zu jedem Datenpaket werden

Zusatzinformationen (Metadaten) bereitgestellt, die eine Identifizierung des

Absenders ermöglichen und die diverse Zeitangaben wie beispielsweise zu den Bedingungen bei Eintritt eines Ereignisses und zu nutzerspezifischen Angaben beinhalten. Angaben zu den Auslösern des Ereignisses (Auslösungsvektor) werden ebenso übertragen. Schließlich wird ein Adressat angegeben, für den die

Benachrichtigung über das Ereignis bestimmt ist.

Bei der Übertragung der Datenpakete (Benachrichtigung) ist die Angabe des

Adressaten insbesondere dann erforderlich, wenn keine dezidierte point-to-point- Verbindung hergestellt wird, sondern die Datenverbindung 14 ein logischer Bus ist, der mehrere Schichten beinhaltet. In einem solchen Fall hängen mehrere

Fertigungsmodule 10 als Sender an dem Bus 14. Es können auch mehrere

Datenbanken 7 als Empfänger an den Bus 14 angeschlossen sein, so dass sich ein (m : n)-System mit m Fertigungsmodulen 10 (Sendern) und n Datenbanken 7

(Empfängern) ergibt. Um die Datenverbindung 14 als logischen Bus aufbauen zu können, muss sichergestellt werden, dass sie kompatibel zu verschiedenen

Transportmechanismen ist. Ferner müssen unterschiedliche Serialisierungsarten ausführbar sein. Diese Anforderungen werden vorzugsweise umgesetzt durch ein „Connector' -Konzept, bei dem jeder Teilnehmer an dem Bus einen oder mehrere „Connector" als Schnittstelle verwendet.

Damit nicht jede Datenbank 7 von allen Fertigungsmodulen 10 Nachrichten erhält, die u. U. von vornherein für diese Datenbank irrelevant sind, wird vorzugsweise eine Vorauswahl (Observation) auf beiden Seiten getroffen. So werden auf Seiten der Fertigungsmodule 10 sog.„Listener"-Module eingerichtet, die bestimmte, nicht notwendigerweise alle Parameter des Fertigungsmoduls 10 abfragen. Bei diesen Listener-Modulen kann sich jede Datenbank 7 registrieren als an den von dem jeweiligen Listener-Modul überwachten Parametern interessiert. Von den Parametern eines bestimmten Listener-Moduls können von weiteren Filtern auf Seiten der Datenbank 7 dann die besonders wichtigen Parameter herausgefiltert werden. So ergibt sich ein mehrstufiges Vorauswahlsystem.

Im einzelnen beinhaltet die Ausführungsebene 3 invariante Abstraktionen der

Fertigungsmodule, d.h. Strukturen der speicherprogrammierten Steuerung (SPS) für die Implementierung echtzeitfähiger Basisfunktionen, Komponenten zur horizontalen und vertikalen Integration, Robotersteuerung, Modulüberwachung und -Integration in den Ausführungskontext der Fertigungslinie. Darüber hinaus enthält die

Ausführungsebene 3 Implementierungen der Basisfunktionen für die spezifischen Prozesskomponenten, die insbesondere in den nach IEC 61 131 -3 unterstützten Sprachen realisiert sind. Dies sind beispielsweise Schraub- oder

Vereinzelungskomponenten in einem (nicht gezeigten) Schraubmodul. Diese

Basisfunktionen werden unabhängig und möglichst ohne Vorannahmen über Ihren Ausführungskontext implementiert und stellen damit einfache, oft wiederverwendbare Basiselemente zur Verfügung. Über einheitliche Schnittstellen, die mit den Mitteln der horizontalen Integration realisiert werden, können die Basisfunktionen an den außerhalb der eigentlichen speicherprogrammierten Steuerung, aber auf der PC- basierten Steuerungshardware ausgeführten modulspezifischen Kontrollprozess „exportiert" werden. Diese einheitlichen Schnittstellen bilden einen Modul-Bus, über den die Fertigungsmodule miteinander, d.h. horizontal verbunden sind. Der modulspezifische Kontrollprozess agiert dabei als Abstraktionskomponente, die auch die Integration von Nicht-SPS-Komponenten wie z.B. einen RFID-Reader in die Modularchitektur erlaubt. Darüber hinaus realisiert der modulspezifische

Kontrollprozess die Verknüpfung zwischen zyklischer Regelung in der SPS-basierten Modulsteuerung und ereignisbasierter Prozesskontrolle in der Koordinationsebene 2.

Die Koordinationsebene 2 enthält modulübergreifende Abstraktionen und

Softwarekomponenten, die im Ausführungskontext der Fertigungslinie benötigt werden, aber keine Echtzeitanforderungen erfüllen müssen. Beispiele dafür sind die zentrale Mensch-Maschine-Schnittstelle 9 und Komponenten zur

modulübergreifenden Koordination und Ausführung von Fertigungsprozessen sowie zur Überwachung. Die beiden letztgenannten Funktionen sind dabei in einer (nicht gezeigten) Koordinationsausführungsschnittstelle realisiert, die mit der den

verschiedenen Modulen in der Ausführungsebene kommuniziert und diesen passende Teilprozesse zur Ausführung übergibt.

Die Planungsebene 1 umfasst Komponenten zur Anbindung der Fertigungslinie an die Business-IT des Unternehmens, insbesondere existierende ERP- oder MES- Systeme. Diese Anbindung erlaubt nicht nur die Kommunikation der Systemzustände in die ERP/MES-Ebene, sondern auch die Übertragung von Produktionsaufträgen aus der Planungsebene per OPC-UA an die Planungseinrichtung 6.

Auf Basis der in der Planungseinrichtung 6 abgespeicherten Produktionsabfolge wird eine steuerungsunabhängige Beschreibung der Konfiguration und Parametrisierung der Fertigungslinie erreicht. Als Konsequenz aus diesem Ansatz zur flexiblen

Konfiguration wurde als Bestandteil der Koordinationsebene eine

Planungskoordinationsschnittstelle entwickelt, die die Produktionsabfolge interpretiert und die jeweils für ein Modul relevanten Anteile der Prozessmodelle an die

Fertigungsmodule zur Ausführung übergibt. Die Planungskoordinationsschnittstelle ist dabei eine integrierte Teilkomponente, die die zu einem bestimmten Modul gehörigen Teilprozesse bzw. Aktivitäten an das„passende" Modul per Aufruf über eine Middleware der horizontalen Integration weitergibt. Dafür wurden in einer Koordinationsausführungsschnittstelle Script- bzw. Service-Task-Routinen realisiert, die den aktuell in der Ausführungsebene realisierten Basisfunktionen entsprechen. Eine vollständige Prozesskomponente eines Moduls wird in diesem Konzept also nicht nur mit Ihrem SPS-Code, sondern auch mit der entsprechenden Routine für die Schnittstelle ausgeliefert.

Für die Ausführung eines in der Produktionsabfolge beschriebenen

Fertigungsprozesses wird zunächst ein Prozessmodell über OPC-UA an die

Schnittstelle übergeben. Dieser Prozess wird in der Schnittstelle„installiert" und steht ab diesem Zeitpunkt bereit. Dabei ist zu beachten, dass die Schnittstelle mehrere Prozesse parallel ausführen kann, insbesondere wird ein solcher Prozess über die in den Modulen vorhandenen RFID-Reader gesteuert, der bei Identifikation eines Werkstückträgers die ID-Information als Ereignissignal an die Prozessinstanzen übergibt. Sobald ein Prozess dieses Ereignis verarbeiten kann, werden die weiteren Aktivitäten im logischen Ablauf des Fertigungsprozesses verarbeitet. Sobald ein Prozess abgeschlossen ist, wird dieser entsprechend markiert und in die

Prozessdatenbank für spätere Abfragen übertragen.

Über die Benutzerschnittstelle 9 kann der Benutzer z.B. zur Behebung eines

Problems oder zur Konfiguration der Hardware eingreifen. Dabei können als Teil der Schnittstelle auch die entsprechenden Benutzerrollen und Berechtigungskonzepte auf Linienebene und direkt im Produktionsablaufplan realisiert werden, die dann entsprechend in Aufrufe an die Benutzerschnittstelle 9 übersetzt werden.

In Fig. 2 ist ein Beispiel für die Umsetzung einer Produktionsabfolge in eine

Steuersequenz für Fertigungsmodule durch die Planungskoordinationsschnittstelle gezeigt.

Zunächst wird der Produktionsablauf in der Planungseinrichtung 6 in Ereignisbahnen 15 und wenigstens eine Ausgabebahn 16 für die Ausgabe von Ereignissen über die Benutzerschnittstelle 9 zerlegt. In jeder der Ereignisbahnen 15 sind Aufrufe 17 von Aktivitäten zusammengefasst, die gleiche Fertigungsmodule oder gleiche

Fertigungsmodulgruppen betreffen. Als Beispiel können die Aufrufe 17 in der zweituntersten Bahn 15 Schraubvorgänge betreffen und die Aufrufe 17 in der zweitobersten Bahn 15 Prägevorgänge betreffen. Darüber hinaus sind

Kontrollinstanzen vorgesehen, z.B. für die Qualitätssicherung in der obersten Bahn 15. Bei diesen Aufrufen wird jeweils eine Inspektion des vorangegangenen

Arbeitsergebnisses durchgeführt. Eingeleitet werden die Aufrufe 17 jeweils durch eine entsprechende Ereignisanzeige 18. Im Falle von unvollständigen oder fehlerhaften Arbeitsschritten werden diese über die Benutzerschnittstelle 9

ausgegeben, was durch mehrere Ereignisse 16 in der untersten Bahn 15 dargestellt ist.

In Fig. 3 ist ein Beispiel für die Formulierung einer Bearbeitungssequenz für die Bearbeitungskomponente eines Fertigungsmoduls in Abhängigkeit von der oben beschriebenen Steuersequenz gezeigt. Bei Schritt 19 erfolgt der Eintritt eines neuen Produkts in das hier betrachtete Fertigungsmodul. Daran schließt sich in Schritt 20 die Identifizierung des Produkts und in Schritt 21 die Zuweisung bzw. Überprüfung des Produkttyps und der individuellen Identifikation an. Anhand dieser Identifizierung des Produkts und Zuordnung des Produkttyps wird in Schritt 22 ein individueller und Produkt-spezifischer Bearbeitungsprozess aufgerufen. Sollte es bei der

Identifizierung des Produkts und der Zuordnung von Produkttyp zu einem Fehler gekommen sein und dieser bei dem Bearbeitungsprozess erkannt werden, erfolgt in Schritt 23 der Übergang auf einen Standardprozess und in Schritt 24 eine

entsprechende Fehlerausgabe über die Benutzerschnittstelle 9. Wenn hingegen die Identifizierung und Zuordnung des Produkts und Produkttyps korrekt vorgenommen wurde, wird das Produkt in Schritt 25 an die Bearbeitungskomponente übergeben und dort bearbeitet. Die Bearbeitung endet in Schritt 26 mit dem Abschluss der Bearbeitung und der Übergabe des Zwischenprodukts an die nächste Instanz.

Dieses Konzept der Formulierung einer Bearbeitungssequenz für die

Bearbeitungskomponente lässt sich wie folgt in das erfindungsgemäße

Gesamtsystem einordnen. In der Koordinationsebene wird jeweils für ein

individuelles Produkt eine neue Instanz eines Prozessmodels erzeugt und gestartet. Die Verbindung von Prozessinstanz und Produkt, also die Erzeugung und

spezifische Parametrisierung eines als Modell vorhandenen Prozesses, erfolgt dabei in der Planungskoordinationsschnittstelle beispielsweise an einem speziellen

Eintrittspunkt in eine Fertigungsmodul(gruppe) oder Fertigungslinie in Schritt 19 in Fig. 3. Die hier erzeugte Prozessinstanz, z.B. eine Ausprägung des in Fig. 2 gezeigten Prozessmodells, begleitet jedes Produkt über seinen Lebenszyklus hinweg in der Koordinationsebene. Diese Eigenschaft erlaubt später eine einfache

Nachvollziehbarkeit der durchgeführten Produktionsprozesse in der hier

angestrebten flexiblen Produktionsumgebung. So werden auch Produktionsfehler direkt in den Prozessvariablen vermerkt oder können durch die Einbindung des Maschinenbedieners über Anfragen an die Benutzerschnittstelle 9 annotiert und ggf. behoben werden.

Das Konzept zur Erzeugung separat aktiver Prozessinstanzen für die jeweils in einer Produktionsanlage befindlichen Produkte erlaubt die Fertigung von verschiedenen Produkten in einer Fertigungslinie. Durch die spezifischen Prozessinstanzen können in einer physisch konfigurierten Anlage alle abbildbaren Varianten von Produkten gefertigt werden und hiermit eine Art„One-Piece Flow" erreicht werden.„Abbildbar" bedeutet in diesem Fall, dass sowohl die Hardware in den Modulen entsprechend flexibel sein muss als auch die nötigen Produktionsfunktionen parametrisierbare Implementierung in der Ausführungsebene aufweisen müssen, die aus BPMN- Aktivitäten heraus ansprechbar sein müssen. Eine weitere Voraussetzung ist, dass zu einem Zeitpunkt nur ein einziges Produkt in einem Modul aktiv bearbeitet werden darf und nach der Identifizierung des Produkts bei dem Eingang in ein neues

Fertigungsmodul die Reihenfolge nicht mehr vertauscht werden darf. Sind diese Voraussetzungen gegeben, können zu einem Zeitpunkt mehrere verschiedene Produkte und Prozessinstanzen in einer modularen Fertigungslinie produziert werden.

Im folgenden werden Beispiele für diese modular beschriebenen Prozessanteile auf der Koordinationsebene angegeben:

• Interaktionen mit Benutzern der Maschine werden für komplexere Situationen durch separate Prozessmodelle beschrieben, wie es oben anhand einer Fehlerbehandlung erläutert wurde.

• In Situationen, in denen kein Prozessmodell für ein identifiziertes Produkt vorliegt, kann für das unbekannte Produkt entweder eine Benutzerinteraktion gestartet oder ein Standardprozess modelliert werden, wie das Absenden eines Fehlersignals an die Planungsebene bzw. einer E-Mail an eine verantwortliche Person oder der Abtransport des Produkts aus der Anlage, ohne dass weitere Bearbeitungsschritte erfolgen.

• Die eigentlichen modulspezifischen Funktionen („Prägen",„Schrauben",„Prüfen") werden für unterschiedliche Produkttypen als eigene Prozesse beschrieben. • Die Organisation des Materialflusses in der Anlage taucht nicht in den modulspezifischen Prozessen auf, da er„orthogonal" zu den eigentlichen Funktionen in einem Modul ist.

• Es werden Logiken und Benutzerinteraktionen bereitgestellt, um im

Konfigurationsmodus über die Benutzerschnittstelle einen unvollständigen in einen ausführbaren Produktionsplan zu überführen.

In den hier als Beispiel angeführten Prozessen erlaubt die Modellierung über Workflows die asynchrone Verzahnung der Koordinations- und Ausführungs- mit der Planungsebene und den dort definierten Prozessen. So können z.B. Ausnahmen in der Produktionsebene oder hier entstehende Verzögerungen direkt in Nachrichten, die auf der Planungsebene behandelt werden, überführt werden.

Fig. 4 zeigt ein Aktivitätsdiagramm für die oben erläuterten Beispiele, welches den Kern der Verarbeitung und die Aufteilung von abgespeicherten Produktionsabläufen auf der Koordinationseben und der Ausführungsebene beschreibt.

Am Beginn des Fertigungsmanagements erreicht ein (Zwischen-) Produkt in Schritt 27 ein Fertigungsmodul. Dieses wird in 28 mit dem Absenden einer Nachricht, die die Identifizierung des Produkts enthält, an die Koordinationseinrichtung quittiert. Die eigentliche Bearbeitung in der Fertigungsmodullinie erfolgt in Schritt 29 und beinhaltet in 30 das Bearbeiten des Arbeitsabschnitts. Der Arbeitsabschnitt wird in 31 abgeschlossen, die Bearbeitungshistorie wird in 32 in einer Datenbank

abgespeichert. Dies gilt natürlich nur für den Fall, dass damit das Endprodukt bereits fertiggestellt wurde. Ist das nicht der Fall, wird bei der Bearbeitung in der

Fertigungsmodullinie in Schritt 33 das nachfolgende Fertigungsmodul festgelegt und in Schritt 34 ein neuer Bearbeitungsteilabschnitt aufgerufen. Dies wird in 35 einem nachfolgenden Teilprozess in der Koordinationseinrichtung mitgeteilt. Damit ist die linke Spalte in Fig. 4 abgeschlossen.

In der Koordinationseinrichtung werden die Schritte ausgeführt, die in Fig. 4 in der mittleren Spalte aufgeführt sind. In 36 werden die Koordinationseinrichtung und eine PLC-Brücke aktiviert, in 37 erfolgt der Eintritt des Produkt in ein Fertigungsmodul. Dies wird in 38 mit einer Mitteilung an den entsprechenden Teilprozess in der Planungseinrichtung quittiert. Der in der linken Spalte begonnene Prozess wird nach Schritt 34, 35 mit Schritt 39 fortgeführt in einem Teilprozess in der

Koordinationseinrichtung, der auf ein individuelles Produkt ausgerichtet ist. Daran schließt sich in 40 die Bearbeitung in einem Fertigungsmodul an. Die eigentliche Bearbeitung erfolgt in 41 und wird gegebenenfalls in 42 abgeschlossen. Die

Bearbeitungshistorie wird in 43 wieder in einer Datenbank abgespeichert, und der Bearbeitungsstatus wird an die höhere Ebene (linke Spalte) gemeldet. Dies gilt nur für den Fall, dass das Bearbeitungsergebnis das endgültige Produkt hervorbringt. Andernfalls, d.h. bei einem Zwischenprodukt, folgt der eigentlichen Bearbeitung in 41 ein Aufruf von PLC-Funktionen in 44. Dieser ist verbunden mit dem Einstellen von Parametern der PLC-Funktionen in 45. In Schritt 46 werden die PLC-Funktionen dann gestartet, wobei gleichzeitig in 47 ein Start-Flag zu der PLC-Funktion gesetzt wird. In Schritt 48 ist die PLC-Funktion dann abgeschlossen und damit in Schritt 49 auch der Fertigungsmodulabschnitt, was in Schritt 50 als Bericht über den Prozess- Status gemeldet wird. Damit ist diese Ebene und damit die mittlere Spalte in Fig. 4 abgeschlossen.

Auf der niedrigsten Ebene, der Ausführungsebene werden in Schritt 51 die PLC- Routinen aktiviert und registriert. Es folgt in Schritt 52 das Einlesen von PLC- Funktionen und -Flags und in Schritt 53 das eigentliche Bearbeiten von PLC- Paramtern und -Flags. In 54 werden die PLC-Funktionsparameter evaluiert, und in 55 ausgeführt. Schließlich sind in 56 die PLC-Funktionen abgeschlossen, und damit sind die Prozesse auf der niedrigsten Ebene, d.h. in der rechten Spalte von Fig. 4, abgeschlossen.

Die Arbeit der Schnittstellen, die oben anhand von Beispielen erläutert wurde, lässt sich wie folgt zusammenfassen und einordnen.

Prozesspläne (Workflows), welche von der Koordinationsebene verarbeitet werden, betten sich (dynamisch) als produktspezifische Sub-Workflows in die

produktunspezifischen Businessprozess-Workflows der Planungsebene ein. Dabei werden Funktionsblöcke des Business- Workflows, welche sich auf die Ausführung der Fertigung beziehen, erst zur Laufzeit und abhängig vom zu fertigenden Produkt bestimmt und durch die Koordinations- bzw. Ausführungsebene interpretiert. Es handelt sich daher um eine mehrschichtige Schnittstelle, welche drei Ebenen

(Planungsebene, Koordinationsebene, Ausführungsebene) miteinander verbindet und dabei eine einheitliche Workflow-Notationssprache (z.B. BPMN) verwendet und ebenenweise interpretiert.

Ein Prozessplan zur vollständigen Fertigung eines speziellen Produkttyps kann auf der Planungsebene in ähnlicher Weise wie die heutzutage üblicherweise

modellierten Logiken von Geschäftsprozessen bspw. in Form eines BPMN2- basierten Workflows erstellt werden. Dadurch kann er auf der Planungsebene mit den dort üblichen Tools behandelt werden, was perspektivisch eine integrierte Abbildung der nötigen Aktivitäten zur Fertigung eines individuellen Produkts von Auftragseingang bis zur Logistik erlaubt. Zwecks Modularisierung und

Hierarchisierung müssen die detaillierten Prozesspläne für die Fertigung in der modularen Produktionsumgebung als Sub-Prozesse in eigenen Prozessplänen hinterlegt werden. Diese werden der Koordinationsebene als eigenständige typisierte Prozessmodelle zur Verfügung gestellt. Falls hier nicht bereits auf vollständige (im Sinne von„ausführbar") Prozessmodelle für die notwendigen produktspezifischen Fertigungsschritte zurückgegriffen werden kann, dürfen diese fertigungsnahen Prozessmodelle auch unterspezifiziert sein und beispielsweise Fertigungsaktivitäten ohne vollständige Parametrisierung enthalten. Die Einbettung und der Aufruf dieser Sub-Prozesse in den Prozessplänen auf Planungsebene kann entweder über entsprechende Start- und Terminierungssignale oder durch direkten Aufruf von SubProzessen realisiert werden. Vorzugsweise werden die Signale modelliert, da hiermit eine flexiblere Ausführung auf der Produktionsebene ermöglicht wird. Während eine Weitergabe der fertigungsnahen Prozessmodelle an die Koordinationsebene eine Verantwortlichkeit der Planungsebene ist, findet die Instanziierung sowie

Interpretation dieser Prozesse autonom und idealerweise produktgesteuert in der Koordinationsebene statt.

Aus technischer Sicht muss die Architektur nicht zwingend drei Ebenen mit entsprechenden Einrichtungen aufweisen. Aus logischer Sicht wird allerdings eine hierarchische Prozessmodellierung vorgenommen, die innerhalb eines

übergreifenden Prozessplans konzeptionell Aktivitäten für alle drei Ebenen enthält.

Die Instruktionen der Planungsebene müssen mindestens die Kommunikation und Transformation von auftragsspezifischen Informationen des ERP-Systems, die Kommunikation mit der Workflow-Datenbank und Selektion des produktspezifischen Sub-Workflows aus der Datenbank umfassen. Zusätzlich sind auch Instruktionen für die Sendung des Sub-Plans an die Koordinationsebene und dem Empfang von Terminierungssignalen nach erfolgreichem Abschluss bzw. bei fehlerhaftem

Abschluss aus der Koordinationsebene erforderlich.

Aus Sicht der Koordinationsebene müssen die fertigungsnahen Prozessmodelle Informationen zum zu fertigenden Produkt-Typ sowie der für dieses Produkt zu nutzenden Fertigungsmodule im Sinne einer minimalen Linien-Spezifikation enthalten (im einfachsten Fall aktuell über die Spezifikation sog.„Lanes" für die beteiligten Fertigungsmodule). Insbesondere kann die Anwendbarkeit der fertigungsnahen Prozessmodelle auf eine Liste von EPC-IDs (Electronic Product Codes), die in der Ausführungsebene per RFID gelesen werden, eingeschränkt werden. In diesem Fall wird diese Information zusammen mit den typ-spezifischen Prozessmodellen an die Koordinationsebene übergeben. Zusätzlich zu diesen Informationen werden die Daten der sendenden Prozessinstanz hier eingebettet, um die Zuordnung von Signalen der aufgerufenen Prozesse auf der Koordinationsebene mit den im übergeordneten Workflow enthaltenden Abstraktionen zum Empfang von Signalen zu erleichtern. Aus funktionalen Gründen sind im Rahmenwerk der Gesamtarchitektur Funktionen vorgesehen, die eine Aktualisierung von

produktspezifischen Prozessmodellen aus der Koordinationsebene heraus ermöglichen („bottom-up"). Diese Funktion ist insbesondere für den Fall interessant, wenn ein unvollständiger fertigungsnaher Prozessplan auf der Planungsebene referenziert wird, der in der Koordinationsebene vervollständigt wurde. Auf dieses Produkttyp-spezifische Wissen kann dann bei einer erneuten Fertigung desselben Produkts zurückgegriffen werden.

Die Instruktionen der Koordinationsebene umfassen mindestens den Empfang des Sub-Workflows der Planungsebene, die Sendung des Terminierungssignals an die Planungsebene und die produktspezifischen Aufrufe der SPS-Basisfunktionalitäten (gemäß Sub-Workflows), welche für den Fertigungsprozess erforderlich sind. Des Weiteren sind Instruktionen zur Aufteilung des Fertigungsprozesses auf die Module der Ausführungsebene sowie für die bidirektionale Kommunikation mit der

Ausführungsebene (Sendung von Sub- Workflows/Empfang von

Terminierungssignalen) erforderlich. Der fertigungsnahe Prozess wird in der Koordinationsebene aus der Menge an in einer Datenbank verfügbaren Prozessen geladen, produktspezifisch parametrisiert und als eigene Prozessinstanz durch die kontrollierende Komponente auf der Linienebene und seine eingebettete Schnittstelle ausgeführt.

Auf der Planungsebene ist eine Business-Workflow-Engine erforderlich, welche Geschäftsprozesse des Business-Workflows interpretieren kann. Des Weiteren wird ein„Enterprise Service Bus" (ESB) eingesetzt, welcher als Schnittstelle und

Transformator für Informationen eines„Enterprise Ressource Planning" (ERP) - Systems fungiert. Zusätzliche ist eine Workflow-Datenbank vorgesehen, welche die produktspezifischen Sub-Workflows zur Verfügung stellt. Der Ablauf erfolgt wie folgt:

1 . Der produktunspezifische Business-Workflow wird durch die Business-Workflow- Engine interpretiert und erwartet einen Fertigungsauftrag durch das ERP-System.

2. Nach erfolgtem Auftrag, werden Informationen des ERP-Systems durch den ESB transformiert und sorgen für eine geschäftsprozessspezifische Anreicherung des Business-Workflows, welche Informationen zum zu fertigen Produkt beinhaltet.

3. Der produktspezifische Sub-Workflow wird aus einer Workflow-Datenbank selektiert und in den Business-Workflow eingebettet. Dabei spezifiziert dieser SubWorkflow den Funktionsblock zur Ausführung der Fertigung.

4. Für die Verarbeitung des Fertigungsprozessfunktionsblocks wird der Sub-Workflow an die Koordinationsebene gesendet und dort weiter verarbeitet.

Alternativ können die fertigungsnahen Workflows modularisiert werden, und die eigentlichen Prozesspläne der Planungsebene referenzieren diese nur bzw. stoßen per Signal das Deployment der entsprechenden fertigungsnahen Prozesspläne an.

Die Koordinationsebene enthält für je eine Fertigungslinie eine koordinierende Komponente. Diese Komponente kann produkttyp-spezifische Prozesspläne beispielsweise aus einer Datenbank abrufen und mit einer eingebetteten Schnittstelle im Kontext der Systemarchitektur der modularen Produktionslinie ausführen. Die fertigungsnahen Prozesspläne auf der Koordinationsebene enthalten wiederum primär eine Sequenz von Sub-Prozessen, die ereignisgesteuert ausgeführt werden, sowie die Zuordnung der Sub-Prozesse zu den Fertigungsmodulen der Anlage. Darüber hinaus können weitere Aktivitäten wie beispielsweise Interaktionen mit dem Maschinenbediener oder -einrichter sowie weitere Zwischenschritte den Prozessplan vervollständigen.

Die Erfindung ist nicht auf die oben im einzelnen beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Es können diverse Modifikationen vorgenommen werden. Ein

wesentliches Element ist jedoch die Datenverbindung 14 zwischen Fertigungsmodul 10 und der Koordinationseinrichtung 8 zum Übertragen von Parametern des

Eingangsproduktes, des Zwischenproduktes bzw. des Fertigungsmoduls an die Koordinationseinrichtung. Die Daten werden ebenso wie Script- und Service-Task- Routinen in der Routinen-Datenbank 7 abgespeichert. Auf diese und weitere

Datenbanken haben die Koordinationseinrichtung 8 und/oder die

Planungseinrichtung 6 über den Enterprise-Service-Bus Zugriff.

Bezugszeichen

1 Planungsebene

2 Koordinationsebene

3 Ausführungsebene

4 Ressourcenplanung ERP

5 Ausführungsroutinen MES

6 Planungseinrichtung mit Produktionsablauf in BPMN formuliert

7 Datenbank(en)

8 Koordinationseinrichtung

9 Benutzerschnittstelle

10 Fertigungsmodul

1 1 programmierbare Steuerung, PLC

12 Funktionen der programmierbaren Steuerung, PLC-Funktion

13 Bearbeitungskomponente

14 Datenverbindung zu Datenbanken auf höheren Ebenen

15 Ereignisklassen bzw. -bahnen

1 6 Ausgabe über Benutzerschnittstelle

17 Aktivitätsaufruf

18 Ereignisanzeige

19 Eintritt eines neuen Produkts in Fertigungsmodul

20 Identifizierung von Produkt

21 Zuweisung von Produkttyp und individueller Identifikation

22 Aufruf von Produkt-spezifischem Bearbeitungsprozess

23 Übergang auf Standardprozess bei Fehlermeldung

24 Fehlerausgabe über Benutzerschnittstelle

25 Übergabe an Bearbeitungskomponente

26 Abschluss der Bearbeitung, Übergabe von Zwischenprodukt an nächste Instanz

27 Planungsbeginn und Eintritt von Produkt in Fertigungsmodul

28 Absenden von Nachricht mit Identifizierung an Koordinationseinrichtung

29 Bearbeiten in Fertigungsmodullinie

30 Bearbeiten von Arbeitselement

31 Abschluss von Arbeitsabschnitt

32 Abspeichern von Bearbeitungshistorie in Datenbank Festlegen von nachfolgendem Fertigungsmodul

Aufruf von Bearbeitungsteilabschnitt

Mitteilung an Teilprozess in Koordinationseinrichtung

Aktivierung der Koordinationseinrichtung und PLC-Brücke

Eintritt von Produkt in Fertigungsmodul

Mitteilung an Teilprozess in Planungseinrichtung

Teilprozess in Koordinationseinrichtung für individuelles Produkt Bearbeiten in Fertigungsmodul

Bearbeiten von Arbeitselement

Abschluss von Arbeitsabschnitt

Abspeichern von Bearbeitungshistorie in Datenbank

Aufruf von PLC-Funktion

Einstellen von Parametern der PLC-Funktion

Starten der PLC-Funktion

Setzen eines Start-Flags zu PLC-Funktion

Abschluss von PLC-Funktion

Abschluss von Fertigungsmodulabschnitt

Bericht von Prozess-Status

Aktivierung von PLC-Routinen und Registrierung von PLC-Funktionen Einlesen von PLC-Funktionen und -Flags

Bearbeiten von PLC-Paramtern und -Flags

Evaluieren von PLC-Funktionsparametern

Ausführen von PLC-Funktion

PLC-Funktion abgeschlossen