PSI-Lösungsarchitektur für Produktionsprozesse der Zukunft

Auf dem Weg zur Smart Factory

Aus den grundsätzlichen Ideen der Smart Factory lassen sich Anforderungen an Softwaresysteme ableiten. Diese werden auf in der Industrie breit genutzten Technology-Stacks basieren, damit die Zukunftsfähigkeit der Lösungen sichergestellt wird. Mit der auf Java basierenden Lösungsarchitektur bietet die PSI AG eine leistungsfähige Plattform, die durch eine moderne Benutzeroberfläche sowie zahlreiche Produktivitätsverbesserungen dem Kunden die passende technologische Basis für zukünftige Produktionsprozesse zur Verfügung stellt.

Die Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 der Forschungsunion machen deutlich, dass es sich dabei nicht zuletzt auch um ein Integrationsprojekt der gesamten Industrie handelt.

Kernelement ist die aus Cyber-Physischen Systemen (CPS) bestehende Smart Factory. Die Smart Factory ist somit ein Cyber-Physisches Produktionssystem (CPPS). Die Smart Factory integriert sich in die gesamte und flexibel gestaltbare Infrastruktur und besitzt Schnittstellen zu Smart Mobility, Smart Logistics, Smart Grids und Smart Services. Die Produktionssysteme werden wandelbar sein und adaptive Logistikkonzepte nutzen. Die Produktion der Zukunft ist wirtschaftlich, urban, „menschlich“ und ressourcenschonend.

Die Technologie hinter der PSI-Software: Die auf Java-basierende PSI-Plattform

Branchenlösung

Erweiterung der Standardsoftware um branchen- und kundenspezifische Funktionen und Algorithmen. Dazu zählen z. B. Schnittstellen zu bestehender Unternehmenssoftware oder projektspezifische Kopplungen an den Maschinenpark durch SCADA-Systeme.

Applikation

Anwendungsschicht, die betriebliche Standardfunktionen zur Verfügung stellt und den Charakter einer Standardsoftware hat. Angebotene Funktionsbereiche sind z. B. Optimierungsrechnungen, Produktionssteuerung oder Logistik.

Framework

Grundlegende Schnittstellen und Werkzeuge, die von Anwendungen genutzt werden und vollständig in Java implementiert sind. Damit werden die Voraussetzungen für skalierbare, zuverlässige und sichere Softwarelösungen geschaffen.

Infrastruktur

Kernelemente, die alle für den Betrieb einer Anwendungssoftware notwendigen Komponenten und Dienste bereitstellen. Kernelemente sind das Betriebssystem (Client und Server), Datenbanken und Netzwerke.

Weitere Informationen:
Die Technologie hinter der PSI-Software: PSI-Plattform

Menschzentrierte Anwendungen und Interaktionskonzepte

Die neuen Anforderungen im Kontext von Industrie 4.0 erfordern neuartige Assistenzsysteme und multimodale Benutzerschnittstellen mit dem Produktionsprozess, den Maschinen und Anlagen sowie den beteiligten Softwaresystemen. Die Smart Factory erfordert somit menschzentrierte Anwendungen und Interaktionskonzepte. Der Informationsbedarf orientiert sich an der Rolle des Menschen im Prozess, seiner Aufgabenstellung, den genutzten Hilfsmitteln, den verfügbaren Informationsquellen und der gesamten Organisation der Fabrik der Zukunft.

Der Informationsbedarf der Mitarbeiter hängt von vielfältigen Einflussfaktoren ab. Dazu werden rollenbasierte Anwendungskonzepte in Verbindung mit zugeschnittenen und flexibel gestaltbaren Interaktionsschnittstellen benötigt. Hinzu kommt eine zunehmende Mobilisierung der Arbeit. Mobile Anwendungsszenarien in Verbindung mit location-basedservices unterstützen die Anwender bei der Erfüllung der Aufgabenstellungen in der Smart Factory.

Safety & Security

Die hochgradige Vernetzung der Maschinen und Anlagen und die sie steuernden Softwaresysteme erfordert sichere und stabile Kommunikationskanäle (Safety und Security), die auf Standards basieren. Die Nutzung des Internets der Dinge und der Services verlangt sichere Verbindungen und eine verlässliche Authentifizierung von Bedienern, Maschinen und Softwaresystemen untereinander.

Horizontale und vertikale Integration

Die vertikale Integration der beteiligten Systeme vom Engineering bis in die Automatisierungstechnik erfordert standardisierte Interfaces und Technologien für die Vernetzung. Die flexible Gestaltung der Schnittstellen benötigt einfache und stabile Werkzeuge für die effiziente Vernetzung aller Komponenten. Damit wird die Kopplung der hochauflösenden Produktionsregelungssysteme bis zur Maschinensteuerung erst möglich.

Die horizontale Integration innerhalb von Wertschöpfungsnetzen bedarf offener und stabiler Schnittstellen zwischen den Partnern des übergeordneten Produktionssystems.

Die derartigen Softwaresystemen zugrunde liegende technologische Basis verfügt über die für die Umsetzung der Konzepte Industrie 4.0 notwendigen Eigenschaften wie Echtzeitfähigkeit, ausgereifte Safety & Security der Kommunikation und der Software, flexible Gestaltungsmöglichkeiten der Interaktion mit dem Prozess und der Software, Unterstützung kontext-adaptiver Arbeitsweisen oder automatisierte Workflows und Benachrichtigungsmechanismen.

Auf dem Weg zur Smart Factory

Die PSI-Plattform basiert zu 100% auf Java™. In erster Linie sichert dies eine Unterstützung verschiedener Systemplattformen (Windows, Linux, HP/UX, AIX, u. a.) und eine integrierte Behandlung der Internationalisierung. Im Rahmen der Anforderungen von Industrie 4.0 treten jedoch weitere Aspekte in den Vordergrund.

Die besonderen modularen Fähigkeiten von Java™ und eines OSGi-basierten Kernsystems erlauben die dynamische Zusammenstellung generischer Module zur Laufzeit. Hierdurch lassen sich bedarfsorientiert Systeme zusammenstellen, die adaptiv eine selbstorganisierende Logistik realisieren. Die durch Industrie 4.0 angestrebte Co-Modellierung der realen und virtuellen Produktion bezieht somit die Softwaremodule als integrale Systembestandteile ein.

Mehrschichtigkeit

Die PSI-Plattform unterstützt mehrschichtige Client-/Server-Architekturen. Die wesentliche Motivation hierfür ist eine Trennung der Geschäftsprozesse und Produktionsstrukturen von den Aspekten der Präsentationslogik. Die für die Interaktion mit einem Cyber Physical Production System geforderte multimodale Interaktion ist ohne die Trennung dieser Schichten kaum vorstellbar.

Eine Trennung alleine reicht aber nicht aus. Die verschiedenen Modi der Interaktion müssen speziell adressiert werden. Hier kommen neben den herkömmlichen Bedienoberflächen auch Technologien wie „Multi Touch“ und „Motion Detection“ ins Spiel, die auf der PSI-Plattform durch eigenständige Module repräsentiert sind.

GUI – Grafische Benutzeroberfläche

Die Bedienoberfläche der PSI-Plattform (GUI) erlaubt die individuelle Anpassung der Interaktionsschnittstelle.

Neben rollenbasierten Ausprägungen kann der Benutzer personalisierte Sichten auf die Datenwelten editieren und in Profilen abspeichern. Dies betrifft nicht nur die relationalen Daten und umfangreichen Funktionen wie die Darstellung in Tabellen (Sortierung, Filterung, Gruppierung), sondern auch viele grafische Gestaltungsmöglichkeiten (schematische 2D-Diagramme sowie realistische 3D-Visualisierung), mit denen es einfach möglich ist, den Aufgabenkontext des Beschäftigten für proaktive Assistenzfunktionen zu nutzen.

Beispielsweise können lokationsbasierte Sichten die unmittelbare physikalische Umgebung repräsentieren und somit Techniken der erweiterten Realität (augmented reality) in die Benutzerschnittstelle integrieren.

Rollenbasierte Autorisierung

Die Unterstützung kontext-adaptiver Arbeitsweisen bedingt systemtechnisch die Anwendung rollenbasierter Autorisierung, welchem die PSI-Plattform in einer durchgängigen Art und Weise entgegenkommt. Nicht nur die Elemente der Bedienoberfläche, sondern auch die zugrunde liegenden Servicestrukturen auf anderen Systemebenen werden hierzu vollständig durch das Modul „AUTH“ kontrolliert.

Dem Schutz kritischer Infrastrukturen wird ebenfalls Sorge getragen. In Ergänzung hierzu unterstützt die PSI-Plattform durch das Modul CPCT („Code Protection“) verschiedene Mechanismen, um den Schutz des digitalen Prozess-Knowhows und die Absicherung gegen Manipulation und Sabotagen zu gewährleisten.

Standardisierung

Eine besondere Bedeutung bei der PSIPlattform haben modellbasierte Vorgehensweisen. Dabei ist die Struktur der angewendeten Modelle nicht durch die Plattform vorgegeben, sondern kann an die Belange der Anwendung angepasst werden. Verschiedene Modellierungsaspekte im Rahmen von Industrie 4.0 sind noch nicht übergreifend standardisiert.

Mit der fortschreitenden Standardisierung der Referenzarchitektur können die auf der Meta- Modellierung basierenden Strukturen entsprechend einer gegebenen Architektur jederzeit angepasst werden.

Bereits jetzt unterstützt die PSI-Plattform automatisierungstechnische Modellierungen wie Fabrikmodelle im Rahmen vorgedachter produktspezifischer Domänenmodelle. Es kann mit dem Modul Workflow, gesteuert durch Prozessmodelle, die programmtechnische Ablauflogik durch zur Laufzeit anpassbare Strukturen besser beherrschbar machen.

Ein weiterer Aspekt ist die Fähigkeit von Softwaresystemen, Wertschöpfungsnetzwerke zu überwachen und zu steuern. Dazu gehört nicht zuletzt auch die Integration von Aktor- und Sensorsignalen. Hier hilft das Modul PSIintegration, derartige Signale in Echtzeit zu übermitteln.

Auch Systemschnittstellen über alle Ebenen und Firmengrenzen hinweg können durch stabilen asynchronen Datenaustausch implementiert werden. Die digitale vertikale und horizontale Durchgängigkeit der Daten- und Informationsflüsse ermöglicht die transparente Kontrolle über das gesamte Produktionsnetzwerk.

Just-in-Sequence: Lieferung direkt ans Fließband

Bildschirmtabellen
Reihenfolgeoptimierung für einen ausgewogenen Produktionsfluss

PSIjis unterstützt eine hoch automatisierte, reihenfolgeoptimierte und -synchrone Produktion und Lieferung vom Lieferanten bis zum Automobilbauer. Das heißt, verschiedene Varianten des gleichen Teils oder eines vorkonfigurierten Moduls werden nach dem Pull-Prinzip zur richtigen Zeit in der richtigen Sequenz und Position an die Montagelinie des Automobilbauers geliefert. Dabei werden in der Regel drei Abrufe, so genannte JIS-CALLS, n Tage, n Stunden und n Minuten vor Beginn der Montage vom OEM an den Lieferanten generiert, um so auf kurzfristige Konfigurationswünsche durch den Kunden zu reagieren.

PSIjis ist eine eigenständige Software- Komponente, die jederzeit in eine bestehende Softwareinfrastruktur eingebunden werden kann und über Schnittstellen zu ERP-Systemen verfügt.

Qualicision®: multikriterielle Optimierung von Produktionsabläufen

QFDD – Datenmodellierung von multikriteriellen Decision Support Lösungen

Qualicision® wird als Optimierungs und Decision-Support-Technologie in der Optimierung von Produktionsabläufen, im Energiesektor, in logistischen Anwendungen und im Bereich Transport in vielen unterschiedlichen Branchen eingesetzt. F/L/S hat ein auf der PSI-GUI-Technologie basiertes Release der Qualicision ® Functional Decision Design Engine (QFDD) entwickelt. Die Datenmodellierung von multikriteriellen Decision Support Lösungen erfolgt mit QFDD. Sämtliche Elemente der Qualicision®- Datenmodellierung, wie z. B. Zielkriterien, Zielfunktionen, Wirkungsmatrizen, Beziehungsmatrizen und die entsprechenden Editoren, sind mit PSI-GUI-Technologie benutzerfreundlich konfigurierbar.

Branchenspezifik am Beispiel Metallindustrie

PSImetals: Dimensionierende Fertigung in der Metallerzeugung

Die mehrschichtige Client-/Server-Architektur der PSI-Technologieplattform trennt die Geschäftsprozesse von der Präsentationslogik. Branchenspezifische Prozesse wie die dimensionierende Fertigung in der Metallerzeugung können so in Softwareprodukten wie PSImetals abgebildet werden. Gleichzeitig kann die Bedienerführung rollenbasiert entlang der individuellen Arbeitsprozesse des Anwenders konfiguriert werden. So verwendet PSImetals die Standardapplikationen der PSI-Plattform und ergänzt diese um branchenspezifische Module unter Nutzung des eigens für die Metallindustrie modellierten Fabrikmodells.

Ansprechpartner

Dr. Michael Bartmann
Konzernzentralstellenleiter Entwicklung
PSI AG, Berlin
mbartmann@psi.de

Zeitschrift für Logistik und Produktion

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