Werkstücke fit für Industrie 4.0 machen Industrie-4.0-fähig durch Software-Agenten

Eine Modell-Fertigungslinie mit dem »iAgent«-Framework
Eine Modell-Fertigungslinie mit dem »iAgent«-Framework

Produktion nach den Kriterien von Industrie 4.0 beruht auf intelligenten Werkstücken, die der Maschine mitteilen, wie sie bearbeitet werden sollen. Manche Werkstücke lassen sich aber als solche nur schwer oder überhaupt nicht mit Intelligenz ausstatten. Möglich machen dies jetzt verteilte Software-Agenten, die die Werkstücke in der Produktionslinie repräsentieren.

Die Grundidee von Industrie 4.0 ist ein Paradigmenwechsel in der Fertigung, weg von der zentralen Steuerung der Fertigung und hin zur dezentralen »Intelligenz«. Aus der Fertigungs- und Wertschöpfungskette wird ein Fertigungs- und Wertschöpfungsnetz. Hierzu gehört auch das sogenannte intelligente Werkstück, das Kenntnis über sich selbst hat und weiß, was aus ihm werden soll und wie es bearbeitet werden kann. Dadurch soll die Fertigung flexibler und auf Umwegen möglich werden.

Die Realisierung von Industrie 4.0 ist eng verknüpft mit dem Begriff Cyber-Physical System (CPS). CPS bestehen aus einer Menge intelligenter Komponenten, nämlich eingebetteten Systemen wie Industriesteuerungen, Sensoren und Aktoren, sowie aus einer Kommunikations-Infrastruktur wie Feldbus, Intranet oder Internet. Dort treten die intelligenten Komponenten als eigenständige Kommunikationsteilnehmer auf. So ergibt sich das »Internet der Dinge« - ein dritter häufig genannter Begriff im Umfeld von Industrie 4.0. Der Mensch wird ein Bestandteil des Kommunikationsnetzes, gemeinsam mit Dingen, die rechnen und kommunizieren können.

Hier ergibt sich jedoch eine Lücke im Konzept. Das intelligente Werkstück kann nur dann intelligent sein, wenn es als intelligente Komponente im CPS auftritt. Für die wenigsten Werkstücke wird das aber zutreffen. Eine Seifenflasche kann nicht rechnen. Sie mit Rechenleistung auszustatten, wäre unverhältnismäßig.

Mit »iAgent« löst die infoteam Software AG dieses Problem. Mit Hilfe eines dezentralen Multiagentensystems (MAS) werden nicht-intelligente ebenso wie intelligente Komponenten im CPS repräsentiert. Damit erlangen auch die »dummen« Werkstücke Intelligenz, und zwar durch die Intelligenz der Software-Agenten, ihrer Repräsentanten aus dem Agentensystem.

MAS sind eine seit etwa 15 Jahren bewährte Programmiermethodik der künstlichen Intelligenz. Software-Agenten haben Ziele, die sie verfolgen können, und die Fähigkeit zur Introspektion. Sie können Aussagen über ihren eigenen Zustand machen sowie mit anderen Agenten kommunizieren und kooperieren. Die Verbindung mit dem von ihnen repräsentierten Gegenstück in der physischen Realität erfolgt über eindeutige Kennzeichnungen (RFID, QR-Code, Barcode o.a.).

Der Mensch ist als aktiver Teilnehmer in das CPS mit eingebunden, etwa durch webgestützte Informationssysteme für mobile Endgeräte, die per QR-Code-Scanner aktuelle Statusinformationen erhalten und Prozessparameter setzen können.

»iAgent« macht das Werkstück intelligent

Die Vernetzung der Fertigungsanlagen ermöglicht es jetzt, die ganze Fertigung als ein einziges intelligentes System aufzubauen. Das von infoteam Software hierzu verwendete MAS bindet jedes Element der Fertigung als intelligentes und zielgerichtet handelndes Objekt (cyber-physical object) ein. Dabei ist es egal, ob es sich um ein Werkstück, eine Fertigungslinie oder beliebige Sensoren handelt. Auch SPS-Steuerungen lassen sich als Objekte und somit Agenten betrachten.

Dieses Cyber-System aus Software-Agenten kann neben der Fertigungssteuerung weitere Aufgaben wie Logistik und Produktlebenslauf übernehmen. Hier bietet das Agentensystem eine anpassbare Lösung für jeden Bereich.

Jeder einzelne Agent wird durch seinen Zustand definiert. Der Zustand beschreibt in diesem Zusammenhang seinen internen Status (Wer bin ich, Wo bin ich, Was ist bereits mit mir passiert) und seine Ziele (Wo will ich hin, Was soll mit mir passieren). Um selbstständig seine Ziele zu erreichen und den besten Weg dorthin zu bestimmen, kommuniziert der Agent mit anderen Agenten. Häufig gibt es mehrere Möglichkeiten, die Ziele zu erreichen. Der Agent kann daher mit verschiedenen Gewichtungsmöglichkeiten oder Optimierungsmethoden arbeiten, um für den aktuellen Zustand die geeignete zu finden. Dies kann zum Beispiel die schnellste Zielerreichung sein, die kostengünstigste oder die mit den geringsten Rüstzeiten. Je nach System kann dies auch dazu führen, dass die Zielfindung sehr aufwändig wird. Weil alle Agenten über ein Netzwerk miteinander kommunizieren müssen, ermöglicht das Agentensystem eine dezentrale IT-Struktur, die unabhängig ist von anderen Einflüssen oder Ausfällen und gleichermaßen unabhängig von der Intelligenz einer einzelnen Steuerung.

Die Kombination aus Objekt, Zustand und Kommunikation sorgt für die Intelligenz der cyber-physischen Objekte. Um diese Intelligenz auf das Werkstück oder die Fertigungsanalage zu übertragen, gibt es mehrere Standardwege: Tagging, Datenhaltung auf dem Element oder Intelligenz auf dem Element.

Tagging ist die einfachste Methode und erfordert nur eine Identifizierung des Werkstücks innerhalb der Anlage, etwa durch RFID-Tags, die von Lesegeräten ausgelesen werden. Bei dieser Lösung liegen der gesamte Zustand und die Intelligenz im zugeordneten Agenten. Das Agentensystem wird vom Leser über das aktuelle Werkstück und dessen Standort informiert. Der interne Zustand des Agenten wird aktualisiert und kann eine weitere Kommunikation mit der Umwelt des Agenten auslösen. Neben der zur Zielfindung nötigen Kommunikation können auch andere Aktionen innerhalb des Gesamtsystems ausgelöst werden, etwa eine Nachbestellung erforderlicher Zusatzteile oder Informationen über anstehende Wartungszyklen.

Nimmt man die Datenhaltung mit auf das Werkstück, etwa durch beschreibbare RFID-Tags oder Flash-Speichermedien, lässt sich der repräsentierende Agent an jeder Meldestation von selbst instanziieren, d.h. es sind keine weiteren Daten vonnöten. Er befindet sich dann automatisch wieder im Gesamtsystem und kann durch die Kommunikation mit anderen Agenten sofort seine Aufgaben weiter verfolgen. Weil geänderte Zustände des Agenten auch sofort wieder auf dem Speichermedium abgelegt werden, hat dies einen ganz entscheidenden Vorteil: Es ist keine zentrale Sicherung des Systems notwendig.

Darüber hinaus könnte man das Werkstück oder die Linie auch direkt mit eigenen Prozessoren und Speichern ausstatten. Voraussetzung dafür ist ein entsprechender technischer Aufbau der einzelnen Werkstücke.

Sollten sich in der Fertigung neue Anforderungen ergeben, etwa Änderungen von Prozessen oder bei Werkstücken, muss nicht mehr die bestehende IT-Struktur, sondern nur der einzelne Agent geändert oder neu konfiguriert werden. Ganz neue Werkstückarten oder Linienelemente müssen lediglich als Agent implementiert werden, lassen sich aber ohne Änderungen in bestehender Struktur ins Agentensystem einfügen. Das ist problemorientiert, abstrakt und weniger aufwändig.