Ausgangspunkt des Entwurfs der Steuerungsprozeßstruktur ist das Ergebnis der Basisanalyse. Jedem Basisprozeß wird eindeutig ein Steuerungsprozeß zugeordnet, der für dessen Ausführung verantwortlich ist. Damit erhalten wir folgende Steuerungsprozesse:
Zuordnung der Basisprozesse zu Steuerungsprozessen
| Basisprozeß | Steuerungsprozeß |
| Betriebsauftrag | gehört nicht zum FMS |
| Fertigungsauftrag | gehört nicht zum FMS (Organisation) |
| FMS-Auftrag | Systemkoordination (FMS-Koordination) |
| Palettenauftrag | Systemkoordination (Palettenauftragskoordination) |
| Spannzellenauftrag | Zellenkoordination für virtuelle Spannzelle (ein Steuerungsprozeß für alle Spannplätze einer Gruppe) |
| Bearbeitungszellenauftrag | Zellenkoordination für virtuelle Bearbeitungszelle (ein Steuerungsprozeß für jedes Bearbeitungszentrum) |
| Bereitstellungsoperation | VWP-Steuerung |
| Transportauftrag | Transportkoordination |
| Spannoperation | Steuerung durch Arbeiter (ein Steuerungsprozeß für jeden Spannplatz) |
| Einrichtoperation | Steuerung durch Einrichter (ein Steuerungsprozeß für jedes Bearbeitungszentrum) |
| Bearbeitungsoperation | CNC/DNC-Steuerung (ein Steuerungsprozeß für jedes Bearbeitungszentrum) |
| Transportoperation | Transportsteuerung |
| Lageroperation | nicht gesteuert |
Analog zu den Ebenen des Basisprozesses erhalten wir die Ebenen des Steuerungsprozesses.
Die unterste Ebene, die, die dem Basisprozeß am nächsten liegt,
ist die Ebene der Basissteuerungen. Darüber liegen die Ebenen der
Zellenkoordination, der System- und Bereichskoordination sowie der betrieblichen
Organisation. Für die Steuerungsprozesse des FMS ergibt sich damit
eine hierarchische Struktur, in der die unteren Ebenen des Factory Automation
Model erkennbar sind.
___________________
| |
| Organisation |
|___________________|
| ^
| |
V |
_________________________
| Systemkoordination |
_________________ | ___________________ | _________________
| | | | | | | |
| | | | FMS-Koordination | | | |
| |------>| |___________________| |------>| |
| Operative | | | ^ | | |
| Planung | | V | | | Dispatching |
| | | ___________________ | | |
| |<------| | Palettenauftrags- | |<------| |
| | | | koordination | | | |
|_________________| | |___________________| | |_________________|
| | | ^
|_________________________| | |
| ^ | |
V | V |
==============================================================================
| ^ | ^ | ^ | ^ | ^ | ^ | ^ | ^
V | V | V | V | V | V | V | V |
______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______
|v.Zst.| |v.Zst.| |v.Zst.| |v.Zst.| |v.Zst.| | Steu.| |v.Zst.| |v.Zst.|
|CBFK 1| |CBFK 2| |CBFK 3| |CBFK 4| | ES | | VWP | |SpPl A| |SpPl B|
|______| |______| |______| |______| |______| |______| |______| |______|
^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^
| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
| T B | T B | T B | T B | T B B B T B T
| | | | |
| | | | |
| | | | | T B
| | | | | | |
V V V V V V V
______ ______ ______ ______ ______ ________________ O
|C/DNC | |C/DNC | |C/DNC | |C/DNC | |C/DNC | | Transport- | -+-
|CBFK 1| |CBFK 2| |CBFK 3| |CBFK 4| | ES | | koordination | |
|______| |______| |______| |______| |______| |________________| / \
v.Zst. - virtuelle Zellensteuerung SP - Spannplatz
C/DNC - CNC/DNC-Steuerung ES - Entspanstation
lSt. - Lokale Steuerung T - Konnektor zur Transportkoordination
SpPl - Spannplatzgruppe B - Konnektor zur Bedienersteuerung
Steuerungsprozeßstruktur eines FMS
Die direkte Steuerung der Basisprozesse übernehmen die Basissteuerungen. Diese sind mit dem materiellen und energetischen Prozessen am engsten verbunden. Ihre Aufgabe besteht darin, über Rezeptoren Informationen aus der Basis zu erhalten und über Effektoren auf den Basisprozeßablauf einzuwirken.
Zu den Basissteuerungen im Flexiblen Fertigungssystem FMS gehören die CNC/DNC-Steuerungen, die Steuerung durch Bediener und die Steuerung der Transportprozesse.
Auf den ersten Blick scheint es, als müßten alle lokalen Basissteuerungen einer Koordinationssteuerung untergeordnet werden, da es im Basissystem keine Zellen oder andere physisch zusammengehörige Operatoren gibt, das FMS, als Ganzes gesehen, ausgenommen. Auch wenn Bearbeitungszentren als "Bearbeitungszellen" bezeichnet werden (WINKLER/KRAHNERT), soll damit nur ihre Flexibilität dargestellt werden. Eine Zelle in dem Sinn, daß sie aus mehreren zu koordinierenden Elementen besteht, ist hier nicht gegeben. Selbstverständlich kann die lokale Steuerung der Werkzeugmaschine eine Koordinationssteuerung für ihre Baugruppen sein, sie erscheint eine Steuerungsebene höher trotz aller Komplexität als Einheit.
Wodurch ergibt sich also die Möglichkeit, Zellensteuerungen zu konzipieren? Diese Möglichkeit ergibt sich aus der Analyse des Basisprozesses. Dort haben wir deutlich gesehen, daß Bearbeitungs-, Einrichte- und Transportoperationen logisch zusammengehören. Bearbeitungszentrum, Bediener und Transportsystem haben wir zu einer Zelle vereinigt, der eine einheitliche Steuerung zugeordnet werden kann. Bediener und Transportsystem werden damit von mehreren Zellen genutzte Systemressourcen. Die Koordinierbarkeit des Gesamtsystems wird dadurch aber nicht herabgesetzt, da die Transport- und Einrichtezeiten im Vergleich zu den Bearbeitungszeiten gering sind.
Nebenbetrachtung
Könnten wir es uns erlauben, bei größeren Transport-
und Einrichtezeiten das Konzept der virtuellen Zellen anzuwenden?
Größere Transport- und Einrichtezeiten oder weniger Transport- und Einrichteoperatoren (abgesehen davon, daß es in unserem Falle nur einen Transportoperator gibt) führen auf jeden Fall zu einem Engpaß im System. Damit wird die Koordinierbarkeit wesentlich erschwert. Kann man dem Übel damit abhelfen, die Transportkoordination auf der Ebene der System- oder Bereichskoordination zu hantieren? Dies führt dazu, die Koordination der Transportprozesse als Grundlage der Systemkoordination zu betrachten. Damit (und das folgt aus der Basisprozeßanalyse) hat die Systemkoordination eine solche Menge von Operationen zu verwalten, daß jede weitere Entflechtung der Steuerungsprozesse unmöglich ist. Die Systemkoordination erhält eine ungleich höhere Dimension, allein die Anzahl der logischen Ein- und Ausgänge erhöht sich circa um das 5-fache und die Anzahl der Systemzustände um das 25-fache.
Es mag möglich sein, einen derartigen Zustandsraum zu beherrschen, bis jetzt ist aber noch keine Entwurfsstrategie von Erfolg gekrönt worden, die die Koordination der Systemtransporte zur Grundlage der Systemkoordination machte.
Es gibt nur einen Ausweg: Transport- und andere geteilt genutzte Basisoperatoren (und hier gehört auch der Bediener dazu) dürfen in einem Flexiblen Fertigungssystem keinesfalls zu Engpaßressourcen werden. Wie FENSCH/HIERSEMANN durch Simulation mittels POSES zeigen, kann eine optimale Auslastung eines Flexiblen Fertigungssystems von 80 bis 90 Prozent nur dann erreicht werden, wenn der Transportoperator maximal zu 50 bis 60 Prozent ausgelastet ist. Eine höhere Auslastung des Transportoperators ist auf jeden Fall ein Indiz für einen Engpaß, eine optimale Maschinenauslastung kann damit nicht gewährleistet werden.
Dieses Problem kann also nicht von der Steuerung des Systems gelöst werden, unabhängig von der Entwurfsstrategie für die Steuerungssoftware, es muß schon bei der Konzeption des gesamten Systems berücksichtigt werden.
In (BLOOME et.al.) werden sogenannte "virtual job cells" (VJC) eingeführt. Dies sind informationelle Abbilder der auszuführenden Operationen, die einem Arbeitsplan zugeordnet sind. Eine solche VJC steuert die Abarbeitung eines Auftrags von seinem Einschleusen bis zu seiner Beendigung und übernimmt im Verlauf der Abarbeitung des technologischen Arbeitsplanes nach einander die Steuerung jedes augenblicklich benötigten Operators. Was spricht gegen die Hantierung dieses Konzepts?
Zuvorderst muß erwähnt werden, daß dieses Konzept, wie auch die CAMARS-Technologie auf der Analyse des Basisprozesses aufbaut. Hier werden jedoch zu wenig die ausführenden Operatoren berücksichtigt. Damit kann zwar eine auftragsorientierte Steuerung realisiert werden, doch diese kann nicht die Besonderheiten des gegebenen Basissystems berücksichtigen. Eine solche Herangehensweise ist dann möglich, wenn stets genug Operatoren für die Ausführung aller Arbeitsgänge zur Verfügung stehen. Eine geplante Maschinenauslastung von 80 bis 90 Prozent für jedes Bearbeitungszentrum setzt aber voraus, diese Maschinen als Engpaßoperatoren zu betrachten. Es zeigt sich hier, daß auch die "Nur-Prozeß-Betrachtung" nicht zu einem Erfolg führt.
Im FMS gibt es verschiedene Arten virtueller Zellen. In den meisten virtuellen Zellen steht für die eigentliche Bearbeitungsoperation ein einziger Operator zur Verfügung. Es gibt aber auch Zellen, in denen die Bearbeitung auf einem von mehreren vorhandenen Operatoren ausgeführt werden kann.
Die Steuerung des VWP-Operators hat die Ausführung der Werkzeugsatzbereitstellungsoperationen zu sichern. Die Anweisung dieser Operationen erfolgt durch die Systemkoordination. Die Steuerung des VWP-Operators ist in der Lage, mehrere Operationen gleichzeitig auszuführen.
Die Systemkoordination stellt das Herzstück der Steuerung des FMS dar. Sie empfängt die FMS-Aufträge und bildet aus ihnen Palettenaufträge (FMS-Koordination) und aus diesen die Aufträge an die virtuellen Zellen und den VWP-Operator (Palettenauftragskoordination). Die Systemkoordination hat zu entscheiden, welche Teile zu einem Palettenauftrag zusammengefaßt werden und welche Palette dafür zu nutzen ist. Weiterhin entscheidet sie, an welchem konkreten Bearbeitungszentrum ein Arbeitsgang eines Palettenauftrags auszuführen ist. Die Systemkoordination kann mehrere FMS-Aufträge gleichzeitig bearbeiten.
Die Organisation der Produktion eines Betriebes wird in der Regel von einer bestimmten Abteilung durchgeführt (mittelfristige Planung). Diese steuert den Produktionsprozeß des gesamten Betriebes. Sie stellt damit die der Systemkoordination übergeordnete Steuerung dar. Die Anweisungen an die Steuerung des FMS erfolgen einmal wöchentlich; ebenso die Rückmeldungen.
Planungs- und Dispatchingprozesse können prinzipiell jedem Steuerungsprozeß zugeordnet werden. Sie sind jedoch nicht überall notwendig.
Planungsprozesse werden im allgemeinen für Steuerungsprozesse benötigt, die komplexe Entscheidungen zu treffen haben. Das sind in der Regel die Prozesse, die mehrere Aufträge gleichzeitig zu hantieren haben und die, die bestimmte Systemressourcen verwalten müssen. Im FMS benötigt die Systemkoordination einen Planungsprozeß. Denkbar ist auch ein lokaler Planungsprozeß für die Steuerung des VWP-Operators und für die Transportkoordination.
Dispatchingprozesse müssen den Steuerungsprozessen zugeordnet werden, für die Beobachtungs- und/oder Eingriffsmöglichkeiten für den Menschen vorgesehen sind. Dazu gehören vor allem die Prozesse, die weittragende Entscheidungen zu fällen haben. Hier muß der Mensch stets Einfluß auf die getroffene Entscheidung haben können. Aber auch Prozesse, die weniger Entscheidungsspielraum besitzen, benötigen häufig einen Dispatchingprozeß. Dieser hat dann hauptsächlich die Aufgabe, die Beseitigung von Fehlern im Ablauf des Basisprozesses zu unterstützen.
Ein wesentlicher Aspekt für die Gestaltung von Dispatchingprozessen ist die Akzeptanz durch den Arbeiter, der später damit umzugehen hat (s.a. KÖHLER/SLADEK und REISER). Von betrieblicher Seite wurde diese Forderung durch den Satz beschrieben: "Alles, was der Arbeiter am FMS ohne Steuerung machen könnte, muß auch mit Steuerung realisierbar sein." So wurde z.B. gefordert, daß jede Entscheidung, insbesondere jede Anweisung an untergeordnete Steuerungsprozesse, vor ihrem Absenden durch den Dispatcher bestätigt werden müsse. Diese Regelung erscheint etwas fragwürdig, da auch hier mit der Zeit die Akzeptanz nachlassen würde, wenn der Dispatcher die ganze Zeit nur mit dem Bestätigen von Anweisungen beschäftigt ist. Günstiger ist es, verschiedene Dispatching-Niveaus einzuführen, die der Dispatcher selbst einstellen kann. Er kann damit selbst entscheiden, ob er alles oder nichts oder nur eine Teilmenge der Anweisungen bestätigen möchte.
Im FMS stellt das Dispatching einen eigenständigen Prozeß dar, der von jedem Steuerungsprozeß genutzt werden kann. Damit ist jedem Steuerungsprozeß logisch ein eigener Dispatchingprozeß zugeordnet.
Die Hardware-Struktur eines Flexiblen Fertigungssystems hängt in der Regel nur von der verfügbaren Technik ab, da sie von vielen Herstellern zusammen mit den Maschinen und Ausrüstungen mitgeliefert wird. Es besteht hier die Aufgabe, die Steuerungsprozesse so in diese Struktur einzubetten, daß alle notwendigen Kommunikationsprozesse realisiert werden können. Für die Steuerung des FMS 2200 z.B. entspricht sie in etwa der Struktur, die in HIERSEMANN für das FMS 1000 angegeben wird. Für die lokalen Steuerungen der Bearbeitungszentren werden numerische Steuerungen vom Typ CNC 600 eingesetzt. Die Steuerung des Transportroboters übernimmt eine PC 600. Die Koordination des Transportsystems wird ebenso wie die Steuerung des VWP-Operators auf je einem Bürocomputer BC A 5130 implementiert. Für die Prozesse der operativen Planung steht ein K 1630 zur Verfügung. Alle anderen Prozesse der Steuerung des FMS 2200, also DNC-Steuerung, Steuerung der virtuellen Zellen, Systemkoordination und Dispatching müssen auf einem weiteren K 1630 implementiert werden. Die Kommunikation der Einheiten des Hardware-Systems wird durch Punkt-zu-Punkt-Kopplung via BAC-Prozedur (BAC - Binary Asynchronous Communication - asynchrone Konkurrenzprozedur) realisiert.
_____________________
| |
| K 1630 |
|_____________________|
^ *
|
V
_____________________
| |
| K 1630 | * = BAC-Prozedur
|_____________________|
| MUX |
|_____________________|
^ ^ ^ ^ ^ ^
_________ | | | | | | * ___________
| CNC 600 |<----+ | | | | +---->| BC A 5130 |
|_________| | | | | |___________| _________
| | | | | Monitor |
_________ | | | | * ___________ |_________|
| CNC 600 |<------+ | | +------>| BC A 5130 |--^
|_________| | | |___________| _________
| | | | | | * | PC 600 |
_________ | | | | | +--->|_________|
| CNC 600 |<--------+ | | | |
|_________| | +----------+ | +----------+
| V V V
_________ | _________ _________ _________
| CNC 600 |<----------+ |BDT 8901 | |BDT 8901 | |BDT 8901 |
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Steuerungssystemstruktur des FMS 2200 (Hardware)
(unter Nutzung von HIERSEMANN und PETERMANN et.al.)
Auf dem zweiten K 1630 ist eine hohe Konzentration von Aufgaben vorhanden. Dies birgt die Gefahr in sich, daß das Fertigungssystem bei einem Rechnerausfall nicht mehr gesteuert werden kann. Wiederanlaufprozesse können zwar den Restart des Systems nach Beseitigung der Störung des Rechners erleichtern, dennoch existiert eine große Zeitspanne, in der das FMS nicht koordiniert wird.
Eine bessere Hardware-Struktur zeigt das FMS 2500. Hier werden zehn Personalcomputer EC 1834 für die Steuerung eingesetzt. Das ermöglicht eine weniger zentralisierte Aufgabenverteilung und damit ein geringeres Ausfallrisiko für das Gesamtsystem. Außerdem kann bei Ausfall schnell ein anderer Rechner des gleichen Typs die Aufgaben des ausgefallenen Computers übernehmen. Auch hier sind Wiederanlaufprozesse notwendig, diese stellen sich aber nicht so kompliziert wie im FMS 2200 dar.
______ ______
| EC | | EC |
| 1834 | | 1834 |
|______| |______|
| ^ | ^
LAN (EC-Net) V | V |
==============================================================================
| ^ | ^ | ^ | ^ | ^ | ^ | ^ | ^
V | V | V | V | V | V | V | V |
______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______
| EC | | EC | | EC | | EC | | EC | | EC | | EC | | EC |
| 1834 | | 1834 | | 1834 | | 1834 | | 1834 | | 1834 | | 1834 | | 1834 |
|______| |______| |______| |______| |______| |______| |______| |______|
^ ^ ^ ^ ^ ^
| | | | | |
V V V V V V
______ ______ ______ ______ ______ ______
| CNC | | CNC | | CNC | | CNC | | IRS | | PC |
| 600 | | 600 | | 600 | | 600 | | 713 | | 600 |
|______| |______| |______| |______| |______| |______|
Steuerungssystemstruktur des FMS 2500 (Hardware)
Im FMS 2200 werden nur auf einem Rechner K 1630 mehrere Steuerungsprozesse abgearbeitet. Dieser Rechner verfügt über das multitask- und multiuserfähige Betriebssystem MOOS 1600. Infolgedessen stellt die Software-Struktur für diesen Rechner eine Taskstruktur dar.
____________________________________________________________ | | | Zentralsteuerung (ZST) | |____________________________________________________________| ^ ^ ^ ^ ^ ^ | | | | | | V V V V V V _____ _____ _____ _____ _____ _____ | | | | | | | | | | | | | AST | | PST | | WCH | | WCM | | DNC | | SVC | |_____| |_____| |_____| |_____| |_____| |_____| | | | | | | | | | | | | | | | | | Dispatching | | | | | | | | | +---- DNC-Prozesse | | | | | | | +-- Zellen mit Bearb.-zentren | | | | | +--------------- Zellen mit Spannplätzen | | | +--------------------- Palettenauftragskoordination | +------------------------------------ FMS-Auftragskoordination (Taskbezeichnungen vom Betrieb festgelegt) Steuerungssystemstruktur des FMS 2200 (Software)
Die Abarbeitung der Tasks wird durch die Zentralsteuerung gestartet. Da jede Art der Kommunikation zwischen den Prozessen über die Zentralsteuerung abgewickelt werden muß (Festlegung für die Implementation), realisiert diese die ordnungsgemäße Abarbeitung der Prozeßstruktur. Der Zentralsteuerung ist damit kein logischer Prozeß zugeordnet. Den anderen Steuerungsprozessen ist jeweils eine Task zugeordnet, die aufgrund der eingegangenen Meldung den aktuell auszuführenden Prozeß identifizieren kann. Damit kann die Task DNC beispielsweise sowohl den DNC-Prozeß für die CBFK1 als auch den für die anderen Bearbeitungszentren ausführen, die Zuordnung von Steuerungsprozessen zu Steuerungstasks muß also nicht eineindeutig sein.
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Original © 1990 by Dresden University
of Technology; Dept. of Information Science; Applied Computer Science