Cloud Mall BW - Transferdokumentation "Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion"
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Cloud Mall BW – Transferdokumentation „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ 1
Cloud Mall Baden-Württemberg
TRANSFERDOKUMENTATION FÜR DEN PRAXISPILOTEN
„CLOUD-BASIERTES SCHEDULING FÜR DIE PRODUKTION“
Feingranulare Produktionsplanung auf Basis der föderativen Research Plattform
Virtual Fort Knox (VFK)
Öffentliche Version vom 27. Juni 2021
Beteiligte Partner
Muckenhirn Automation GmbH
trustsec IT solutions GmbH
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Autoren
Dr. Ralf Muckenhirn (Muckenhirn Automation GmbH)
Dirk Heckmann (trustsec IT solutions GmbH)
Daniel Schel (Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA)
Olga Meyer (Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA)
Lizenz
Das Werk „TRANSFERDOKUMENTATION FÜR DEN PRAXISPILOTEN „CLOUD-BASIERTES
SCHEDULING FÜR DIE PRODUKTION“ steht unter der Lizenz Creative Commons Na-
mensnennung – Nicht-kommerziell – Keine Bearbeitung 4.0 (CC BY-NC-ND 4.0).
Details zur Lizenz: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/.
Cover-Foto
© ELEVATE / pexels.com
Cloud Mall BW – Transferdokumentation „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ 2
Inhalt
1 Management Summary ................................................................................................................... 4
2 Einführung ....................................................................................................................................... 5
2.1 Ausgangssituation und Motivation ......................................................................................... 5
2.2 Ziele des Praxispiloten und Nutzen der Zielgruppen............................................................... 5
3 Projektrahmen................................................................................................................................. 7
3.1 Konsortium und Rollen ............................................................................................................ 7
3.2 Notwendige Ressourcen sowie Kompetenzen ........................................................................ 7
4 Lösungsbeschreibung ...................................................................................................................... 9
4.1 Anforderungen ........................................................................................................................ 9
4.2 Konzepte ................................................................................................................................ 10
4.3 Cloud-Architektur .................................................................................................................. 11
4.3.1 Servicebeschreibung MES ............................................................................................. 11
4.3.2 Servicebeschreibung Scheduler..................................................................................... 12
4.3.3 Integrationsszenario ...................................................................................................... 12
4.4 Geschäftsmodelle .................................................................................................................. 13
4.5 Herausforderungen bei der Umsetzung ................................................................................ 14
4.6 Prototypen und (Teil-)Lösungen ............................................................................................ 14
5 Integration und Kooperation zwischen den beteiligten Unternehmen ........................................ 16
5.1 Organisatorisches .................................................................................................................. 16
5.2 Technisches ........................................................................................................................... 16
5.3 Strategisches ......................................................................................................................... 16
5.4 Rechtliches ............................................................................................................................ 17
6 Resümee ........................................................................................................................................ 18
6.1 Rolle der Cloud ...................................................................................................................... 18
6.2 Lessons Learned .................................................................................................................... 18
6.3 Ausblick.................................................................................................................................. 18
7 CMBW-Projektdarstellung............................................................................................................. 19
8 Kontakt .......................................................................................................................................... 20
Cloud Mall BW – Transferdokumentation „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ 3
1 Management Summary Praxispiloten innerhalb des Förderprojekts Cloud Mall Baden-Württemberg (Cloud Mall BW) sind kleine Projekte zwischen mehreren Unternehmen und Cloud Mall BW Projektpartnern, die zusammen Cloud-Services entwickeln und somit ein gemeinsames Ziel verfolgen. In Produktionen ist es zunehmend wichtiger, flexibel und zeitnah auf Kundenanforderungen zu reagie- ren. Sowohl die Varianz an Produktalternativen als auch der Zeitfaktor bei der Umsetzung sind wichtige Kriterien für produzierende Firmen. Die Kunden wollen individuell angepasste Produkte und dies in einem kurzen, zuverlässigen Zeitrahmen. Um dies zu erreichen, muss die Produktion in allen Schichten, von der Produktionsanlage bis zur Fabrikplanung und -steuerung, auf die individuellen Anforderungen der Kunden anpassbar sein und die Produktionsabläufe, auch auf allen Schichten, optimal genutzt wer- den, um den Durchsatz zu maximieren und gleichzeitig die Kosten zu minimieren. Muckenhirn Automation GmbH bietet ein modulares Manufacturing Execution System (MES) sowie ein Equipment Automation Framework (EAF). Beide Systeme erlauben eine durchgängige Automati- sierung auf allen Schichten, von der Fabrikplanung und -steuerung bis zu den Produktionsabläufen in einer Produktionsanlage. trustsec IT solutions GmbH bietet einen flexiblen, konfigurierbaren Scheduler. Dieser lässt sich je nach Anforderung mit verschiedenen Algorithmen betreiben. Der Scheduler kann dabei eine Vorwärtspla- nung von Aktivitäten mit unterschiedlicher Granularität vornehmen, um so einen optimierten Ablauf in einer Produktion zu erreichen. Im Praxispilotprojekt „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ wurden die Systeme der Auto- matisierung, von der Fabrikautomatisierung bis hin zur Automatisierung einer Produktionsanlage, und das System eines flexiblen, konfigurierbaren Scheduler als Service auf Basis der Virtual Fort Knox (VFK) Research Plattform des Fraunhofer IPA beispielhaft umgesetzt. Cloud Mall BW – Transferdokumentation „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ 4
2 Einführung
„Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ ist einer der Praxispiloten aus dem Bereich Produktion
und wurde im Rahmen des Förderprojekts Cloud Mall Baden-Württemberg (Cloud Mall BW) (siehe
auch Kapitel 7) durchgeführt. Die folgenden Abschnitte erläutern die Ausgangssituation und Ziele des
Pilotprojekten und geben notwendige Details für die technische Umsetzung der Integration zwischen
den betroffenen Unternehmenslösungen.
Praxispiloten in Cloud Mall BW sind kleine Projekte zwischen mehreren Unternehmen und Cloud Mall
BW Projektpartnern, die zusammen Cloud-Services entwickeln und somit ein gemeinsames Ziel verfol-
gen.
2.1 Ausgangssituation und Motivation
Eine Planung der Abläufe findet heute fast ausschließlich auf Unternehmensebene durch das ERP
(Enterprise Resource Planning) statt. Auf dieser Ebene wird sehr grob die Auftragsreihenfolge und ihre
Auswirkung auf die Produktion geplant, um eine gleichmäßige Auslastung der Fabrik und einen unge-
fähren Liefertermin zu erhalten. Dies funktioniert sehr gut, solange keine Störfaktoren innerhalb der
Produktion auftreten.
Die Herausforderung für das Unternehmen besteht darin, die Planung der Abläufe feingranularer zu
gestalten, sodass auf Störfaktoren viel früher reagiert werden kann. Zum einen kann dadurch der Lie-
fertermin viel genauer vorhergesagt werden, zum anderen kann bei auftretenden Störungen viel
schneller reagiert werden, was dazu führt, dass sowohl die Abläufe in den Produktionsanlagen als auch
die Abläufe in der gesamten Produktion ausgewogener und damit effizienter durchgeführt werden.
2.2 Ziele des Praxispiloten und Nutzen der Zielgruppen
Das primäre Ziel des Praxispiloten ist es, zu zeigen, dass eine Planung hierarchisch organisiert werden
kann und bis in die Produktionsanlagen hinein von Vorteil ist. Durch die Umsetzung als Cloud-Dienste
lässt sich dieses Vorgehen somit an beliebig komplexe Anwenderszenarien anpassen. Somit werden
gerade kleinen und mittleren Unternehmen folgende Vorteile ermöglicht:
Steigerung der Produktivität durch weniger Stillstand
Zuverlässiger Liefertermin
Bessere Auslastung der Produktionsanlagen
Schnellere Reaktion auf Störfaktoren
Schichtenübergreifende Integration von Planungsservices in Produktionssteuerungsservices
Cloud Mall BW – Transferdokumentation „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ 5Ein solcher Lösungsansatz kann für unterschiedliche Unternehmen von Interesse sein. Hierzu werden folgende zwei Nutzergruppen identifiziert. Im Kontext eines „Cloud-basierten Scheduling für die Produktion“ bilden die produzierenden Unter- nehmen die größte Verbrauchergruppe. Diese haben hiermit die Möglichkeit die Planung und Steue- rung ihrer Produktion individuell zu gestalten und Maschinen und Anlagen unterschiedlicher Hersteller anzubinden. Die zweite Nutzergruppe ist der (Sonder-) Maschinen- und Anlagenbau. Diese können zum einen ihre Produkte mit Hilfe einer solchen Lösung automatisieren. Zum anderen haben sie auch die Möglichkeit eine Anbindung an eine solche Lösung als zusätzliche Funktionalität zu ihren Produkten mit anzubie- ten. Cloud Mall BW – Transferdokumentation „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ 6
3 Projektrahmen 3.1 Konsortium und Rollen Die Idee zum Praxispiloten „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ wurde von der Muckenhirn Automation GmbH mit Sitz in Waldkirch ins Leben gerufen. Das Unternehmen beschäftigt drei Mitar- beiter und bietet, neben Beratungs- und Entwicklungsdienstleistungen, ein modulares Manufacturing Execution System (MES), sowie ein Equipment Automation Framework (EAF) an. Beide Systeme erlau- ben eine durchgängige Automatisierung auf allen Schichten, von der Fabrikplanung und -steuerung bis zu den Produktionsabläufen in einer Produktionsanlage. Die Einreichung der Ideenskizze zum Praxispilot erfolgte zusammen mit der Firma trustsec IT solutions GmbH mit Sitz in Stuttgart-Möhringen. Das Unternehmen beschäftigt aktuell zehn Mitarbeiter und bietet, neben Beratungs- und Entwicklungsdienstleistungen, einen flexiblen, konfigurierbaren Schedu- ler an. Dieser lässt sich je nach Anforderung mit verschiedenen Algorithmen betreiben. Der Scheduler kann dabei eine Vorwärtsplanung von Aktivitäten mit unterschiedlicher Granularität vornehmen, um so einen optimierten Ablauf in einer Produktion zu erreichen. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA (im Weiteren genannt als Fraunhofer IPA) hat sich seit seiner Gründung im Jahr 1959 zu einem der größten Einzelinstitute der Fraunhofer-Gesellschaft auf dem Gebiet der Produktionstechnik entwickelt. Im Mittelpunkt der Arbeit des Fraunhofer IPA stehen organisatorische und technologische Aufgaben aus dem Produktionsbe- reich der Zukunftsbranchen Automobil, Maschinen- und Anlagenbau, Elektronik und Mikrosystem- technik, Energie-, Medizin- und Biotechnologie sowie der Prozessindustrie. Das Fraunhofer IPA über- nimmt seit vielen Jahren eine führende Rolle bei der Umsetzung des digitalen Wandels in der Produk- tion (Industrie 4.0) und entwickelt innovative Lösungen und Anwendungen mit Einsatz von Cloud-Tech- nologien, Cyberphysikalischen Produktionssystemen, 5G, Künstlicher Intelligenz und Maschinellem Lernen. Die beide Unternehmen Muckenhirn Automation GmbH und trustsec IT solutions GmbH waren im Vor- feld einander bekannt, doch die Idee zur Zusammenarbeit der Unternehmen in diesem Bereich wurde über das Fraunhofer IPA initiiert. 3.2 Notwendige Ressourcen sowie Kompetenzen Muckenhirn Automation GmbH brachte in diesem Projekt ihre Kompetenzen im Bereich Produktions- planung, sowie Maschinen- und Anlagenautomatisierung ein. Zusätzlich stellte das Unternehmen seine MES-Lösung für die Prototypisierung zur Verfügung und erweiterte diese um Integrationsmöglichkei- ten. trustsec IT solutions GmbH brachte in diesem Projekt ihre Kompetenzen im Bereich Systemarchitek- tur, System-integration, Schnittstellendesign und Lösungsberatung ein. Außerdem stellte das Unter- nehmen seine Scheduling-Lösung für die Prototypisierung zur Verfügung und erweitere diese um Integrationsmöglichkeiten. Cloud Mall BW – Transferdokumentation „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ 7
Fraunhofer IPA als Cloud Mall BW Partner unterstützte Muckenhirn Automation GmbH und trustsec IT solutions GmbH aufgrund der Expertise bei der Anforderungs- und Anwendungsanalyse, der Kon- zeption, Entwicklung der Integrationsszenarien und innovativen Geschäftsmodellen sowie bei der um- fassenden Dokumentation der Projektinhalte. Insbesondere bei der Umsetzung der Integrations- szenarios steuerte das Fraunhofer IPA mit der Cloud-Plattform Virtual Fort Knox (VFK) Research ein benötigtes Ökosystem für den Praxispiloten bei und unterstützte die Praxispilotpartner bei der Pake- tierung bzw. Containerisierung der Services. Das Projektmanagement im Praxispilot wurde von Fraunhofer IPA koordiniert. Die Praxispilotpartner übernahmen die Leitung der Arbeitspakete für die Entwicklung und die Prototypische Umsetzung. Cloud Mall BW – Transferdokumentation „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ 8
4 Lösungsbeschreibung
4.1 Anforderungen
In der Anforderungsanalyse wurden die gesamten Anforderungen an das zu entwickelnde System er-
mittelt und strukturiert. Dabei wurde zwischen sogenannten funktionalen Anforderungen (FR) und
nicht-funktionalen Anforderungen (NFR) unterschieden (ISO 25010). Weiterhin waren die Anforderun-
gen mit einem Titel und einer Beschreibung versehen (siehe Tabellen unten). Die NFR sind darüber
hinaus in Kategorien aufgeteilt, welche mithilfe eines Schlüsselworts gekennzeichnet sind. Die Be-
schreibung beinhaltet wichtige Charakteristiken, Eigenschaften oder Qualitäten eines Systems oder
Software. Man unterscheidet zwischen zwei Aktionen o. a. Maßnahmen: (1) MUSS – zwingende Maß-
nahmen und (2) SOLL – sekundäre Wichtigkeit.
Funktionale Anforderungen
ID Titel Beschreibung Typ
FR001 Schedule Trigger MES muss den Scheduler antriggern und bekommt eine geplante MUSS
Job-Liste als Ergebnis.
FR002 Stateless MES muss als Controller und Dispatcher für den Scheduler fungiert MUSS
Scheduler und Scheduler bleibt stateless.
FR003 Schedule Proto- MES soll die Ausführungshäufigkeit eines Schedules protokollieren. SOLL
kollierung
FR004 Schedule Input MES muss alle Daten, die als Input für den Scheduler benötigt wer- MUSS
den, verwalteten und diese für einen Schedule zur Verfügung stel-
len.
FR005 Fabrik Simula- Eine Fabrik soll mit Anbindung an das MES zur Erprobung bzw. De- SOLL
tion monstration simuliert werden.
Nicht Funktionale Anforderungen
ID Schlüsselwort Titel Beschreibung Typ
NFR001 Interoperabilität Schnittstelle MES und Scheduler müssen eigenständige Ein- MUSS
heiten bleiben und über eine wohldefinierte
Schnittstelle kommunizieren.
NFR002 Installierbarkeit Dockerized MES Server und Scheduler müssen als Docker MUSS
Services Container bereitgestellt werden.
NFR003 Zeitverhalten Rechtzeitiger Schedule und MES müssen schnell genug sein, MUSS
Schedule d. h. Schedule muss rechtzeitig zur Verfügung
stehen (max. 3s im Prototyp)
NFR004 Wiederver- Konfigurierba- Maschinenmodell des Scheduler muss konfi- MUSS
wendbarkeit res Maschi- gurierbar gestaltet sein, sodass es nicht expli-
nenmodell zit zu implementieren ist.
NFR005 Modularität Flexible In- MES und Scheduler müssen flexibel miteinan- MUSS
tegration der integrierbar sein, aber auch unabhängig
voneinander funktionieren.
NFR006 Bedienbarkeit Integrierte UI Der Nutzer sollte die MES Oberflächen nutzen, SOLL
um einen Schedule anzustoßen und das Er-
gebnis in einem Gantt-ähnlichem Diagramm
anzuzeigen.
Cloud Mall BW – Transferdokumentation „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ 94.2 Konzepte Im Rahmen von Industrie 4.0 werden immer mehr Maschinen, IT- und Produktionssysteme miteinan- der vernetzt. Heutzutage ist die IT-Landschaft eines kleinen und mittelständischen Unternehmens sehr heterogen und zeichnet sich durch Entwicklungen diverser Anbieter sowie Insellösungen, die teilweise proprietär und infolge aufwendiger Programmierungen entstanden sind, aus. Insbesondere für Unter- nehmen im Mittelstand stellt die Vernetzung der Produktionssysteme untereinander sowie mit der Office-IT eine große Herausforderung dar. Oft fehlen die nötigen IT-Ressourcen und Qualifikationen, um die nötigen Schritte einzuleiten. Am Beispiel einer simulierten Produktion soll ein Praxispilot umgesetzt werden. Hierbei müssen zuerst die Schnittstellen der Services so angepasst werden, dass auf der einen Seite die Produktionssteuerung auf allen Schichten Ergebnisse eines Planungsservice (Scheduler) als Eingabe verarbeiten und auch ent- sprechend nutzen kann. Auf der anderen Seite muss der Planungsservice in der Lage sein, beliebige Planungsaufgaben, egal auf welcher Schicht, zu übernehmen und in Teilplanungsaufgaben zu untertei- len. Diese Teilaufgaben müssen sowohl mit der Produktionssteuerung (MES/EAF) interagieren als auch neue Planungsaufgaben anstoßen, sodass am Ende eine durchgängige Planung der gesamten Abläufe vorhanden ist und die Produktionssteuerung dazu auch in der Lage ist, diese Abläufe entsprechend umzusetzen. Eine große Herausforderung hierbei ist die sofortige Reaktion auf Störfaktoren mit einer entsprechend schnellen Reaktion des Planungsservice. Hierbei müssen Störungen auf Seite der Pro- duktionssteuerung erkannt und anschließend bewertet werden, um dadurch schnellstmöglich eine Umplanung der Abläufe durch den Planungsservice anzustoßen. Die vorhandenen Produkte (MES, EAF und Scheduler) müssen in einem ersten Schritt zu mehreren Cloud-Services erweitert werden. Heraus- forderung hierbei ist die Granularität der Cloud-Services um die oben genannten Anforderungen ab- zudecken. Abbildung 1: Lösungsskizze für den Praxispiloten Diese Cloud-Services sollen mit Hilfe des Manufacturing Service Bus (MSB) integriert werden, der im Rahmen von Cloud Mall BW durch das Fraunhofer IPA bereitgestellt wird. Dies ermöglicht eine einfa- che und flexible Verknüpfung der Cloud-Services, was für die Umsetzung des hierarchischen Schedu- ling-Ansatzes als auch für eine kundenspezifische Bereitstellung notwendig ist. Darüber hinaus ist der Cloud Mall BW – Transferdokumentation „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ 10
MSB ein zentrales Element zahlreicher Forschungs- und Industrieprojekte am Fraunhofer IPA und dient als universale Schnittstelle für die Anbindung und Integration unterschiedlicher CPPS und digitaler Pro- duktionsapplikationen (siehe Abbildung 1). 4.3 Cloud-Architektur Die IT Architektur von „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ steht ganz im Sinne der Digita- len Transformation (auch zu sehen in Abbildung 2) und verfolgt das Aufbrechen starrer Strukturen hin zu einer flexiblen Service-orientierten IT-Landschaft. Wesentliche Komponenten der Gesamtarchitek- tur bzw. zu integrierende Dienste sind das MES und Scheduler, die in folgenden Abschnitten beschrie- ben werden. Abbildung 2: Migration zu serviceorientierten Architekturen (Quelle: basiert auf VDI/VDE-GMA: „Cyber-Physical Systems: Chancen und Nutzen aus Sicht der Automation“ April 2013) 4.3.1 Servicebeschreibung MES Beim MES der Muckenhirn Automation GmbH handelt es sich im klassischen Sinne um ein Manufac- turing Execution System gemäß den Normen ISA 95und VDI 5600, welches das Bindeglied zwischen ERP und Fertigungsebene darstellt. Es ist modular aufgebaut und umfasst Funktionalitäten wie Stamm- datenverwaltung, Auftragsverwaltung, Materialverwaltung, Auftragsbearbeitung, Fabrikleitstand, Auswertung, Verfolgung, Rezeptverwaltung, Ressourcen, Anlagenanbindung und weitere (siehe Abbil- dung 3). Diese Funktionalitäten werden auf Basis eines Kernsystems bereitgestellt, welches Quer- schnittsfunktionen der zentralen Datenhaltung und -versionierung, Freigabeverwaltung und konfigurierbare Abläufe umfasst. All dies wird über einen Server den angebundenen Clients über ein Netzwerk bereitgestellt. Bei den Clients handelt es sich um Rich-Clients, welche ihre Funktionalitäten je nach Konfiguration über den Server nachladen. Cloud Mall BW – Transferdokumentation „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ 11
hochflexibel und MES Server
in nahezu allen Bereichen
Stammdaten Auftragsverwaltung Materialverwaltung
präsent • Prozessziele • Kundendaten • Chargen / Einzel
• Stücklisten • Kundenaufträge • Verbrauchsmaterial
• Prozessablaufpläne • ERP-Synch. • ERP-Synch.
MES Client Auftragsabarbeitung
MES Kernsystem • Reihenfolge
• Überwachung
Querschnitts-Funktionalitäten für alle
Module Fabrikleitstand
• zentrale Datenhaltung & Daten-Versionierung • grafische Übersicht
• Freigabeverwaltung • animiert
• Konfigurierbare Abläufe • Detailinformation
Prozess-Kontrolle
Auswertung / Analyse
• Online Diagramme
• Reports
Verfolgung
• Material
Ressourcen-Planung • Werkstück
• Abläufe
Anlagenanbindung Ressourcen Rezeptverwaltung
• Elektrische Signale • Anlagen / Bediener • Arbeitsanweisung
• Kamerasysteme • Schichtpläne • Anlagenparameter
• div. Schnittstellen • Wartung
Abbildung 3: MES Architektur
4.3.2 Servicebeschreibung Scheduler
Der Scheduler der trustsec IT solutions GmbH dient zum Erzeugen einer Maschinenbelegungsplanung,
welche einzelnen Auftragsinstanzen wann, in welcher Reihenfolge und an welchen Produktionsma-
schinen ausgeführt werden. Hierzu ist der Scheduler konfigurierbar gestaltet, um einen flexiblen Ein-
satz zu ermöglichen, z. B. können je nach Anforderung verschiedene Algorithmen genutzt werden. Der
Scheduler kann dabei eine Vorwärtsplanung von Aktivitäten mit unterschiedlicher Granularität vor-
nehmen, um so einen optimierten Ablauf in einer Produktion zu erreichen. Der Scheduler arbeitet
hierbei voll deterministisch, d. h. dass ein gleicher Input immer gleichen Output erzeugt. Dadurch kön-
nen neue Prozesse hinzugefügt bzw. bestehende entfernt oder gesperrt werden, um einen Optimie-
rungslauf erneut durchzuführen. Der Scheduler als Teil eines Systems bedarf eines Controllers, der den
Scheduler steuert und die Ausführung überwacht, sowie einen Dispatcher, der ein Ergebnis eines Pla-
nungslaufs nutzt bzw. ausführt. Als Eingabewerte werden Prozessdefinition und Maschinenmodell be-
nötigt.
4.3.3 Integrationsszenario
Die einzelnen Services (MES und Scheduler) sind nach dem „Self-Containing System“ Prinzip gestaltet.
Dies bedeutet, dass beide Services unabhängig voneinander lauffähig sind und keine Abhängigkeit zwi-
schen diesen besteht. Sie sind lediglich über wohldefinierte Schnittstellen mit einander integriert.
Diese Art der Modularisierung eines Systems erlaubt es z. B. zu einem späteren Zeitpunkt Teile des
Systems auszutauschen, ohne negative Auswirkungen auf den Rest des Systems zu erzeugen.
Cloud Mall BW – Transferdokumentation „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ 12Die Integration der Services verfolgt das Prinzip der losen Koppelung, was die Erweiterbarkeit der Lö- sung und die Adaption an unterschiedliche Einsatzszenarien sicherstellt. Hierzu bietet das MES eine http-remoting Schnittstelle an, welche über JNDI gefunden werden kann. Da es sich beim Scheduler um eine in Java programmierte Bibliothek handelt, wurde eine Java Appli- kation mit JMX Remote API für die Kommunikation genutzt (siehe Abbildung 4). Abbildung 4: Cloud-Architektur und Integrationsszenario Für eine einfache und reproduzierbare Bereitstellung der Service wird auf Container-Technologie ge- setzt. Hierbei wird im speziellen Docker verwendet, um die Services und ihre Bestandteile zu paketie- ren und zu betreiben. 4.4 Geschäftsmodelle Wie bereits beschrieben, können mit dem „Cloud-basierten Scheduling für die Produktion“ unter- schiedliche Kundengruppen angesprochen werden, woraus sich auch unterschiedliche Geschäftsmo- delle ergeben. Für produzierende Unternehmen ist es sinnvoll das System bzw. die Services als Dienstleistung (XaaS) über eine Cloud-Plattform bereitzustellen und auch abzurechnen. Dies entspricht dem heute bereits weitverbreitet Software as a Service (SaaS) Geschäftsmodell. Daraus ergibt sich prinzipiell für Endkun- den der Mehrwert, nur für das zu zahlen, was tatsächlich in Anspruch genommen wird. Aber auch der Serviceanbieter selbst hat wesentliche Vorteile durch dieses Modell. Zum einen ergeben sich daraus planbare und erneuerbare Einnahmequellen. Zum anderen lassen sich so die Betriebskosten senken, da Kunden in großem Maßstab skalierbar über eine Plattform bedienen werden können. Aber am ge- wichtigsten erscheint die Möglichkeit, so tiefgehende Einblicke in das Nutzungsverhalten der Kunden zu bekommen, um die eigenen Produkte stetig zu verbessern und Möglichkeiten zur Umsatzsteigerung durch z. B. gezieltes Cross- und Upselling zu identifizieren. Cloud Mall BW – Transferdokumentation „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ 13
Auch für die zweite Kundengruppe aus dem Bereich (Sonder-) Maschinen- und Anlagenbau bietet ein solches Software as a Service (SaaS) Geschäftsmodell viele Vorteile. Allerdings zeigt sich der Trend bzw. die Bestrebungen vieler Anbieter aus diesem Bereich eigene Service-basierte Angebote aufzubauen. Aus diesem Grund ist es sinnvoll für diese Kundengruppe weiterhin das klassische Geschäftsmodell der Lizenzierung anzubieten. Damit ergibt sich die Möglichkeit, dass die Services als Teil der Produkte bzw. Serviceangebote des Maschinen- und Anlagenherstellers an dessen Endkunden angeboten werden können. 4.5 Herausforderungen bei der Umsetzung Die größten Herausforderungen in diesem Projekt bestanden darin, eine möglichst hohe Konfigurier- barkeit des Systems zu gewährleisten, um z. B. Maschinenmodelle konfigurierbar zu gestalten, statt diese explizit zu implementieren, was unter anderem an der Kürze des Projektes lag. Auch die Maß- gabe, die Problemgröße für das Scheduling möglichst klein zu halten, um nach dem „Divide and Conquer“ Prinzip zu operieren und die Skalierung des Systems für größeres Szenario zu zeigen, führt zu einem Zielkonflikt, den es aufzulösen galt. 4.6 Prototypen und (Teil-)Lösungen In der Entwicklungsphase wurden die Entwürfe mit technischem Know-how in einem Prototyp umge- setzt. Die meiste Zeit wurde für die Umsetzung der fachlichen Verknüpfung zwischen MES und Scheduler genutzt, aus der die Schnittstellenbeschreibung abgeleitet wurden. Die technische Umset- zung ging, aufgrund der Nutzung von etablierten Lösungen und nachdem die Schnittstellen klar defi- niert wurden, zügig voran. Für die Erprobung des Scheduling-Ansatzes wurden die Cloud-Services in einer Testumgebung auf Basis der VFK Research Plattform, welche im Rahmen von Cloud Mall BW durch das Fraunhofer IPA bereit- gestellt wird, aufgesetzt und mit Hilfe einer simulierten Produktionslinie validiert. Der umgesetzte Anwendungsfall ist auf der Fabrikebene angesiedelt, sodass MES und Scheduler Ser- vice zum Einsatz kamen. Hierbei wird eine Fabrik für Festplatten-Schreib-/Lesekopf emuliert. Der exemplarisch verwendete Produktbaum ist in Abbildung 5 abgebildet. Die Emulation spiegelt eine re- ale Produktion wider, welche durch den MES-Service gesteuert werden kann und die notwendigen Trigger für den MES-Service erzeugt, um eine Nachverfolgung der Produktion zu ermöglichen. In Folge dieser Trigger stößt der MES-Service einen neuen Lauf des Scheduler an und übergibt diesem eine Menge von Jobs für die Produktion. Der Scheduler berechnet die optimale Abarbeitungsreihenfolge und -verteilung dieser Jobs auf Basis mehrere Zielgrößen und liefert in Folge dessen eine Liste geplan- ter Jobs an den MES Service zurück. Der Scheduler kann auf diese Weise zustandslos (stateless) ope- rieren, da das MES als Controller und Dispatcher fungiert. Somit kann dieser Ansatz auch auf fabrikübergreifende Unternehmensebene hoch skaliert werden bzw. bereits bei Auslegung der Fabrik Anwendung finden. Cloud Mall BW – Transferdokumentation „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ 14
Abbildung 5: Produktbaum eines Festplatten-Schreib-/Lesekopfs Cloud Mall BW – Transferdokumentation „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ 15
5 Integration und Kooperation zwischen den beteiligten Unternehmen
5.1 Organisatorisches
Die Organisation in Bezug auf die Kooperation der Projektpartner im Praxispilot hatte bereits bei der
Auftaktveranstaltung strukturiert begonnen und wurde so auch effektiv und effizient durch das ge-
samte Projekt weitergeführt. Es wurden Projektrollen definiert, ein technisches sowie ein organisato-
risches Team gebildet und Termine für alle Projektmonate vereinbart. Alle Partner waren somit stets
informiert, wie der Status der aktuellen Entwicklungen ist und welche Termine und Aufgaben anste-
hen. Die Fortschritte und Zwischenergebnisse wurden von Beginn an dokumentiert. Die Fraunhofer
ownCloud wurde als gemeinsame Dateiablage verwendet.
Die gesamte Vorgehensweise im Praxispilot wurde als sehr positiv im Projekt empfunden. Dies und das
Zusammenbringen und die Integration von Fachexperten, Softwareexperten sowie Anforderungsana-
lyse-Experten hat zu einem gemeinsamen Projekterfolg geführt. Die Transferdokumentation wurde im
Detail erstellt.
5.2 Technisches
Bei der Entwicklung wurde auf agile Methoden zurückgegriffen. Die technischen Anforderungen wur-
den am Anfang analysiert, insbesondere wurden diese in der Entwicklungsphase detailliert analysiert
und bei der prototypischeren Umsetzung umgesetzt. Dies diente als eine gute Grundlage für die Integ-
rationsschicht und beschleunigte die technische Integration zwischen zwei Plattformen.
Die technische Umsetzung wurde planmäßig realisiert und wurde von Experten von beiden Unterneh-
men tatkräftig unterstützt.
5.3 Strategisches
Mit dem Praxispiloten „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ verfolgt Muckenhirn Automa-
tion GmbH wichtige strategische Ziele, darunter
MES System als mehrere Cloud-Services
EAF als Cloud-Services
Erfahrungen im Bereich der Cloud-Technologie
Nutzung einer Planungseinheit in allen Schichten
Schnellere Lösung für Kunden durch Nutzung der Services mit ihren standardisierten Schnitt-
stellen
Neues Leistungsangebot für bestehende Kunden durch die Integration eines Schedulers
Cloud Mall BW – Transferdokumentation „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ 16Auch trustsec IT solutions GmbH verfolgt mit „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ wichtige
strategische Ziele, darunter:
Scheduler als Cloud-Services
Erfahrungen im Bereich der Cloud-Technologie
Integration des Schedulers in nahezu allen Schichten einer Produktion
Schnellere Lösung für Kunden durch Nutzung der Services mit ihren standardisierten Schnitt-
stellen
5.4 Rechtliches
Für die Zusammenarbeit innerhalb des Praxispiloten wurden von allen Beteiligten die Cloud Mall BW
Teilnahmebedingungen unterzeichnet. Diese Regeln zusammengefasst die Zusammenarbeit im Projekt
und Aspekte der Vertraulichkeit, den Umgang mit Ergebnissen und Einräumung von Nutzungsrechten,
die Vorgehensweise bei Veröffentlichungen sowie Gewähr und Haftung bei der Durchführung des Pra-
xispiloten. Für weitere Kooperationen von Unternehmen nach einem Praxispiloten kann ein in Cloud
Mall BW erstellter Leitfaden für die Zusammenarbeit zwischen Unternehmen dienlich sein.
Cloud Mall BW – Transferdokumentation „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ 176 Resümee 6.1 Rolle der Cloud Mit der Umsetzung des Praxispiloten „Cloud-basierten Scheduling für die Produktion“ und ihrer In- tegration in die Cloud-basierte Plattform VFK Research konnte Muckenhirn Automation GmbH und trustsec IT solutions GmbH neue XaaS-Modell-Lösungen mit flexiblen Zusatzservices für ihre Kunden erproben. Die Cloud-Architekturen leisteten dabei die nötigen Werkzeuge, um die software-orientier- ten Lösungen mit minimalem Aufwand zu integrieren und sie dem Kunden über die standardisierten Schnittstellen zur Verfügung zu stellen. Produktionsaufträge und Maschinen sowie weitere Optimie- rungsdienste im Unternehmen lassen sich durch Cloud-Technologie effizient verbinden und dezentral steuern. 6.2 Lessons Learned Die Integration von MES und Scheduler hat gezeigt, dass man eine Produktionslinie problemlos über verteilte Systeme betreiben kann. Der ansonsten Dispatch-getriebene Ansatz des MES konnte damit durch eine Planungskomponente erweitert werden. Die im Prototyp umgesetzte emulierte Fabrik konnte so ohne weiteres betrieben werden. Der Ansatz hat allerdings auch gezeigt, dass ein solches Vorgehen mit einem deterministischem, zustandslosem Scheduler für eine Echtzeitanwendung, wie sie in einer Produktionsanlage vorkommt, nicht ausreicht. Dazu ist zum einen die Latenzzeit für das erneute Ausführen eines Schedule-Laufs zu hoch und zum anderen der Einsatz eines deterministischen Schedulers für eine hochdynamische Produktionsanlage kein zusätzlicher Nutzen. Hier bedarf es neu- erer Ansätze. 6.3 Ausblick Nachdem gezeigt wurde, dass Planungsaufgaben verteilt in eine Produktionssteuerung integriert wer- den können, ist eine Optimierung der Planung durch den Einsatz von KI-Technologien möglich. Hierzu müssen die Produktionssteuerungsservices so erweitert werden, dass entsprechend aufbereitete Da- ten für eine KI zur Verfügung gestellt werden. Die durch diese KI überlagerten Planungsservices könn- ten daraufhin effizienter und damit zielgenauer die Produktionsabläufe optimieren. Cloud Mall BW – Transferdokumentation „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ 18
7 CMBW-Projektdarstellung Im Gemeinschaftsprojekt Cloud Mall Baden-Württemberg (Cloud Mall BW) werden Potenziale und Möglichkeiten von Cloud Computing für den Mittelstand in Baden-Württemberg identifiziert und aus- geschöpft. Kleinen und mittleren Cloud-Serviceanbietern und -anwendern wird ein Rahmen geboten, um untereinander Kooperationen zu schließen, das eigene Netzwerk zu stärken und dadurch aktiv Wettbewerbsvorteile auszubauen. Kooperative Ideen kleiner und mittlerer Cloud-Service oder Cloud- Plattformanbieter werden gezielt in Praxispiloten vorangetrieben und personell und fachlich vom Cloud Mall BW-Projektteam unterstützt. Das Gemeinschaftsprojekt wird vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden- Württemberg gefördert. Beteiligt sind das Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO), das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), sowie das Institut für Enterprise Systems an der Universität Mannheim (InES) und bwcon research GmbH (bwcon). Unter- auftragnehmer des Projekts sind Trusted Cloud und das Institut für Arbeitswissenschaften und Tech- nologiemanagement (IAT) der Universität Stuttgart. In der Projektzeit ist die Durchführung von bis zu vierzig Praxispiloten geplant. Cloud Mall BW – Transferdokumentation „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ 19
8 Kontakt Gerne können die Vertreter der Praxispilotpartner bei Fragen und Anmerkungen zum Praxispilot oder zu Inhalten direkt angesprochen werden: Muckenhirn Automation GmbH Dr. Ralf Muckenhirn ram@muckenhirn.net https://www.muckenhirn-automation.de/ trustsec IT solutions GmbH Dirk Heckmann dwh@trustsec.de https://www.trustsec.de/ CMBW - Projektleiter des Praxispiloten Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA Daniel Schel Daniel.schel@ipa.fraunhofer.de https://ipa.fraunhofer.de Weitere Information zum Thema Praxispiloten finden Sie unter der Projektwebsite: https://cloud-mall-bw.de/ Cloud Mall BW – Transferdokumentation „Cloud-basiertes Scheduling für die Produktion“ 20
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