Multiagentensysteme in der Industrie 4.0

Von Ralf Keuper 

Mit dem Aufkommen der ersten Mikroprozessoren hielten digitale Steuerungssysteme in den Unternehmen Einzug. So wurde Mitte der 70er Jahre das erste verteilte Rechnersteuerungssystem von Honeywell als hierarchisches Steuerungssystem mit einer großen Anzahl von Mikroprozessoren auf den Markt gebracht.

Seit seiner Einführung hat sich das Konzept der Distributed Control Systems in vielen industriellen Automatisierungssystemen wie Kraftwerkssteuerungen, Fertigungssystemen usw. verbreitet. Unternehmensleitungen begannen mit der Installation von verteilten Steuerungssystemen in neu geplanten Anlagen oder mit dem Ersatz bestehender analoger oder zentraler Steuerungssysteme(vgl. dazu: Die Geschichte der Automatisierung: Mit zündenden Ideen in die Zukunft).

Lokale Netzwerkennen

Ab 1980 setzte sich die Verwendung von lokalen Netzwerken zur Verbindung von Computern und Automatisierungsgeräten innerhalb eines industriellen Automatisierungssystems durch. Die von lokalen Netzwerken gebotene Kommunikation mit hoher Kapazität und niedrigen Kosten ließ verteiltes Rechnen und viele Automatisierungsdienste Realität werde. 

Speicherprogrammierbare Steuerungen

Zur selben Zeit tauchten verstärkt die ersten Speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) für weniger komplexe Maschinen in der Produktion auf. Bis dahin war ihr Einsatz überwiegend auf große technische Anlagen wie Walzwerke beschränkt(vgl. dazu: Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)). Eine Speicherprogrammierbare Steuerung ist ein robuster Minicomputer, dessen Aufgabe darin besteht, die Funktionen eines Systems mithilfe der darin programmierten internen Logik zu steuern. Das kann ein bestimmter Prozess, eine Maschinenfunktion oder sogar eine gesamte Produktionslinie sein. 

Automatisierungspyramide 

Die zunehmende Automatisierung in den Unternehmen über viele Bereiche hinweg führte zur Entstehung der sog. Automatisierungspyramide. Diese setzt sich zusammen aus der Unternehmensebene (ERP), der Betriebsleitsysteme (MES), der Prozessleitebene (SCADA), der Steuerungsebene (SPS), der Feldebene (Feldbus) und der Sensor-/Aktorenebene (IO-Link).  

Das Zusammenspiel bzw. der Datenaustausch der verschiedenen Ebenen dient u.a. dem Zweck, riesige Datenmengen von verschiedenen Sensoren zu verarbeiten und zu aggregieren, um den Menschen von der mehrfachen Einrichtung von Steuerungssystemen zu entlasten und ihm verantwortungsvollere Aufgaben im Zusammenhang mit der Überwachung und Optimierung von Produktionssystemen zu übertragen. Die Automatisierungspyramide passt sich der zunehmenden Vernetzung in den Fabriken an. Folglich müssen die Daten nicht mehr jede Stufe nacheinander durchlaufen, sondern werden dorthin übertragen, wo sie direkt, ohne Verarbeitung in den Zwischenstufen, benötigt werden. 

Cyber-physische Systeme (CPS)

Cyber-physische Systeme sollen Fabriken in die Lage versetzen, sich dynamisch an die jeweiligen Produktionserfordernisse anzupassen. "Ein cyber-physisches System bezeichnet den Verbund informatischer, softwaretechnischer Komponenten mit mechanischen und elektronischen Teilen, die über eine Dateninfrastruktur, wie z. B. das Internet, kommunizieren. .. Die Ausbildung von cyber-physischen Systemen entsteht aus der Vernetzung eingebetteter Systeme durch drahtgebundene oder drahtlose Kommunikationsnetze". 

Die grundlegenden Anforderungen für die Einführung von CPS in der Industrie: 

• Anpassungsfähigkeit an heterogene Umgebungen: Integration mit modernsten Informationssystemen, intelligenten Geräten und der bestehenden Umgebung (von alten SPS bis hin zu intelligenten, in Rechenleistung eingebetteten Objekten).
• Fähigkeit, in verteilten Netzen zu arbeiten: Sie sollten alle Informationen, die von intelligenten Sensoren und Aktoren durch den Einsatz des IoT bereitgestellt werden, auf zuverlässige Weise sammeln, übertragen und speichern.
• Basierend auf einer modularen, offenen Architektur: Die Interoperabilität zwischen verschiedenen Plattformen, die von mehreren Anbietern entlang der Wertschöpfungskette bereitgestellt werden, muss gewährleistet sein.
• Integration menschlicher Schnittstellen (HW und SW): Integration von benutzerfreundlichen und zuverlässigen Diensten, um die Entscheidungsträger über die Echtzeitsituation der Fabrik zu informieren.
• Fehlertoleranz: durch die Kapselung von Modellen zur Aktivierung des Vorhersage-Regelkreises und der Korrektheit von Automatisierungssystemen gegeben.

CPS und MAS 

Cyberphysische Systeme (CPS) und Multiagentensysteme (MAS) lassen sich auf vielfältige Weise kombinieren, um leistungsfähige und flexible Lösungen für komplexe Aufgaben zu schaffen. Diese Kombination nutzt die Stärken beider Ansätze und ermöglicht innovative Anwendungen in verschiedenen Bereichen.

Integration von CPS und MAS

Cyberphysische Systeme verbinden die physische Welt mit der digitalen Welt durch Sensoren, Aktoren und Datenverarbeitung. Multiagentensysteme bestehen aus mehreren autonomen Agenten, die miteinander interagieren, um Probleme zu lösen oder Aufgaben auszuführen. Die Kombination dieser beiden Konzepte ermöglicht es, intelligente, verteilte Systeme zu schaffen, die sowohl in der physischen als auch in der digitalen Welt agieren können.

Architektur

In einer kombinierten CPS-MAS-Architektur können die Agenten des Multiagentensystems als intelligente Einheiten fungieren, die die Komponenten des cyberphysischen Systems steuern und koordinieren. Jeder Agent kann für bestimmte Aspekte des CPS verantwortlich sein, wie z.B. Datenerfassung, Analyse oder Steuerung von Aktoren.

Anwendungsbereiche

Die Kombination von CPS und MAS findet in verschiedenen Bereichen Anwendung:

Industrie 4.0 und Smart Factories

In intelligenten Produktionsumgebungen können Agenten die Steuerung von Maschinen, Robotern und Produktionslinien übernehmen. Sie koordinieren Prozesse, optimieren Ressourcennutzung und reagieren flexibel auf Veränderungen.

Energiemanagement

Im Bereich Smart Grid können Agenten die Steuerung von Energieerzeugung, -verteilung und -verbrauch übernehmen. Sie optimieren die Energieeffizienz und integrieren erneuerbare Energiequellen.

Verkehr und Mobilität
Intelligente Verkehrssysteme können von der Kombination profitieren, indem Agenten Verkehrsflüsse steuern, Routenplanung optimieren und autonome Fahrzeuge koordinieren.

Herausforderungen und Lösungsansätze

Die Integration von CPS und MAS erfordert die Bewältigung von Heterogenität in Bezug auf Funktionen, Ressourcen und Kommunikationsprotokolle.

Lösungsansätze umfassen:

• Entwicklung standardisierter Schnittstellen
• Einsatz von Protokollbrücken für die Kommunikation zwischen verschiedenen Systemen
• Implementierung flexibler Agentenarchitekturen, die sich an unterschiedliche CPS-Komponenten anpassen können

Skalierbarkeit und Komplexitätsmanagement

Mit zunehmender Größe und Komplexität der kombinierten Systeme steigen die Herausforderungen:

• Einsatz hierarchischer Agentenstrukturen zur Bewältigung der Komplexität
• Implementierung von Mechanismen zur dynamischen Ressourcenzuweisung
• Entwicklung von Methoden zur Selbstorganisation und adaptiven Koordination der Agenten

Sicherheit und Zuverlässigkeit

Die Verbindung von physischen und digitalen Systemen erfordert besondere Aufmerksamkeit für Sicherheitsaspekte:

• Implementierung robuster Sicherheitsmechanismen zum Schutz vor Cyberangriffen
• Entwicklung von Fehlertoleranz- und Selbstheilungsmechanismen
• Einsatz von Verifikations- und Validierungstechniken für die kombinierten Systeme

Offene Fragen

In dem Paper AGENT-BASED DEVELOPMENT OF CYBER-PHYSICAL SYSTEMS FOR PROCESS CONTROL IN THE CONTEXT OF INDUSTRY 4.0 stellen die Autoren fest, dass noch keine Methodik für die Anwendung von Agenten auf den cyber-physischen Bereich der Prozesssteuerung existiert. Jedoch gibt es viele verschiedene Standards, die mit der Vision von Industrie 4.0 verbunden sind, um interoperable und skalierbare Lösungen auf der Grundlage der Integration von intelligenten Agenten in industriellen CPS-Umgebungen zu erreichen. 

Für die Lösung von Echtzeit-Steuerungsaufgaben wird die Norm IEC 61499 herangezogen, die die grundlegenden Konzepte und Modelle für den Entwurf von verteilten Prozessmess- und -steuerungssystemen definiert. Sie basiert auf dem Konzept des Funktionsblocks als Hauptbaustein einer Anwendung und kann für den Entwurf wiederverwendbarer intelligenter Softwarekomponenten verwendet werden. Verteilte Automatisierungssysteme können auf cyber-physikalische Weise modelliert werden, indem ein nebenläufiges Berechnungsmodell in die Norm IEC 61499 aufgenommen wird. Durch die Anwendung der cyber-physikalischen Sichtweise mit der IEC- 61499 werden Steuerung, Kommunikation und physikalische Anlagen in verteilten Automatisierungssystemen in einer grafischen Modellierungssprache abgedeckt.

Die beiden Normen IEC-61512 und IEC-62264 werden zur Erstellung einer Ontologie für den Bereich der Automatisierung verwendet. Die Norm IEC-61512 bietet domänenspezifische Modelle und Terminologie für die Gestaltung und Steuerung von Batch-Produktionsprozessen und kann helfen, die Beziehungen zwischen ihnen zu erklären. Die Norm definiert auch die Datenmodelle, die die in der Prozessindustrie angewandte Chargensteuerung beschreiben, Datenstrukturen zur Erleichterung der Kommunikation innerhalb und zwischen Chargensteuerungsimplementierungen sowie Sprachrichtlinien zur Darstellung von Rezepten. Die Norm IEC-62264 für die Integration von Unternehmenssteuerungssystemen definiert die Begriffe und Modelle zwischen Unternehmenssystemen und Fabriksteuerungssystemen. Die wichtigsten und ältesten Teile der Norm umfassen Modelle und Terminologie, Objekte und Attribute für Unternehmensleitsysteme und Aktivitätsmodelle von Fertigungsmanagementsystemen.