Table Of ContentKlaus Kramer
Automatisierung in Materialfluss und Logistik
INFORMATIK
Klaus Kramer
Automatisierung in
Materialfluss und Logistik
Ebenen, Informationslogistik,
Identifikationssysteme, intelligente Gerate
Deutscher Universitats-Verlag
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
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Habilitationsschrift Universitat Dortmund, 2000
Erstellt mit Unterstutzung der Bundesdruckerei GmbH, Zweigniederlassung Neu-Isenburg
1. Auflage Oktober 2002
Aile Rechte vorbehalten
© Deutscher Universitats-Verlag GmbH, Wiesbaden, 2002
lektorat: Ute Wrasmann / Anita Wilke
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Umschlaggestaltung: Regine Zimmer, Dipl.-Designerin, Frankfurt/Main
Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier
ISBN-13:978-3-8244-2152-7 e-ISBN-13: 978-3-322-81221-6
DOl: 10.1007/978-3-322-81221-6
Vorwort
Die vorliegende Ausarbeitung entstand aus einer Folge von Fragestellungen zu Problemen der
Automatisierung von Anlagen im Bereich von Materialflul3 und Logistik wie auch zur
Einfiihrnng der Material-und Sendungsverfolgung in Betrieben. Die Ausarbeitung befaJ3t sich
mit der Frage der informationstechnischen Strukturierung von Automatisierungssystemen wie
der Erfassung relevanter Daten aus den operativen Tatigkeiten im fertigungstechnischen
Bereich und im Dienstleistungsbereich in Produktion, Materialflul3 und Logistik.
Es zeigt sich, dal3 die Automatisierung mittlerweile deutlichen Anderungen unterworfen is!.
Einerseits ist dies bedingt durch die aktuelle und sich we iter verbessemde Rechnertechnik,
andererseits aber auch durch die Entwicklungen im Biirobereich, die in die Automatisierung
ausstrahlen. Zu nennen sind die Moglichkeiten des Plug & Play, des Drag & Drop und des
insgesamt freien Datenaustausches zwischen Programmen. An diese Ansatze gew6hnt, will
man sie in den Bereich der Automatisierung iibertragen. Die Themen der offenen Systeme
gerade hinsichtlich der Schnittstellen sind nicht mehr wegzudenken. Insgesamt verlagert sich
das Engineering im Anlagenbereich weg von der eigentlichen Hardware und deren
Verschaltung, hin zum Engineering der Information. Damit spielt kiinftig die Logistik des
Umgangs mit der Information - die Informationslogistik - die entscheidende Rolle. Speziell
hierauf sowie auf die Basis der Informationserfassung in der Logistik - die Identifikations
technik - wurde in folgendem Text verstarkt eingegangen, urn deren Bedeutung hervor
zuheben und eine inhaltlich fundierte Basis der weiteren Diskussion zu schaffen. Ich wiirde
mich freuen, wenn die Inhalte und Darstellungen zu weiteren Entwicklungen AnlaJ3 geben
bzw. diese initiieren. Der Themenkreis ist noch lange nicht zu Ende diskutiert und wird uns
die nachsten Jahre noch deutlich beschaftigen.
Priv. Doz. Dr.-Ing. habil. Klaus Kramer
v
Inhaltsverzeichnis
I. Allgemeine Einftihrung und Zielsetzung
2. Zur Entwicklung der Automatisierungstechnik 4
2.1 Historischer Werdegang und Schlul3folgerung 4
2.2 Prozel3diagnose, Instandhaltung und intelligente Sensorik 8
2.3 Rahmenbedingungen in Materialflul3 und Logistik 10
2.4 Zusammenfassung 12
3. Grundlagen der Automatisierungskonzepte 14
3.1 Produkt und Prozel3 14
3.2 Kopplung von Prozel3 und Information 20
3.3 Dezentrale, Zentrale und Hybride Zielsteuerung 23
3.4 Strukturierung der Automatisierungssysteme 27
3.5 S trukturi erungsprinzipi en 29
3.6 Darstellung miiglicher Ebenenkonzepte 32
3.7 Synthese eines Ebenenkonzeptes 36
3.8 Zusammenfassung 44
4. Datenerfassung und Informationsmanagement 47
4.1 Der Begriff "Informationslogistik" 49
4.2 Das Gedankengebiiude der Informationslogistik 50
4.3 Aufgabe und Einbindung der Informationslogistik 57
4.4 Prozesse der Informationslogistik 63
4.5 Bestandteile und Hilfsmittel der Informationslogistik 67
4.6 Bedeutung der Informationslogistik 74
5. Datenerfassung im Materialflul3 77
VII
5.1 Datenerfassung und Identifikationstechnik 77
5.2 Objektverfolgung durch Ein-Bit Sensoren 82
5.3 Direkte Erkennung der Objekte 84
5.4 Kennzeichnung von Giitem 88
5.4.1 Mechanische Kopplung zur Identifikation 92
5.4.2 Optische Kopplung zur Identifikation 94
5.4.3 Kodierung von Informationen in der Identifikation 100
5.4.4 Elektromagnetische Kopplung zur Identifikation 106
5.4.4.1 Resonanzprinzip 106
5.4.4.2 Begriffsbestimmung 106
5.4.4.3 Reflexionsprinzip 107
5.4.4.4 Sende-Empfangsprinzip 109
5.4.4.5 Frequenzbereiche 112
5.5 Elektronische Datentrager 115
5.5.1 Speicherstrategien 116
5.5.2 Energiekonzepte 118
5.5.3 Kommunikationskonzepte 120
5.5.4 Pulkerfassung 123
5.5.5 Informationslogistische Betrachtung 127
5.5.6 Anwendungsbereiche 131
5.6 Ein-und mehr-dimensionale Strichkodierung 133
5.6.1 Prinzipieller Kodeaufbau 135
5.6.2 Historie 140
5.6.3 I-dimensionale Kodierungsstrategien 142
5.6.4 2-dimensionale Kodierungsstrategien 148
5.6.5 3-dimensionale Kodierungsstrategien 155
5.6.6 Drucken und Etikettieren 157
5.6.7 Informationslogistische Betrachtung 167
5.6.8 Anwendungsbereiche 171
VIII
5.7 Sonderverfahren: Satellitengestiitzte Systeme 173
5.8 BDE-Systeme 175
5.9 Zusammenfassung und SchluBfolgerungen 176
6. Intelligenz im Feld 184
6.1 Migration der Intelligenz 186
6.2 Integration im Bereich der Aktorik 187
6.2.1 Erweiterung des Aktors 189
6.2.2 Aktor und iiberlagerte Steuerung 191
6.2.3 Informationslogistik und Aktor 192
6.3 Intelligente Sensorik 193
6.3.1 SMART Sensoren und HART Protokoll 195
6.3.2 Erweiterung des Sensors 197
6.3.3 Kategorien der Intelligenz 201
6.3.4 Informationslogistik und Sensor 203
6.4 Entwicklung intelligenter Sensoren fur den MaterialfluB 206
6.4.1 Intelligenz und Mehr-Bit Sensor 208
6.4.2 Intelligenz im I-Bit Sensor 209
6.4.3 Nachrichtenorientierte Vemetzung 211
6.4.4 Anforderungen an einen modemen Sensor 212
6.5 Steuerungen und Kommunikation in der Feldebene 216
6.5.1 Steuerung im Feld 220
6.5.2 Module und Datenwelt 224
6.5.3 SPS, IPe und Soft-SPS 228
6.5.4 Systemintegration 232
7. Zusammenfassung und Ausblick 233
Literaturverzeichnis 241
IX
Abbildungs-und Tabellenverzeichnis:
Bild 3.1 Anlageniibersicht einer Produktion in der Fertigungstechnik 14
Bild 3.2 TransfonnationsprozeB 16
Bild 3.3 TransfonnationsprozeB und Prozesselement 16
Bild 3.4 MaterialfluB und InfonnationsfluB [Jiinemann, 1989] 17
Bild 3.5 Drei Ebenen der Betrachtung von Produktion und MaterialfluB 18
Bild 3.6 Objektklassen 18
Bild 3.7 Darstellung eines Zwischenlagers in der Transportkette von Zulieferern als 19
auBerbetrieblicher Puffer
Bild 3.8 Zentrale Kopplung MaterialfluB und InfonnationsfluB (MeBstellenmodell) 20
Bild 3.9 Prinzipieller Zusarnmenhang des Phasenmodells mit der Steuerungsstruktur 21
Bild 3.10 Steuerstrecke bzw. Regelkreis im MaterialfluB 21
Bild 3.11 Kopplung MaterialfluB und InfonnationsfluB 22
Bild 3.12 Phasenmodell als Kopplung von Operationen 22
Bild 3.13 Praktisches Beispiel zur dezentralen Steuerung 24
Bild 3.14 Dezentrale Zielsteuerung 24
Bild 3.15 Zentrale Zielsteuerung 25
Bild 3.16 Praktisches Beispiel flir eine zentrale Steuerung 25
Bild 3.17 Hybride Steuerung als Kombination von dezentraler und zentraler Kopplung 26
Bild 3.18 Beispiel flir einen Anlagenkomplex 27
Bild 3.19 Infonnationstechnik als Produktionsfaktor 28
Bild 3.20 Phasenmodell an einem Grobablauf 29
Bild 3.21 Pyramidendarstellung einer Automatisierungsstruktur 31
Bild 3.22 Steuerung, Leitung und Fiihrung von Prozessen 38
Bild 3.23 Aufgaben im Bereich der ProzeBieitung und der Prozesssteuerung 39
Bild 3.24 Dbergreifendes Ebenenkonzept 43
Bild 3.25 Beispiel einer ProzeBkette im MaterialfluB 44
Bild 3.26 Darstellung des Ebenenmodells 45
Bild 3.27 Fertigungsauftragsregelkreise der Produktion erweitert urn den Transport 46
Bild 4.1 Komponenten einer Automatisierung, Verbindendes Element Dateniibertragung47
Bild 4.2 Drei Ebenen der Betrachtung von Produktion und MaterialfluB 51
Bild 4.3 Zusarnmenhang von Begriffen der Infonnationslogistik 53
XI
Bild 4.4 Punkt zu Punkt Verbindung und zugehiirige Informationskette 54
Bild 4.5 I:n Verbindung und zugehiirige Informationskette 54
Bild 4.6 m:n Verbindung und zugehiirige Informationskette 55
Bild 4.7 m:n Verbindung mit virtueller Obertragung und zugehiirige Informationskette 55
Bild 4.8 Ebene und Vernetzung der Informationen 58
Bild 4.9 Informationslogistik als zentrale Aufgabe 59
Bild 4.10 Prozesse und Grundfunktionen der Informationslogistik 63
Bild 4.11 Transformationsproze13 und Proze13element in der Informationslogistik 64
Bild 4.12 Das Phasenmodell im Materialflu13 65
Bild 4.13 Dreiecksstruktur der Informationsebenen 66
Bild 4.14 Prozesse und Arbeitsmittel der Informationslogistik 67
Bild 4.15 Klassifizierung von Obertragungssystemen 69
Bild 4.16 Direktzugriff auf die Proze13elemente unterlagerter Ebenen. 70
Bild 4.17 Steuerung des Informationsflusses tiber die Schnittst. der Produktinformationen 70
Bild 4.18 Beispiel eins PL T -Stellenplans 71
Bild 4.19 I-Stelle, Grundaufbau von der Erfassung bis zur Initiierung 72
Bild 4.20 Einsatz von CAE zur Planung und Realisierung von Anlagen 72
Bild 4.21 Informationsflu13 und Informationslogistik 75
Bild 4.22 Eindimensionale Proze13kosten-Ermittlung auf der Basis informationslogistisch 76
bestimrnter Tiitigkeiten
Bild 5.1 Prozesse im Materialflu13 77
Bild 5.2 Verschiedene Kategorien von Objekten in der Materialverfolgung 78
Bild 5.3 Zusamrnenhang von Artikel und verschiedenen Verpackungstypen 79
Bild 5.4 Zusamrnenhang der Verpackungshierarchie und entsprechender Dateninhalte 79
Bild 5.5 Kopplung von Material-und Informationsflu13 tiber die Datenerfassung 81
Bild 5.6 Sensorik im MaterialfluB, allgemeine Obersicht 82
Bild 5.7 Fiirdertechnik und Ein-Bit Sensorik 82
Bild 5.8 Darstellung von Techniken der Ein-Bit Sensorik zur Anwesenheitserfassung 83
Bild 5.9 Fiirderband mit Tastern zum Ausschleusen von Gtitem 85
Bild 5.10 ZeileniFlachen erfassende Sensoren zur Objekterkennung 87
Bild 5.11 Identifikationstechniken: Obertragungsprinzipien und Informationstrager 89
Bild 5.12 Beispiele von Datentragern in ihren Umgebungen 91
Bild 5.13 Mechanisch kodierter Datentrager 92
XII
