In the context of the paper, a research work is shown to implement a networked decentralized safety architecture that replaces the central architecture. Thus, the safety system fits better into the rest of the automation structure. On the one hand, this is done by a clearer hardware structure, as there is now one safety controller per decentralized unit, which, analogous to the distributed automation system, communicates with the other stations via an Ethernet-based bus system, thus greatly reducing the wiring and commissioning effort. On the other hand, the decentralized processing allows a local shutdown of the safety-relevant components and an escalation of the emergency shutdown to other areas, depending on the emergency stop situation. This means that in the event of a safety-critical situation, the shutdown is reduced to what is necessary from a safety point of view, which increases system availability.

Recent developments in the area of Cyber-Physical Production Systems prove that high technology readiness level is already achieved and industrialization of such technologies is not far from today. Although these technologies seem to be convenient in providing solutions to environmental uncertainties, their application provides adaptability only at shop floor level. Needless to say, an enterprise cannot reach true adaptability without ensuring adaptation skills at every level in its hierarchy. Commonly used production planning and control approaches in industry today inherit from planning solutions which are developed in response to historical market characteristics. However, market tendency in recent years is towards making personalized products a norm. The emerging complexity out of this trend obliges planning systems to a transition from non-recurring, static planning into continuous re-planning and re-configuration of systems. Therefore, there is a need of responsive planning solutions which are integrated to highly adaptable production system characteristics. In this dissertation, Demand Responsive Planning, DRP, is presented which is a planning framework aiming to respond to planning needs of shifting trends in both production system technologies and market conditions. The DRP is based on three main constructs such as dynamicity, responsiveness and use of precise data. These features set up the foundation of accomplishing a high degree of adaptability in planning activities. By this means, problems from an extensive scope can be handled with a responsive behavior (i.e. frequent re-planning) by the use of precise data. The use of precise data implies to execute planning activities subject to actual demand information and real-time shop floor data. Within the context of the DRP, both a continuous workload control method and a dynamic capacity adjustment approach are developed. A test-bed is coded in order to simulate proposed method based on a system emulation reflecting the characteristics of cyber-physical production systems at shop floor level. Continuous Precise Workload Control, CPWLC, method is a novel approach aiming at precise control of workload levels with the use of direct load graphs. Supported by a multi-agent platform, it generates dynamic non-periodic release decisions exploiting real time shop floor information. As a result, improved shop floor performances are achieved through controlling workload levels precisely by the release of appropriate job types at the right time. Presented dynamic capacity adjustment approach utilizes rapid re-configuration capability of cyber-physical systems in achieving more frequent capacity adjustments. Its implementation architecture is integrated to the CPWLC structure. By this means, a holistic approach is realized whereby improved due date performance is accomplished with minimized shop floor congestion. Hence, sensitivity to changing demand patterns and urgent job completions is improved. / <p>QC 20150907</p>

An increase in consumer demand and scarcity of available resources has led industrialists to hunt for solutions related to the automation of traditional manufacturing and production processes, optimizing resource consumption while improving the overall efficiency of the process. The resultant revolution brought forward the concept of cyber-physical production systems. Furthermore, industries within the private sector have integrated artificial intelligence with their traditional production processes as Cobots (collaborative robots), thus introducing the concept of Autonomous Cyber-Physical Production Systems. Although these systems maximize the production or manufacturing process while efficiently using the available resources, the machine learning component integrated into the traditional cyber-physical production system brings about trust-related issues due to its possible lack of predictability and transparency. Implementing trust-related attributes within autonomous cyber-physical production systems alone cannot overcome the highlighted problem. Therefore, a detailed risk assessment is required to identify and assess any trust-related risks in the system, especially at the early stages of the software development life cycle, to avoid major incidents and reduce maintenance costs. Based on the above-stated facts, this research proposes a model-based risk assessment technique for evaluating the trustworthiness of autonomous cyber-physical production systems. The proposed technique focuses on the identification and assessment of trust-related risks originating from the dynamic behavior of the machine learning component in autonomous cyber-physical production systems. For this, we use existing standards and techniques proposed for risk assessment in cyber-physical production systems as common ground to facilitate better implementation of trustworthiness in autonomous cyber-physical production systems. The proposed technique is aimed at overcoming the structural and behavioral limitations reported in existing model-based risk assessment techniques when dealing with autonomous cyber-physical production systems.

<p>  </p> <p>Manufacturing flexibility and human-centered designs are promising approaches to face the demand for individualized products. Human-robot assembly cells still lack flexibility and adaptability (VDI, 2017) using static control architectures (Bessler et al., 2020). Autonomous adaptation to human operators in short time horizons increases the willingness to work with cobots. Besides, monotonous static assembling in manufacturing operations does not accommodate the human way of working. Therefore, Human-Robot Collaboration (HRC) workstations require a work behavior adaptation accommodating varying work behavior regarding human mental and physical conditions (Weiss et al., 2021). The thesis presents the development of a cyber-physical HRC assembly station.</p> <p>Moreover, the thesis includes an experimental study investigating the influence of a cobot’s speed on human work behavior. The Cyber-Physical System (CPS) integrates the experiment's findings with event-based software architecture and a semantic knowledge representation. Thereby, the work focuses on demonstrating the feasibility of the CPS and the semantic model, allowing the self-adaptation of the system. Finally, the conclusion identifies the need for further research in human work behavior detection and fuzzy decision models. Such detection and decision models could improve self-adaptation in human-centered assembly systems.</p>

Aktuelle ökonomische Trends, wie die zunehmende Globalisierung und die wachsende Technisierung und Individualisierung vieler Konsumgüter, führen im Hinblick auf die zur Fertigung dieser Güter eingesetzte Automatisierungstechnik zu steigender Komplexität und hohen Flexibilitätsanforderungen. Ein Konzept zur Adressierung dieser Anforderungen ist die Auslegung von automatisierten Anlagen als modulares System flexibel kombinierbarer cyber-physischer Komponenten. Die namensgebende Einheit von mechatronischem Bauteil und lokaler Rechenkapazität ermöglicht Herstellern solcher Komponenten, Softwarebausteine für typische Steuer-, Bedien- oder Diagnoseaufgaben gebrauchsfertig vorzubereiten und so den (Re-)Engineeringaufwand bei der (Um-)Gestaltung des Gesamtsystems deutlich zu reduzieren. Allerdings stellt diese Vision hohe Ansprüche an die zugrundeliegende Softwarearchitektur, die von den derzeit zur Realisierung automatisierter Systeme eingesetzten Technologien nicht vollständig erfüllt werden. Das Paradigma der Agentenorientierung ist ein tragfähiger Ansatz zur Realisierung solcher lose gekoppelten verteilten Systeme und stellt durch leistungsfähige Interaktionsmechanismen sowie die enge Integration von semantischem Wissen zusätzliche Funktionalität in Aussicht: Als Agenten ausgelegte Komponenten könnten auch die logische Vernetzung untereinander während der Inbetriebnahme, nach Umrüstungen oder in Reaktion auf Betriebsstörungen teilweise selbst übernehmen. Dadurch ergeben sich Fähigkeiten wie Selbstkonfiguration und Selbstregeneration, die in der Fachliteratur unter dem Begriff Self-X zusammengefasst werden. Die fehlende Echtzeitfähigkeit, insbesondere in Bezug auf besagte Interaktionsmechanismen, hat jedoch bisher die Einsetzbarkeit von Agentensystemen in der Automatisierung limitiert und die Ausschöpfung der genannten Potentiale behindert. Deshalb wird in dieser Dissertation eine echtzeitfähige Laufzeitumgebung für Softwareagenten entworfen und anschließend die Überarbeitung bestehenden Kommunikationsmechanismen im Hinblick auf ihre Echtzeitfähigkeit vorgenommen. In diesem Kontext wird mit dem Konzept der semantischen Adressierung eine vielfältig einsetzbare Möglichkeit geschaffen, Nachrichten an ausgewählte Gruppen von Agenten mit bestimmten, semantisch beschriebenen Eigenschaften zur verschicken. Die dabei zur Wissensrepräsentation genutzten Taxonomie-Bäume bieten ein für viele Aufgabenstellungen ausreichendes Maß an Ausdrucksstärke und erlauben zudem die Verarbeitung unter harten Echtzeitbedingungen. Abschließend werden die geschaffenen Mechanismen in einem Antwortzeitmodell abgebildet, mit dem das rechtzeitige Reagieren eines Agentensystems auf lokal oder verteilt zu behandelnde Ereignisse überprüft und nachgewiesen werden kann. Damit wird ein Hauptkritikpunkt von Agentensystemen adressiert, was zu einer nachhaltigen Steigerung der Akzeptanz des Agentenparadigmas führen könnte. Während große Teile der erarbeiten Lösung als allgemeingültige Grundlagenforschung verstanden werden können, wird bei der Formulierung von Anforderungen, der Darstellung von Beispielen und der Erläuterung von Entwurfsentscheidungen immer wieder auf automatisierungstechnische Belange Bezug genommen. Außerdem wird am Ende der Arbeit eine kritische Bewertung der Ergebnisse vor dem Hintergrund eines möglichen Einsatzes in zukünftigen Automatisierungssystemen durchgeführt und damit das Gesamtbild abgerundet.

Aktuelle ökonomische Trends, wie die zunehmende Globalisierung und die wachsende Technisierung und Individualisierung vieler Konsumgüter, führen im Hinblick auf die zur Fertigung dieser Güter eingesetzte Automatisierungstechnik zu steigender Komplexität und hohen Flexibilitätsanforderungen. Ein Konzept zur Adressierung dieser Anforderungen ist die Auslegung von automatisierten Anlagen als modulares System flexibel kombinierbarer cyber-physischer Komponenten. Die namensgebende Einheit von mechatronischem Bauteil und lokaler Rechenkapazität ermöglicht Herstellern solcher Komponenten, Softwarebausteine für typische Steuer-, Bedien- oder Diagnoseaufgaben gebrauchsfertig vorzubereiten und so den (Re-)Engineeringaufwand bei der (Um-)Gestaltung des Gesamtsystems deutlich zu reduzieren. Allerdings stellt diese Vision hohe Ansprüche an die zugrundeliegende Softwarearchitektur, die von den derzeit zur Realisierung automatisierter Systeme eingesetzten Technologien nicht vollständig erfüllt werden. Das Paradigma der Agentenorientierung ist ein tragfähiger Ansatz zur Realisierung solcher lose gekoppelten verteilten Systeme und stellt durch leistungsfähige Interaktionsmechanismen sowie die enge Integration von semantischem Wissen zusätzliche Funktionalität in Aussicht: Als Agenten ausgelegte Komponenten könnten auch die logische Vernetzung untereinander während der Inbetriebnahme, nach Umrüstungen oder in Reaktion auf Betriebsstörungen teilweise selbst übernehmen. Dadurch ergeben sich Fähigkeiten wie Selbstkonfiguration und Selbstregeneration, die in der Fachliteratur unter dem Begriff Self-X zusammengefasst werden. Die fehlende Echtzeitfähigkeit, insbesondere in Bezug auf besagte Interaktionsmechanismen, hat jedoch bisher die Einsetzbarkeit von Agentensystemen in der Automatisierung limitiert und die Ausschöpfung der genannten Potentiale behindert. Deshalb wird in dieser Dissertation eine echtzeitfähige Laufzeitumgebung für Softwareagenten entworfen und anschließend die Überarbeitung bestehenden Kommunikationsmechanismen im Hinblick auf ihre Echtzeitfähigkeit vorgenommen. In diesem Kontext wird mit dem Konzept der semantischen Adressierung eine vielfältig einsetzbare Möglichkeit geschaffen, Nachrichten an ausgewählte Gruppen von Agenten mit bestimmten, semantisch beschriebenen Eigenschaften zur verschicken. Die dabei zur Wissensrepräsentation genutzten Taxonomie-Bäume bieten ein für viele Aufgabenstellungen ausreichendes Maß an Ausdrucksstärke und erlauben zudem die Verarbeitung unter harten Echtzeitbedingungen. Abschließend werden die geschaffenen Mechanismen in einem Antwortzeitmodell abgebildet, mit dem das rechtzeitige Reagieren eines Agentensystems auf lokal oder verteilt zu behandelnde Ereignisse überprüft und nachgewiesen werden kann. Damit wird ein Hauptkritikpunkt von Agentensystemen adressiert, was zu einer nachhaltigen Steigerung der Akzeptanz des Agentenparadigmas führen könnte. Während große Teile der erarbeiten Lösung als allgemeingültige Grundlagenforschung verstanden werden können, wird bei der Formulierung von Anforderungen, der Darstellung von Beispielen und der Erläuterung von Entwurfsentscheidungen immer wieder auf automatisierungstechnische Belange Bezug genommen. Außerdem wird am Ende der Arbeit eine kritische Bewertung der Ergebnisse vor dem Hintergrund eines möglichen Einsatzes in zukünftigen Automatisierungssystemen durchgeführt und damit das Gesamtbild abgerundet.