Forschungsprojekt Smart Logistics

Fördersysteme für sich selbst organisierende Warenströme und Produktionsprozesse (ROLLE)

Intelligente Fördertechnik spielt in der vernetzten Produktion eine zentrale Rolle. Auf diese Herausforderungen sind Wissenschaft und Wirtschaft bestens vorbereitet: Professor Martina Lehser und ihr Team vom Embedded Robotic Lab der htw saar entwickeln gemeinsam mit Professor Matthias Nienhaus vom Lehrstuhl für Antriebstechnik der Universität des Saarlandes und Partnern aus der Wirtschaft  autarke Förderrollen, die mitdenken, untereinander kommunizieren und nach dem „Plug & Play“-Prinzip ersetzt werden können. 

Über Fördersysteme in der Intralogistik zu schreiben, erinnert ein bisschen an die Gigantomanie beim Autoquartettspielen in Kindertagen. Sanicare, einer der ersten Versandapotheken Deutschlands, kommissioniert 10.000 Sendungen pro Tag mit insgesamt 59.500 Positionen. Am Frankfurter Flughafen laufen 18.000 Gepäckstücke pro Stunde durch 2.420 Kurven. Und wer macht den Stich? Amazon. An einem Spitzentag im Dezember verkauft Amazon weltweit rund 426 Artikel pro Sekunde. Dass in den Versandzentren dabei unterschiedlichste Artikel wie Carver Ski von 1,90 Meter zusammen mit Katzenfutter im Minibeutel kommissioniert werden oder Heimkinosysteme mit Perlenohrringen auf die Reise gehen, lässt Logistiker kalt. Dennoch: allen oben genannten ist gemein, dass hinter den Warenströmen ein ungeheurer logistischer Aufwand steckt. Schließlich gilt es, Durchlaufzeiten zu minimieren, bei steigender Flexibilität und Wandelbarkeit. Und was geschieht, wenn die Bänder stehen bleiben? Wenn sie wegen eines Defekts ausfallen und sich die Waren türmen?

Fördertechnik heute
Bei rollenbasierten Fördersystemen der Gegenwart werden notwendige Funktionen wie Antriebstechnik, Sensorik und Logik meist von einer zentralen Recheneinheit gesteuert. Auf Änderungen vor Ort spontan und flexibel zu reagieren, ist kaum möglich und erfordert einen hohen personellen und zeitlichen Aufwand. Aus diesem Grund laufen die teils  kilometerlangen, starr verlaufenden Förderrollenanlagen der großen Logistiker 24 Stunden am Tag durch, unabhängig von ihrer Auslastung. Abgesehen vom Energieverbrauch und der Lärmemission erzeugt dieser Dauerbetrieb einen erhöhten Verschleiß, der zu unvorhersehbaren Ausfällen führt. Obendrein werden die Rollen meist in Gruppen von 10 bis 16 Rollen gemeinsam von einem Elektromotor über Riemen angetrieben und zu langen, starren Förderketten zusammengestellt. Fällt ein Motor aus, bleibt die ganze Gruppe von hintereinanderliegende Rollen stehen und der Warenstrom droht hängenzubleiben.

Flexibilität durch intelligente, flexible Systeme
Professor Martina Lehser und ihr Team vom Embedded Robotic Lab der htw saar arbeiten gemeinsam mit Professor Matthias Nienhaus vom Lehrstuhl für Antriebstechnik der Universität des Saarlandes und Partnern aus der Wirtschaft an einer neuartigen Lösung für sich selbst organisierende Waren- und Materialflüsse im Sinne von „Industrie 4.0“. Dazu werden autarke, „intelligente“ Förderrollen entwickelt, die mitdenken, untereinander kommunizieren und nach dem „Plug & Play“-Prinzip ersetzt werden können.

Jede einzelne Förderrolle verfügt dafür über ein eingebettetes System. Die Hardware besteht aus einem energieeffizienten Elektroantrieb, einer in den Elektroantrieb integrierbaren Ansteuerelektronik, sowie einem hochleistungsfähigen Mikrocontroller. Als Software stellt ein   Netzwerkbetriebssystem sicher, dass neben der gemeinsamen „Sprache“ auch die Datensicherheit und Robustheit gewährleistet ist.

Jede Förderrolle ist dank dieser Ausstattung in der Lage, gleichzeitig komplexe Motor-, Generator- und Sensoreigenschaften zu übernehmen, inklusive einer Selbstdiagnose.

Die denkende Rolle der Zukunft: smart, vernetzt, flexibel
Die „denkende“ Rolle der Zukunft fühlt aktiv, wenn sie mit dem zu fördernden Gut in Kontakt kommt, sie kann Auskunft über Größe und Gewicht des Rollgutes geben, das Transportgut weiter befördern und reagiert auf diese Anforderung stets in Echtzeit situationsgerecht und selbständig. Sie passt ihre Geschwindigkeit der erforderlichen Durchlaufzeit des Systems an, stimmt das Gewicht des Transportgutes mit den Kollegen rechts und links neben ihr ab und meldet rechtzeitig erhöhten Verschleiß oder ihren Totalausfall. Mit der Folge, dass die Waren nicht stecken bleiben, da der Ausfall lokal auf eine Rolle beschränkt bleibt. Sollten mehrere Förderrollen zeitgleich ausfallen, wird dies mit hoher Wahrscheinlichkeit an unterschiedlichen Orten im Förderrollensystem geschehen, so dass auch in solchen Fällen kein Systemausfall zu befürchten ist. Selbst wenn jede zweite Förderrolle ausfallen sollte – was bei einem großen Förderrollensystem gut und gerne 10.000 Rollen ausmachen kann – würde der Betrieb der Förderrollenanlage durch die verbleibenden funktionsfähigen Rollen aufrechterhalten, die sich sofort der höheren Belastung anpassen. Da jede Förderrolle dezentral über alle erforderlichen Managementfunktionen verfügt, können sie im Handumdrehen ausgetauscht werden. Neue Förderrollen melden sich im System an und nehmen ohne Verzögerung ihre Arbeit auf.

Smart kommissionieren im Sinne 4.0
Der Umstieg von Förderrollengruppen auf autonome Förderrollen mit eigenem Antrieb und sensorbasierter Mikroprozessorsteuerung erlaubt einen Wechsel vom derzeitig üblichen Dauerbetrieb zum zukünftigen bedarfsorientierten dezentralen Betrieb. Dadurch kann in erheblichem Umfang elektrische Energie eingespart werden, da nur noch die gerade benötigten Förderrollen dank sensorischer und kommunikativer Vernetzung aktive Transportarbeit verrichten. Die gerade nicht benötigten Förderrollen wechseln in den Energiesparmodus und können dabei restliche Bewegungsenergie über Rekuperation wieder in elektrische Energie zurückwandeln.

Aufgrund der Selbstdiagnosefähigkeiten des Ansteuerverfahrens kann ein Totalausfall weitestgehend ausgeschlossen werden. Wartungsarbeiten können so abhängig von Auftragslage und Durchlaufzeiten terminiert werden. Instandhaltungsteams, die bis dato rund um die Uhr vor Ort bereitstehen mussten, können reduziert bzw. gezielter eingesetzt werden.

Autonome Transportlösungen für Übermorgen
Aufbauend auf den Grundlagen eines intelligenten Förderrollensystems arbeitet das Forscherteam ergänzend an der Umsetzung autonomer Transportlösungen, bei denen sich prototypisch Transportroboter und Menschen in einem Raum koordiniert aber völlig frei bewegen. Für die Beteiligten ist dies nur ein weiterer konsequenter Schritt hin zur Smart Factory. Weg von starren Rollensystemen hin zu frei im Raum beweglichen autonomen Transportsystemen. Dadurch lassen sich Warenströme nahezu beliebig an stark variierende Bedarfe anpassen und müssen nicht entlang von geometrisch vorgegebenen Wegen befördert werden, die z.B. für den eigentlichen Bearbeitungsprozess gar nicht erforderlich wären. Bei der Entwicklung des Transportroboters greift das Team dabei auf sensorbasierte Elektroniksysteme zurück, die derzeit für selbstfahrende Automobile während der Laufzeit des Projekts sukzessive verfügbar werden und so die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten interdisziplinär befördern.

Perspektiven innovativer Forschung
Besonderen Wert legt das Forscherteam auf die wirtschaftliche Verwertung. Zum Ende der Projektlaufzeit 2018 ist eine konkrete wirtschaftliche Verwertung der erarbeiteten autonomen Förderrollen und Auswertung der Feldversuche vorgesehen. Auch das erarbeitete Netzbetriebssystem und das erforschte und ausgebaute Ansteuerverfahren nebst weiter entwickeltem Motorcontroller mit Leistungsstufe werden Anwendungen auch jenseits der im Projekt konkret adressierten Problemstellung finden.

Steckbrief Forschungsprojekt „ROLLE“
Verbundvorhaben im Rahmen des BMBF-Schwerpunktes „Sensorbasierten Elektroniksystemen für Anwendungen für Industrie 4.0 (SElekt I4.0)"

Projektlaufzeit: 1.11.2015 – 31.10.2018

Beteiligte Forschungseinrichtungen:
UdS, Prof. Dr. Matthias Nienhaus (Verbundkoordinator); htw saar, Prof. Dr. Martina Lehser

Beteiligte Projektpartner: Wellgo Gerätetechnik, Nohfelden; Micronas, Freiburg; HighTec EDV-Systeme, Saarbrücken.

Innovation für Deutschland - Die neue Hightech Strategie Bundesministerium für Bildung und Forschung

Mehr Informationen zu Frau Prof. Dr. Martina Lehser und zum Embedded Robotics Lab finden Sie unter:

http://www.htwsaar.de/htw/ingwi/fakultaet/personen/profile/lehser

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