Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder
Lehrstuhl für Automatisierung und Informationssysteme (AIS)
Fakultät für Maschinenwesen, Technische Universität München
Was sich hinter dem Hype um Industrie 4.0 versteckt
©A
IS
„myJoghurt“
Joghurtproduktion mit cyber-physischen Produktionssystemen
.at
Vorstellung des Lehrstuhls
Mitarbeiter
• 20 wissenschaftliche Mitarbeiter
• 9 Mitarbeiter Technik und Administration
Lehrveranstaltungen
• Grundlagen Informationstechnik
(1. und 2. Sem., 8 ECTS)
• Modellbildung und Simulation (ab 5. Sem., 5 ECTS)
zuzüglich Praktikum (4 ECTS)
• Automatisierungstechnik I, II
(I B.Sc. ab 5. Sem., II M.Sc., 5 ECTS)
zuzüglich Praktikum (4 ECTS)
• Industrielle Software-Entwicklung für Ingenieure I, II
(I B.Sc. ab 5. Sem./ II M.Sc., 5 ECTS) zuzüglich
Praktikum (4 ECTS)
• Entwicklung intelligenter verteilter eingebetteter
Systeme in der Mechatronik (ab 5. Sem., 5 ECTS)
zuzüglich Praktikum (4 ECTS)
Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder 2
Forschungsgebiete des Lehrstuhls
Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder
Agent
Diagnose-
modul
Steuerungs-
modul
Umwelt-
modul
Rekonfigura-
tionsmodul
Anlagenkomponente/ -modul
Operationsbe-
reitstellung
Interaktion
AusführungRedundanz
Verfeinerung
Evaluation
Sensoren Aktoren
CoDeSys 2.3
CoDeSys 3.4
IEC 61131-3 Editor
ASFBS
ST
AWLLD r1SINMUL 1000.0ST sinus
CFC
CFC/ST (TwinCAT)
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
0
0,0
2
0,0
4
0,0
6
0,0
8
0,1
0,1
2
0,1
4
0,1
6
0,1
8
t
Codegenerator
Constant1Constant2
fbTransfer_Fcn
Transfer_Fcn
LRIn LROut
Gain Sum
Out11MUL MUL ADD
0 Product2 3
41
SFC/ST (TwinCAT)
Zu
sta
nd
t
Blockdiagramm
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
0
0,0
2
0,0
4
0,0
6
0,0
8
0,1
0,1
2
0,1
4
0,1
6
0,1
8
t
Simulink
1
Out1
1
z
Unit Delay
1
Constant2
Gain
1X
Product
0.00995017
Z-0.99005
TransferFcn
1
Constant1
++
Stateflow
Step1/
Move_To(destination);
Stop
function
Move_To(Queue)
[destination==0]
[destination==1]
Zu
sta
nd
t
MATLAB/Simulink
UML-Editor (CoDeSys 3.4)
AktivitätenManufacturing Marketing and Sales Acquisition
Offer
Market prognosis
Purchase
Manufacture
Delivery
Marketing
Selling
Request
Negotiation
Offer
Product planning
Product design
Product implementation
Further development
Product maintenance
Spare parts maintenance
Customer’s needs
Product(planned)
Product(designed)
Product(in product set)
Product(closed down)
Zustände
Initialize
Crane 2
Stamp 1
homing crane_initializedP1homing_done
P1
true
P1
Initialize stamp_initializedP1
stamp_
init_done
P1true
P1
stamp_error_occured crane_error_occured
P1
start_pressed
P1
stamp_error
P1
start_pressed
P2
crane_error
ready_for_autoP3
automatic
sort_light
P2
WP_light
P1
ready
sort_non_light
P2
not_WP_
light
P1
ready
P1
P1
mode=auto
<<InCycle>
EmergencyStop
P1
start_pressed
P1
Estop_pressed
resolveEstop()
Wait_for_Start
ENTRY()
P1
P1
start_
pressed
true
P1
Klassen
Customer
Shipment
Vendor
Shipment
Customer
Shipment
Order
0..*
1..*
delivers
order
nr.
1..* 0..*
placesLineItem
1 1..*
serial
no.
Product
Product
Location
0..*
1..*
0..*
1
Custom
Product
Vendor
Product
0..1 2..*
Codegenerierung
Mapping
Human Factors
Rekonfigurierbare verteilte SystemeModell-basierte Entwicklung
Qualitätsmanagement /Safety
Kontinuierliche thermo-hydraulische
Presse in der Holzindustrie
Distanz
Druck
R&I-Fließbild
3
1. Motivation: Cyber-Physische Produktionssysteme
2. Fallstudie I: Verteilte Rekonfiguration der Produktion in myJoghurt
3. Fallstudie II: Roboterkooperation mit Agentennetzwerk RIAN
4. Unterstützung des Menschen in Cyber-Physical Systems
5. Lessons Learned – Industrie 4.0- Agentenbasierte Migration
6. Ausblick und Zusammenfassung
Was sich hinter dem Hype um Industrie 4.0 versteckt
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IS
„myJoghurt“
Joghurtproduktion mit cyber-physischen Produktionssystemen
4
Zeitleiste der „industriellen Revolutionen“
Von Industrie 1.0 bis Industrie 4.0
Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder 5
Gegenüberstellung
Cyber-Physical Systems und Automatisierungstechnik
Quelle (links): M. Broy: Das Internet – Innovation ohne Grenzen. Vortrag in: Netzdialog Bayern, München, 2001.
Quelle (rechts): B. Vogel-Heuser, G. Kegel, K. Bender und K. Wucherer: Global Information Architecture for Industrial Automation. In:
Automatisierungstechnische Praxis (atp), Jahrgang 51 (2009), Heft 1, S. 108-115.
Cyber-Physical
Systems
Intelligente
Embedded Systems
Intelligente und
Kooperative Embedded
Systems
Systems of Systems
Embedded Systems
Informationsmodell
Produktionsprozess
Enterprise Resource Planning (ERP)
Automatisierungstechnik
Cyber-Physical Systems
Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder
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IS
weltweit verfügbare Daten und Dienste nutzen
6
• Cyber-Physical Systems (CPS) umfassen typischerweise eingebettete
Systeme (als Teil von Geräten, Gebäuden, Verkehrsmitteln,
Verkehrswegen, Produktionsanlagen, Logistik- und
Managementprozessen, etc.), die
– mittels Sensoren und Aktoren unmittelbar physikalische Daten
erfassen und auf physikalische Vorgänge einwirken,
– mit digitalen Netzen verbunden sind (drahtlos, drahtgebunden, lokal,
global),
– weltweit verfügbare Daten und Dienste nutzen
– und über eine Reihe multimodaler Mensch-Maschine-Schnittstellen
(dediziert in Geräten, unspezifisch etwa über Browser, etc.)
verfügen.
Begriffsklärung Cyber-Physical Systems
Quelle: M. Broy (Hrsg.): Cyber-Physical Systems. Innovation durch Software-Intensive Eingebettete Systeme. acatech diskutiert. Springer-Verlag, Berlin,
Heidelberg 2010
Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder
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7
Datenaufbereitung,
Datenintegration für den
Menschen
Assistenzsysteme für das
Engineering
Datenanalyse von Prozess- und
Alarmdaten und Verknüpfung mit
Engineeringdaten
Bereitstellung notwendiger Daten
für Konfiguration, Produktion,
Verhandlung
Technische Merkmale von CPS für die Produktion (ProCPS)
Datendurchgängigkeit über verschiedene
„Stakeholder“ in verschiedenen
Engineeringphasen und -gewerken
Architekturmodelle
(Referenzarchitektur) für eine Klasse von
Aggregaten/Modulen in Bezug auf
Eigenschaften, Fähigkeiten, Schnittstellen…
Beschreibung von Produkt- und
Betriebsmitteln, z.B. Ontologien, zur
eigenständigen Analyse, Darstellung, Organisation
und Ausführung eines Produktionsablaufes
Produktionseinheiten mit inhärenten
Fähigkeiten
Digitale Netze und Schnittstellen für die
Kommunikation (zwischen Geräten, Mensch und
Anlage, Anlage und Anlage)
Weltweite Verteilung von Daten, hohe
Verfügbarkeit, Zugriffsschutz Flexible Produktionseinheiten,
adaptierbar auf geänderte
Produktanforderungen, erlauben auch
strukturelle Änderungen
CPS
Marktplatz
der
Produktions-
einheiten
In Anlehnung: B. Vogel-Heuser, G. Bayrak, U. Frank: Forschungsfragen in "Produktautomatisierung der Zukunft". acatech Materialien. 2012.
Kommunikation und
Datendurchgängigkeit
Intelligente Produkte und
Produktionseinheiten
Datenaufbereitung für den Menschen
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1. Motivation: Cyber-Physische Produktionssysteme
2. Fallstudie I: Verteilte Rekonfiguration der Produktion in myJoghurt
3. Fallstudie II: Roboterkooperation mit Agentennetzwerk RIAN
4. Unterstützung des Menschen in Cyber-Physical Systems
5. Lessons Learned – Industrie 4.0- Agentenbasierte Migration
6. Ausblick und Zusammenfassung
Was sich hinter dem Hype um Industrie 4.0 versteckt
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„myJoghurt“
Joghurtproduktion mit cyber-physischen Produktionssystemen
9
Offener Demonstrator für die individuelle Joghurtproduktion
„myJoghurt“
Produktionsanlage
Simulierte Produktion
Joghurtherstellung
Joghurtveredelung
Deckelgravierung
Abfüllung
Beschreibung der Symbole
CPS
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AK
,IF
AT
,IA
S
Customer Agent
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 10
Offener Demonstrator für die individuelle Joghurtproduktion
„myJoghurt“
CPS
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IS,IF
AK
,IF
AT
,IA
S
Customer Agent
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser 11
Produktionsanlage
Simulierte Produktion
Joghurtherstellung
Joghurtveredelung
Deckelgravierung
Abfüllung
Beschreibung der Symbole
Kundenportal „my joghurt“
Individuelle Joghurtkonfiguration,
z.B. hinsichtlich:
• Geschmack
• Menge
• Topping
• Verpackung
• Versand
• …
• Konfiguration über Web-App
• über Desktop-PC und mobile
Endgeräte
(plattformunabhängig)
• Einholen von Angeboten und
anschließende Auswahl
möglich
• Individuell anpass- und
erweiterbar
CPS
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IS,IF
AK
,IF
AT
,IA
S
Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder 12
Ablauf der Produktionssteuerung
Ablaufplan (neu) erstellen
Kosten und Termine für Teilaufträge von Anlagen einholen
Teilaufträge (neu) vergeben
Produktion beobachten (Operator und Kunde)
Automatische Störungsbehandlung
Statusinformationen versenden
z.B.
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AK
,IF
AT
,IA
S
CPS
Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder
Kunde erteilt Auftrag
Auftrag in Teilaufträge aufteilen
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Anbieter-Agent
Demonstrator B
Anlagenagent
Demonstrator A
Anlagenagent
Demonstrator C
Anlagenagent
Agentenverzeichnis
Agent A: Adresse AAgent B: Adresse B
Diensteverzeichnis
Agent A: Fähigkeit 1, Fähigkeit 2Agent B: Fähigkeit 2, Fähigkeit 3
Lokales Netzwerk oder Internet
Koordinations-Agent
Fähigkeit 1: Botschaft A, B, C, D, EFähigkeit 2: Botschaft X, Y, Z
Botschaftsverzeichnis (ACL)
I4.0 Cloud
CP
PS
A
CP
PS
B
CP
PS
C
I4.0 Agentensystem
z.B
. OP
C
z.B
. C++
Kunden-Agent
Agent Management System (AMS) Directory Facilitator (DF)
Message Transport System (MTS)
z.B. C# z.B. C++
z.B. IEC 6113-3
Kommunikation zwischen mehreren CPPS mittels Agenten
Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder
Quelle: D. Pantförder, F. Mayer, C. Diedrich, P. Göhner, M. Weyrich, B. Vogel-Heuser: Agentenbasierte dynamische Rekonfiguration von vernetzten intelligenten
Produktionsanlagen – Evolution statt Revolution. In: Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik, Springer, 2014.
Kunden-Agent
CPS
©A
IS,IF
AK
,IF
AT
,IA
S
14
Szenario: Selbstadaption in einer Produktionsanlage
Auslagern
Transportieren
Befüllen1
Transportieren
Befüllen2
Einlagern
Transportieren
Anbieter-
Agent
Kunden-
Agent
Agent Management System (AMS)
Agent B
Agentenverzeichnis
Agent A: Adresse A
Lokales Netzwerk
oder Internet
Plattform B
Helle Schokolade
Kunden-
Agent
Directory Facilitator (DF)
Diensteverzeichnis
Agent A: Fähigkeit 1, Fähigkeit 2
Message Transport System (MTS)
Fähigkeit 1: Botschaft A, B, C, D, E
Botschaftsverzeichnis (ACL)
Plattform A
Dunkle Schokolade
Agent A
Service-
Agent
Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder
Quelle: B. Vogel-Heuser: Herausforderungen und Anforderungen aus Sicht der IT und der Automatisierungstechnik. In: Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik, Springer, 2014.
CPS
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15
Modelle zur Klassifizierung von Produkten & Prozessen
B13
B11
B12
B14
JoghurtherstellungO11
DeckelgravierungO13
P1 P2
P7
P8
P3
GäranlageT11
MischanlageT12
FräsanlageT13
P4
JoghurtveredelungO12
AbfüllungO14
P5
P9
P6
AbfüllanlageT14
P10
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IS,IF
AK
,IF
AT
,IA
S
Gravierter Deckel
Caps or Tops
Bottles
Packing materials
Handling and Conditioning,
…
Product
CPS
z.B. nach UNSPSC
Quelle: Diedrich C, Fay A, Grützner J, Göhner P, Vogel-Heuser B, Weyrich M, Wollschlaeger M (2013) Automatisierungstechnischer
Forschungsanlagenverbund für Industrie 4.0. Markt&Technik. Summit Industrie 4.0, München
Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder 16
Multi-Agenten basierte CPPS-Architektur
Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder
CPPS Agent Management System
Agent A: Adresse AAgent B: Adresse B
CPPS Compound (Multi-Agent System)Customer
Agent
CPPS Directory Facilitator
Agent A: Cap1, Cap2Agent B: Cap2, Cap3
CPPS Cloud (Infrastructure)
CPPS A (PLC)
SysAgent
CommAgent
PLC Interface
ProcAgent A
MAS ITF
Plant Agent
CPPS D (C)
C
CPPS C (JADE)
Plant Agent B
AMS
MTS
DF
CPPS ITF
JADE InterfaceJULE Interface
AMS
MTS
DF
MES Agent
CPPS ITF
PLC ITF
CPS B (C#)
Module Agent n
Module Agent 1
DeviceAgent
CPS E (C)„Smart Device“
Prod. System A Prod. System DProd. System CService Provider
Demonstrator A Demonstrator B Demonstrator C
CoordinationAgent
CPPS Message Transport System
Agent A, Message AAgent 3, Message D
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AK
,IF
AT
,IA
S
CPS
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1. Motivation: Cyber-Physische Produktionssysteme
2. Fallstudie I: Verteilte Rekonfiguration der Produktion in myJoghurt
3. Fallstudie II: Roboterkooperation mit Agentennetzwerk RIAN
4. Unterstützung des Menschen in Cyber-Physical Systems
5. Lessons Learned – Industrie 4.0- Agentenbasierte Migration
6. Ausblick und Zusammenfassung
Was sich hinter dem Hype um Industrie 4.0 versteckt
Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder
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„myJoghurt“
Joghurtproduktion mit cyber-physischen Produktionssystemen
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Robot Integrated Agent Network (RIAN)
Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder
• Nutzung der Synergien und Kernkompetenzen mehrerer
Unternehmen zur Herstellung eines individualisierten
Flaschenöffners
• Gemeinsame Live-Produktion mit heterogenen
Steuerungsarchitekturen
– unterschiedlichster Steuerungshardware
– Verschiedene Betriebssysteme (Windows, Fanuc-OS,
Linux)
– Herstellung verschiedenster Produkte
• Robot Integrated Agent Network (RIAN) vernetzt
Anlagen auf Steuerungsebene
– Verknüpfung verschiedener Produktionsschritte
– Auftragsmanagement durch Agentennetzwerk
– Vernetzung der Messestände über Intranet und Roboter-
Transportsystem
Mobiler AIS-Roboter
Individualisierter
Flaschenöffner
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Adaption der Architektur für Roboterkooperation
Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder
Laser-bearbeitung
Spritz-gießen Verpack-
ung
Lager Laser-Gravieren
Me
sse
stän
de
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ar-
be
itu
ngs
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Mein Text
Kunde
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Koor-dinator
Schunk Reis Fanuc Fanuc Beckhoff/AIS
Stat
us
Au
ftra
g
CPSCPSCPS
Anlage Anlage Anlage Anlage AnlageRoboter
CPS
Datenaufbereitung
für den MenschenKommunikation und
Datendurchgängigkeit
Intelligente Produkte
und Produktionseinheiten
Architekturmodell
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1. Motivation: Cyber-Physische Produktionssysteme
2. Fallstudie I: Verteilte Rekonfiguration der Produktion in myJoghurt
3. Fallstudie II: Roboterkooperation mit Agentennetzwerk RIAN
4. Unterstützung des Menschen in Cyber-Physical Systems
5. Lessons Learned – Industrie 4.0- Agentenbasierte Migration
6. Ausblick und Zusammenfassung
Was sich hinter dem Hype um Industrie 4.0 versteckt
Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder
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„myJoghurt“
Joghurtproduktion mit cyber-physischen Produktionssystemen
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Aufbereitung für den Menschen
22Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder
• Integration der unterschiedlichen Daten zu
nutzbringenden Informationen auf Basis von Wissen
und Erfahrung
Hohe Belastung des Anlagenbedieners
Steigende Fehlerrate bei der Prozessbedienung
Wie kann der Mensch besser unterstützt werden?
• Steigende Flexibilität in der Produktion
• Steigende vertikale und horizontale Vernetzung
• Intelligente Gerätetechnik
• Weltweit und jederzeit verfügbare Daten
Flut von Prozessinformationen
Verbesserte
ProzessvisualisierungTraining
Situation durch CPS
Handlungsempfehlungen
Szenario: Informationsaggregation für die Wartung
Rolle-Kontext-Individuum HMI mit AR und Touch
• Touch-Interaktionsgestützte
Gestensteuerung auf mobilen
Endgeräten
• Augmented Reality zur
Unterstützung bei Wartung,
Optimierung und
Instandhaltung von
industriellen Anlagen
Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder
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CPS
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1. Motivation: Cyber-Physische Produktionssysteme
2. Fallstudie I: Verteilte Rekonfiguration der Produktion in myJoghurt
3. Fallstudie II: Roboterkooperation mit Agentennetzwerk RIAN
4. Unterstützung des Menschen in Cyber-Physical Systems
5. Lessons Learned – Industrie 4.0- Agentenbasierte Migration
6. Ausblick und Zusammenfassung
Was sich hinter dem Hype um Industrie 4.0 versteckt
Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder
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„myJoghurt“
Joghurtproduktion mit cyber-physischen Produktionssystemen
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1. Motivation: Cyber-Physische Produktionssysteme
2. Fallstudie I: Verteilte Rekonfiguration der Produktion in myJoghurt
3. Fallstudie II: Roboterkooperation mit Agentennetzwerk RIAN
4. Unterstützung des Menschen in Cyber-Physical Systems
5. Lessons Learned – Industrie 4.0- Agentenbasierte Migration
6. Ausblick und Zusammenfassung
Was sich hinter dem Hype um Industrie 4.0 versteckt
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„myJoghurt“
Joghurtproduktion mit cyber-physischen Produktionssystemen
26
• Kein direkter Eingriff in den Anlagenablauf
• Konfiguration der Schnittstelle durch Anlagenbetreiber
ermöglicht Anbindung aller nachgelagerten
Steuerungen
• Agenten-Starterkit bietet Möglichkeit zur Anbindung
eigener Anlage
– Verbindung von zentralisierter und dezentralisierter
Kommunikation
– Implementierung direkt auf Steuerungsebene ermöglicht
Echtzeitkommunikation bei entsprechendem Feldbus
– Kapselung der Steuerungs- und Prozessdaten
• Schnittstelle zum Agentennetzwerk sichert das
Unternehmens-Know-How
• Schnittstelle kann durch Unternehmen selbst angepasst
werden
• neue Potentiale zur kooperativen Produktion komplexer
Produkte
• Kontakt: [email protected]
Offene Plattform für Agentenbasierte Migration zu I 4.0
Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder
http://i40d.ais.mw.tum.de
©A
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27
• Feldmann, S.; Loskyll, M.; Rösch, S.; Schlick, J.; Zühlke, D.; Vogel-Heuser, B.: Increasing Agility in Engineering and Runtime of Automated Manufacturing Systems. In: IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT),
Kapstadt, Südafrika, 2013.
• Schütz, D.; Wannagat, A.; Legat, C.; Vogel-Heuser, B..: Development of PLC-based software for increasing the
dependability of production automation systems. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2013, no. 9, pp. 2397-2406.
• Legat, C.; Vogel-Heuser, B.: A Multi-agent Architecture for Compensating Unforeseen Failures on Field Control Level. In:
International Workshop on Service Orientation in Holonic and Multi-Agent Manufacturing and Robotics (SOHOMA),
Valenciennes, Frankreich, 2013.
• Li, F.; Bayrak, G.; Kernschmidt, K.; Vogel-Heuser, B.: Specification of the Requirements to Support Information Technology-Cycles in the Machine and Plant Manufacturing Industry. In: 14th IFAC Symposium on Information Control
Problems in Manufacturing (INCOM), Bukarest, Rumänien, 2012.
• Ulewicz, S.; Schütz, D.; Vogel-Heuser, B.: Design, Implementation and Evaluation of a Hybrid Approach for Software Agents in Automation. In: 17th IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA), 2012,
Krakau, Polen.
• Vogel-Heuser, B.; Bayrak, G.; Frank, U.: Forschungsfragen in „Produktautomatisierung der Zukunft“, acatech
MATERIALIEN. 2012.
• Vogel-Heuser, B., Folmer, J., Legat, C.: Anforderungen an die Softwareevolution in der Automatisierung des Maschinen-
und Anlagenbaus, angenommener Beitrag, at – Automatisierungstechnik, 2013
• Vogel-Heuser, B.; Schütz, D.; Frank, T.; Legat, C.: Model-driven Engineering of Manufacturing Automation Software
Projects - A SysML-based Approach. Mechatronics, 2014, DOI:10.1016/j.mechatronics.2014.05.003• Vogel-Heuser, B.; Diedrich, C.; Pantförder, D.; Göhner, P.: Coupling heterogeneous production systems by a multi-agent
based cyber-physical production system. IEEE International Conference on Industrial Informatics (INDIN), 2014
• Pantförder, D.; Mayer, F.; Diedrich, C.; Göhner, P.; Weyrich, M.; Vogel-Heuser, B.: Agentenbasierte dynamische
Rekonfiguration von vernetzten intelligenten Produktionsanlagen – Evolution statt Revolution. In T. Bauernhansl, M. ten
Hompel, & B. Vogel-Heuser (Eds.), Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik (pp. 145–158). Springer
Fachmedien Wiesbaden. 2014
Literatur
Dipl.-Ing. Dorothea Pantförder
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S
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