Knoten sind auch eine Lösung

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Knoten sind auch eine Lösung
Drahtlose Kommissioniertechnik erschließt neue Potenziale in der Intralogistik
Ein drahtloses Pick-by-Light-System,
das vom Fraunhofer IIS, der FraunhoferArbeitsgruppe SCS und dem Lehrstuhl
fml der TU München entwickelt wird,
soll sich u. a. auch in mobilen Warezum-Mann-Kommissioniersystemen bis
zu einem Jahr ohne Batteriewechsel
einsetzen lassen.
➋ Im Forschungsvorhaben entwickelte Betaversion des Fachanzeigenknotens
BILDER: VERFASSER
Kommissionierer werden bei ihrer Tätigkeit
durch unterschiedlichste Technologien unterstützt, die Fehler vermeiden und die Kommissionierleistung steigern sollen. Etabliert hat
sich z. B. Pick-by-Light (PbL). Bei am Markt
verfügbaren Systemen sind Kommunikation
und Stromversorgung meist kabelgebunden.
Im Zuge der Entwicklungen im Bereich Industrie 4.0, die auf dezentral organisierte und sich
autark steuernde Technik setzt, liegt es nahe
zu untersuchen, ob kabellose, batteriebetriebene PbL-Module umsetzbar und praxistauglich
sind. Diese Entwicklung würde die Basis für
eine künftige dezentralisierte Steuerung legen.
Die kabellose Übertragung bietet mehrere
Vorteile, die besonders bei volatilen Lagerstruk-
➊ Anforderungen an drahtlose Kommissioniersysteme
turen zur Geltung kommen. Bei der Installation
entfällt die Verkabelung, die je nach Lagergröße einen sehr hohen Aufwand hervorrufen
kann. Außerdem sind keine Profile, auf die die
PbL-Module meist gesteckt werden, vonnöten.
Die Profile erfordern zur Anbringung ebene
Unterlagen, was die Auswahl verwendbarer
Regalsysteme begrenzt. Der Einsatz kabelloser Fachanzeigen ermöglicht darüber hinaus
eine deutlich erhöhte Flexibilität hinsichtlich
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Lagerumstrukturierungen. Diese ist bedingt
durch die vergleichsweise einfache Änderung
der Anordnung von Fachanzeigen an dem jeweiligen Regal.
Am Markt haben sich drahtlose PbL-Lösungen jedoch noch nicht durchgesetzt. Dies
begründet sich vor allem durch den hohen
Wartungsaufwand, der aufgrund der geringen
Batterielaufzeiten verfügbarer Modelle hervorgerufen wird. Der Stromverbrauch ist u. a. stark
vom verwendeten Kommunikationsprotokoll,
das für die drahtlose Übertragung verwendet
wird, abhängig.
Nach dem aktuellen Stand der Technik existiert eine Vielzahl an Protokollen, die grundsätzlich für eine drahtlose Übertragung von Daten
verwendet werden können. Jedoch sind nicht
zwangsläufig alle Protokolle zur Anwendung in
der Kommissionierung geeignet. Ein viel genutztes Protokoll für die drahtlose Kommunikation
(auch bei drahtlosen PbL-Systemen), ist die aus
dem Heimgebrauch bekannte WiFi-Technologie
(IEEE 802.11). Allerdings bedingt die asynchrone
Kommunikation eine durchgängige Verbindung,
was einen hohen Energieverbrauch zur Folge
hat. Das ebenfalls aus dem Consumer-Bereich
stammende Bluetooth 4.0 ermöglicht zwar aufgrund eines standardmäßig implementierten
Energiesparmodus hohe Batterielaufzeiten, ist
aber wegen fehlender Multi-Hop-Fähigkeit – der
Möglichkeit, über mehrere Funkmodule hinweg
dezentral zu kommunizieren – ebenso auszuschließen. Viele im industriellen Einsatz gängige
Protokolle wie z. B. Zig Bee sind zwar Multi-Hopfähig, allerdings ist es mit ihnen schwierig, große
Netzwerke robust und zugleich energieeffizient
aufzuspannen. Bei anderen Technologien wie
dem kabellosen „Highway Addressable Remote
Transducer (Wireless HART)“ ist entweder die
Verwaltung des Netzwerks aufwendig oder dem
Netzwerk mangelt es an Flexibilität.
Hebezeuge Fördermittel 1-2/2016
Eine Neuentwicklung des Fraunhofer-Instituts für integrierte Schaltungen (IIS) ermöglicht
die Symbiose der geforderten Eigenschaften
aus Energieeffizienz und Multi-Hop-Fähigkeit.
Der Energieverbrauch des S-Net Protokolls
kann durch die Variierung des Sendetakts der
zeitsynchronen Kommunikation an die Anforderungen der Anwendung angepasst werden.
Das Kommunikationsnetzwerk besteht aus
mehreren Sensorknoten, bei dem jedes Modul
Daten empfangen, verarbeiten und senden
kann. Die Sensorknoten bieten die Möglichkeit,
mittels implementierter Sensorik Umweltparameter wie z. B. die Temperatur aufzunehmen.
Außerdem ist die Einbettung von Aktoren wie
z. B. Signalgebern möglich. Darüber hinaus
erlaubt das S-Net Protokoll die Lokalisierung
der einzelnen Knoten, wodurch orts- oder näherungssensitive Funktionen ermöglicht werden.
Für die Konzepterstellung des Kommissioniersystems „Pick-by-local-Light“ (PbLL)
wurde eng mit einem Konsortium, bestehend
aus Logistikdienstleistern, Anwenderunter-
» Pick-by-local-Light
stellt kleinen und
mittelständischen
Unternehmen eine
kostengünstige Lösung
für mehr Flexibilität
und Effizienz beim
Kommissionieren
bereit.
nehmen sowie Systemanbietern, zusammengearbeitet. Dafür wurden im ersten Schritt
Kommissioniersysteme bei den Anwendern
untersucht und spezifische Merkmale der
Systeme erfasst. So wurde beispielsweise
festgestellt, dass PbL-Systeme aufgrund der
hohen Anschaffungs- und Betriebskosten nicht
durchgängig eingesetzt werden, sondern häufig
hybride Systeme Anwendung finden, die aus
PbL mit Pick-by-Voice oder Belegkommissionierung bestehen.
Das Projektkonsortium wurde außerdem
mittels eines paarweisen Vergleichs danach
befragt, welche Anforderungen den Unternehmen besonders wichtig bei einem neuen kabellosen PbL-System sind. Wesentliche Anforderungen der Unternehmen waren dabei die
Gewährleistung eines stabilen Funknetzes, die
Möglichkeit der Anbindung an ein WarehouseManagement-System (WMS) sowie eine hohe
Verfügbarkeit, gepaart mit einer hohen Kommissionierleistung (Bild ➊).
Basierend auf den Ergebnissen der Befragung wurden im nächsten Schritt Konzepte für
eine mögliche Umsetzung von PbLL erarbeitet
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Drahtlose Sensornetze
und das Fraunhofer-S-Net
Was sind drahtlose Sensornetze?
Mit dem Oberbegriff des „drahtlos arbeitenden Sensornetzes“ werden hochgradig
spezialisierte Funksysteme bezeichnet, beispielsweise aus den Anwendungsbereichen „verteilte Messdatenerfassung“, „Smart Building“ oder „Industrie 4.0“.
Die Anforderungen an derartige Systeme sind oftmals nicht durch „klassische
Funktechnologien“ aus der Internet-Welt erfüllbar: eine extrem geringe Leistungsaufnahme soll einen mehrjährigen Betrieb mit Batterien erlauben, um die Installationskosten zu senken. Eine hohe Anpassbarkeit soll im Spannungsfeld zwischen
Datenrate, Reaktionsfähigkeit und Batterielebensdauer die optimale Wahl ermöglichen, jeweils um das aktuelle Szenario bestmöglich zu bedienen. Dies ist mit den
klassischen Funktechnologien schlichtweg nicht möglich, jedoch für die genannten
Einsatzfelder unabdingbar.
Welche Eigenschaften zeichnen
drahtlose Sensornetze aus?
Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen hat mit S-Net eine eigene
Sensornetztechnologie im Portfolio, die stets mit Blick auf aktuelle Anforderungen
und Bedürfnisse weiterentwickelt wird. Das Alleinstellungsmerkmal von S-Net
besteht in dessen Fähigkeit, mittels Multi-Hop-Kommunikation große Areale
abdecken zu können, wobei ebenfalls alle Zwischensysteme mit Batterien betrieben
werden können. Der Aufbau des Netzes erfolgt vollständig selbstorganisiert und
erlaubt eine selbstständige und dezentrale Behandlung von Ausfällen oder Funkstörungen.
Warum ist die Fraunhofer-S-Net-Technologie
besonders stromsparend?
Die S-Net-Technologie basiert auf einem Zeitmultiplexverfahren mit synchronisierten Funkmodulen. Dabei wird ein sich zyklisch wiederholender Aktivitätsrahmen
eingesetzt, dessen Dauer wählbar ist und sich bestmöglich an die Einsatzszenarien
anpassen lässt. Alle Sende- und die entsprechenden Empfangsaktivitäten sind zeitlich genau aufeinander abgestimmt. Eine derart präzise aufeinander abgestimmte
Kommunikation erlaubt es, die Schlafdauer der Mikrokontroller sowie der energiehungrigen Funkschnittstellen zu maximieren und damit die Leistungsaufnahme zu
verringern. Die Vergabe der Zeit-Slots an jeden Sensorknoten erfolgt dezentral und
vollständig selbstorganisierend, sodass sich die Baumstruktur des S-Net-Sensornetzes ohne externe Unterstützung aufbaut und pflegt.
Welche Möglichkeiten der Lokalisierung bestehen?
Eine Besonderheit von S-Net besteht in dessen erweiterter Multi-Hop-Baumtopologie: neben der Vielzahl an Eltern-Kind-Beziehungen verfügt jeder einzelne
Knoten auch über ein vollständiges Wissen seiner Nachbarschaft. Hierbei kann
jeder benachbarte Knoten auf energiesparende Weise gehört werden. Bei jedem
Empfangsvorgang wird die Signalstärke erfasst, die hiermit als Basis für die Selbstortung mobiler Knoten zur Verfügung steht. Statisch installierte Sensorknoten
kennen ihre eigene Position und werden als Ankerknoten für die Lokalisierung
bezeichnet. Ankerknoten strahlen ihre Positionsinformation als Nutzlast an alle
ihre Nachbarknoten aus. Mobile Knoten können nun eine Liste aller Nachbarknoten
erstellen, wobei jeweils die Position und die Signalstärke gehörter Ankerknoten
vermerkt werden. Mobile Knoten sind in der Lage, mittels dieser sich stetig aktualisierenden Wissensbasis ihre Eigenposition zu schätzen. Im Fall von Pick-bylocalLight (PbLL) wird auf diese Weise fortlaufend die Position eines jeden Kommissionierers erfasst. So wird das ortsabhängige Verhalten des vorgestellten Systems
ermöglicht, das die Zusatzbezeichnung „local“ in PbLL rechtfertigt.
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und gemeinsam mit dem Projektkonsortium
eine Umsetzung verabschiedet. Parallel dazu
wurden passende Hardware-Komponenten ausgewählt. Dabei wurde ein Fokus auf besonders
energieeffiziente Komponenten gelegt, um eine
möglichst lange Batterielaufzeit zu gewährleisten. Das Design der Fachanzeigen orientiert sich an bestehenden PbL-Systemen, um
eine erhöhte Akzeptanz beim Lagerpersonal zu
erzielen (Bild ➋). Die Knoten verfügen über ein
mehrzeiliges Memory-LCD, LED zur Signalgebung sowie drei Taster.
Zusätzlich wurden Knoten für die Signalgebung an den Regal- oder Gassenenden entwickelt sowie ein Knoten, der vom Kommissionierer getragen wird (Bild ➌). Zur Anbindung des
PbLL-Systems an ein WMS wurde eine Middleware entwickelt, die mittels einer XML-Schnittstelle mit gängiger Software kommunizieren
kann. Im Vorhaben wurde dies exemplarisch mit
Hilfe des WMS „Prolag World“ der CIM GmbH
getestet (siehe auch Seite 22). Darüber hinaus
können mithilfe einer auf der Middleware befindlichen Wartungskomponente Voreinstellungen,
z. B. die Definition von Kommissionierzonen,
vorgenommen werden.
Erschließung neuer Potenziale
zur Nutzung von Pick-by-Light
Die lange Batterielaufzeit der Fachanzeigenknoten wird durch die sog. S-Net-Technologie
ermöglicht. Bei der Entwicklung des Systems
wurden mehrere Konzepte erarbeitet, die das
Potenzial von S-Net getreu der Anforderungen
der Praxispartner ausschöpfen.
Die Fachanzeigen besitzen bei diesem Konzept grundsätzlich dieselben Funktionen, wie
sie von handelsüblichen PbL-Systemen bekannt
sind: Die Quittierung der erfolgreichen Entnahme, die Korrektur der Entnahmemenge
und eine Inventurfunktion. Quittiert wird über
eine separate Quittierungstaste, Mengen- und
Inventurfunktionen werden über zwei zusätzli-
Förderhinweis: Das IGF-Vorhaben
18139 N der Forschungsvereinigung
Bundesvereinigung Logistik wurde über
die AiF im Rahmen des Programms zur
Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
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che Tasten gesteuert. Damit mehrere Arbeiter
parallel kommissionieren können, sind an den
Fachanzeigen je drei rot-gelb-blaue Leuchtdioden (RGB-LED) angebracht. Jeder Kommissionierer hat dabei seine zugewiesene Farbe.
Außerdem trägt der Kommissionierer während der Tätigkeit einen sog. mobilen Sensorknoten bei sich. Dadurch kann eine Annäherung
des Kommissionierers an einen bestimmten
Lagerbereich oder eine Gasse registriert werden. Wird ein mobiler Sensorknoten in einer
Kommissionierzone geortet, wird im WMS in
Durch das energie» effiziente
S-NetProtokoll besitzen die
Fachanzeigenknoten
derzeit eine Batterielaufzeit von bis zu
einem Jahr.
diesem Bereich ein zusätzlicher Kommissionierer angemeldet. Diesem werden anschließend,
ohne dass weitere Aktionen notwendig sind,
sofort Aufträge zugeordnet, d. h. die Kommissionierung startet direkt mit dem Betreten des
Kommissionierbereichs. Verlässt der Kommissionierer respektive der mobile Sensorknoten
den jeweiligen Bereich, wird er automatisch
abgemeldet. Wenn bei diesem Vorgang bereits
ein Auftrag teilweise abgearbeitet wurde, wird
der Auftrag abgebrochen und einem anderen
Kommissionierer zugewiesen.
Ein zusätzlicher Verwendungszweck der
Lokalisierung ist die näherungsabhängige Aktivierung der Fachanzeigen. Muss ein Kommissionierer beispielsweise zwei Gassen bedienen, so
leuchten nur die Anzeigen in der Gasse, in denen
sich der Kommissionierer aufhält. Den notwendigen Gassenwechsel bekommt der Arbeiter
dabei über ein akustisches Signal mitgeteilt,
am Gasseneingang befestigte Sensorknoten
weisen ihn zusätzlich über eine Blickfangleuchte
auf zu betretende Gassen hin. Um die Akzeptanz gegenüber dem System zu fördern, erfolgt
eine Unterscheidung zwischen verschiedenen
Kommissionierern lediglich anhand der mobilen Sensorknoten, die anonymisiert sind und
von wechselnden Mitarbeitern benutzt werden.
Zukunftstrends in der Mann-zurWare-Kommissionierung im Blick
Ein kabelloses System wie PbLL hat im Vergleich
zu herkömmlichen PbL-Systemen zahlreiche
Vorzüge. Es ermöglicht Unternehmen, ihre
bestehende Artikelstruktur im Lager an Nachfrageschwankungen seitens der Kunden anzupassen und dadurch flexibel auf Sortimentsänderungen einzugehen. Außerdem können durch
den Wegfall der Verkabelung flexibel und schnell
Kommissioniernester eingerichtet werden. Sind
die Knoten eingeschaltet, werden bei PbLL neue
Aufträge vom WMS in unter vier Sekunden an
die Fachanzeigen übermittelt, ganz egal wo sich
diese im Lager befinden.
Das im Forschungsvorhaben entwickelte System grenzt sich von bestehenden drahtlosen
PbL-Systemen durch die hohe Lebensdauer
und die damit verbundenen wartungsarmen
Prozesse ab. Durch das energieeffiziente S-NetProtokoll besitzen die Fachanzeigenknoten
derzeit eine Batterielaufzeit von bis zu einem
Jahr. Die positionsabhängigen Funktionen des
PbLL-Systems sind als weiteres Alleinstellungsmerkmal gegenüber am Markt verfügbaren
Lösungen hervorzuheben. Die standortabhängige Signalgebung ermöglicht es, dass selbst
bei einer Vielzahl von Kommissionierern innerhalb einer Zone übersichtliches Kommissionieren mit niedrigen Fehlerquoten möglich ist.
Daneben spart das automatisierte Anmelden
der Kommissionierer in ihren Zonen wertvolle
Arbeitszeit ein.
Ziel ist es, die hohe Batterielaufzeit der Fachanzeigenknoten noch im Zuge des Projekts bis
Juni 2016 zu verdoppeln. Um die Praxistauglichkeit von PbLL weiter zu erhöhen, werden
Probandenversuche an der TU München durchgeführt. Die Tests sollen Aufschluss über die
Akzeptanz von Mitarbeitern gegenüber dem
System geben und eine praxisgerechte Weiterentwicklung von PbLL ermöglichen. Daneben
wird das System im kommenden Jahr bei Praxispartnern im laufenden Betrieb getestet.
Das Pick-by-local-Light-System wurde entwickelt, um kleinen und mittelständischen Unternehmen eine kostengünstige Lösung für die
Mitarbeiterführung in der Kommissionierung
bereitzustellen, die die Flexibilität und Effizienz
im Lager steigert. PbLL spart Kosten bei Installation und Verkabelung der Fachanzeigen, ohne
dass die Kosten für die Fachanzeigen höher
sind als bei gängigen kabelgebundenen PbLSystemen. Selbst für die neuesten Entwicklungen im Bereich Ware-zu-Mann wäre PbLL
eine sinnvolle Ergänzung: Hier bringen kleine
fahrerlose Transportsysteme Regale mit den
zu kommissionierenden Artikeln zum Werker,
der an einem fixen Punkt verbleibt. Im letzten
Schritt ist aber immer noch eine Bereitstellung
der Information, welche Artikel aufzunehmen
sind, nötig.
(vu)
M.Sc. Andreas Hölczli
ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter
in der Fraunhofer-Arbeitsgruppe
für Supply Chain Services SCS
in Nürnberg.
M.Sc. Armin Lang
ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter
am Lehrstuhl für Fördertechnik
Materialfluss Logistik (fml)
der Technischen Universität München.
Dr. Florian Evers
ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter
am Fraunhofer-Institut für Integrierte
Schaltungen (IIS) in Nürnberg.
Hebezeuge Fördermittel 1-2/2016

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