Koordiniertes Dispositionssystem für Brückenkran & AGV
Das Dispositionssystem für die Wegstrecken-Arbitrage mehrerer Geräte (Brückenkran, AGV, RGV) nutzt eine Kombination aus Prioritätswarteschlange, Zeitfenster und gewichteter Zuweisung nach dem Kürzester-Pfad-Algorithmus. Die Dispositionszykluszeit beträgt ≤100 ms (S7-1500 + 6 Geräte). Die Konflikterkennung umfasst sowohl die Überlappung von Arbeitsbereichen als auch die Zeitfenster-Analyse. Bei Aufgabenänderungen oder Gerätestörungen wird die dynamische Neuplanung innerhalb von 15 Sekunden abgeschlossen. Das System wurde in einer großen Koordinationsanlage einer Automobil-Endmontage mit 12 Brückenkranen, 24 AGVs und 8 RGVs implementiert und steigert die Dispositionseffizienz um 42 %.
Wenn mehrere Brückenkrane und AGVs/RGVs in derselben Produktionszone zusammenarbeiten, besteht die zentrale Herausforderung für das Dispositionssystem darin, Materialtransportaufgaben sicher und effizient in einem begrenzten Raum und Zeitrahmen zuzuweisen. Die Qualität der Wegstrecken-Arbitrage wirkt sich direkt auf die Gesamteffizienz der Produktionslinie aus – ohne algorithmische Disposition liegt die Konfliktrate zwischen mehreren Geräten bei etwa 15 bis 30 Vorfällen pro Stunde, nach Optimierung durch Wegstrecken-Arbitrage kann sie auf 0 bis 2 Vorfälle pro Stunde gesenkt werden. Dieser Artikel analysiert die technische Umsetzung des Dispositionssystems für die Wegstrecken-Arbitrage mehrerer Geräte (Brückenkran, AGV, RGV) vollständig – von der Aufgabenwarteschlangen-Sortierung über die Wegstrecken-Arbitrage-Engine und Konflikterkennungsalgorithmen bis hin zur dynamischen Neuplanung.
Prioritätswarteschlange und Aufgaben-Sortieralgorithmus
Die vom MES/WMS übermittelten Materialtransportaufgaben werden in der Aufgabenwarteschlange der Dispositions-SPS gespeichert (Ringpuffer, Kapazität 128 Einträge). Jede Aufgabe enthält Material-ID, Startkoordinaten, Zielkoordinaten, Priorität (0–100, Notfallaufgaben 100), Zeitstempel der Übermittlung und Zeitlimit-Anforderungen. Die Prioritätssortierung verwendet eine Drei-Gewichtungs-Formel: Gesamtpriorität = Aufgabenpriorität × 0,4 + Wartezeitkoeffizient × 0,3 + Zeitlimit-Dringlichkeitskoeffizient × 0,3. Der Wartezeitkoeffizient = (aktuelle Zeit – Übermittlungszeit) / Standardwartezeit (normalisiert auf 0–100), der Zeitlimit-Dringlichkeitskoeffizient = verstrichene Zeit / Gesamtzeitlimit (je näher an 1, desto dringlicher). Die Drei-Gewichtungs-Formel stellt sicher, dass dringende Aufgaben vorgezogen werden, ohne zu unbegrenzten Wartezeiten zu führen (je länger die Wartezeit, desto weiter vorne in der Sortierung).
Bei der Aufgabenverteilung werden die ersten 20 Aufgaben der Warteschlange durchlaufen und nacheinander die Verteilungsbedingungen geprüft: ① Ist ein Brückenkran frei und befindet sich in der Nähe des Aufgabenstartpunkts (Kranbrücken-Distanz ≤ 10 m)? ② Ist ein AGV frei und befindet sich an der Startarbeitsstation? ③ Gibt es keinen Konfliktpfad (keine Überlappung mit Pfaden bereits zugewiesener Aufgaben)? Aufgaben, die alle drei Bedingungen erfüllen, werden sofort zugewiesen; andernfalls gehen sie in die Warteschlange und werden im nächsten Zyklus erneut geprüft. Jeder Zyklus (100 ms) durchläuft die Warteschlange einmal. Aufgaben, die länger als 60 Sekunden warten, werden zwangsweise zugewiesen (andere Aufgaben, die mit dieser Aufgabe in Konflikt stehen, werden automatisch herabgestuft und in die Warteschlange verschoben). Die durchschnittliche Wartezeit für Aufgaben im Kelude-Dispositionssystem beträgt ≤ 15 Sekunden, für Notfallaufgaben ≤ 5 Sekunden.
Konflikterkennung und dynamische Neuplanung
Die Kernherausforderung bei der Multi-Geräte-Koordination liegt in der Echtzeitfähigkeit der Konflikterkennung und der Wirksamkeit der Arbitrage-Strategie. Die Konflikterkennung erfolgt in zwei Schritten: Bereichsüberlappungserkennung (Prüfung, ob sich die Arbeitsbereiche zweier Geräte überschneiden) und Zeitfenster-Analyse (Vorhersage, ob sich die Trajektorien zweier Geräte in den nächsten 3–5 Sekunden kreuzen). Die Erkennungsfrequenz beträgt einmal pro 100 ms und ist mit dem Dispositionszyklus synchronisiert. Nach der Erkennung eines Konflikts werden die folgenden fünf Szenarien klassifiziert und die entsprechenden Arbitrage-Strategien ausgelöst:
| Kollisionsszenario | Erkennungsmethode | Arbitrierungsstrategie | Neuplanungsaktion |
|---|---|---|---|
| Doppel-Brückenkran-Gegenverkehr auf gleicher Spur | BereichsüberlappungErkennung | Prioritätsverriegelung/Ausweichen mit niedriger Priorität | Niederhubwagen-Verzögerung bis 30% oder Stopp |
| Brückenkran-und-AGV-Kreuzung | Koordinatenprojektion+Zeitfenster | AGV-Umfahrung/Brückenkran-Warten | AGV-Umfahrungspfad planen |
| Doppel-AGV-Entgegenkommend | PfadüberlappungErkennung | Zufälliges Zurückweichen von Fahrzeug 1/Spurwechsel | Zurückweichen zum nächsten Haltepunkt |
| RGV-und-AGV-Kreuzung | SchieneSegmentbelegungErkennung | SchieneSegmentVerriegelung | AGVWartenSchieneSegment frei |
| Plötzlicher Geräteausfall | Heartbeat-Timeout(3Mal=1.5s) | Austritt des defekten Geräts+Aufgabenneuzuweisung | Aufgabenübertragung an andere Geräte |
Algorithmus der Wegkonflikt-Engine
Die Wegkonflikt-Engine ist die zentrale Entscheidungskomponente des Dispositionssystems. Sie läuft im zyklischen Interrupt OB35 (Zykluszeit 100 ms) der SPS S7-1500. Die Engine arbeitet in drei Schritten: Zuerst erfolgt die Aufgaben-Geräte-Zuordnung (wie im vorherigen Abschnitt beschrieben), dann die Bahnplanung und abschließend die Konfliktprüfung. Für die Bahnplanung wird der A*-Suchalgorithmus empfohlen – mit der aktuellen Geräteposition als Startpunkt und dem Zielarbeitsplatz als Endpunkt. Die Kostenfunktion lautet F=G+H (G = zurückgelegte Weglänge, H = Manhattan-Distanz zum Ziel). Der Suchraum ist auf das nach Rasterung des Werksgeländes entstehende erreichbare Wegnetz begrenzt (Knotenabstand 2 m, S7-1500 speichert max. 200 Knoten). Eine einzelne Wegsuche dauert auf der S7-1500 zwischen 2 und 5 ms (abhängig von der Suchtiefe, max. Suchknoten ≤ 50). Für AGV-Wege werden bidirektionale Befahrbarkeit und Wendeschleifen-Beschränkungen berücksichtigt; die Wegkosten enthalten eine Richtungswechsel-Strafe (jeder Richtungswechsel addiert 3 m, um lange gerade Strecken zu begünstigen).
Zeitfenster-Konfliktprüfung ist die zweite Verteidigungslinie der Wegkonflikt-Engine. Nach der Wegzuweisung an jedes Gerät wird der Weg in eine Reihe von zeitgestempelten Wegsegmenten zerlegt (Segmentlänge 2 m, jedes Segment mit einem Zeitfenster von ±0,5 s um die voraussichtliche Ankunftszeit). Bei der Zuweisung eines neuen Weges wird jedes Segment daraufhin geprüft, ob es zeitlich mit bereits zugewiesenen Wegen überlappt (d. h. ob zwei Geräte im selben Wegsegment überlappende Zeitfenster haben). Überlappungsbedingung: |TGerät A – TGerät B| < Sicherheitsintervall (Brückenkran–Brückenkran: 3 s, Brückenkran–AGV: 2 s, AGV–AGV: 1,5 s). Bei Überlappung wird die Wegzuweisung abgelehnt; es wird ein alternativer Weg gesucht oder auf den nächsten Zyklus gewartet. Das Zeitfenster-Array wird im DB-Baustein der S7-1500 gespeichert (128 Wegsegment-Datensätze pro Gerät, 12 Byte pro Datensatz, bei 12 Geräten ca. 18 KB Speicherbedarf).
Endgültige Entscheidungsmatrix der Wegkonflikt-Engine: Das Dispositionssystem verwaltet eine N×N-Mutual-Exclusion-Matrix (N = Gesamtzahl der Geräte). Matrixelement M[i][j]=0 bedeutet: keine Wegkonflikte zwischen Gerät i und j; M[i][j]=1 bedeutet: Konflikt vorhanden (wird durch die Zeitfensterprüfung geschrieben). Bei der Konfliktauflösung werden die Gerätepaare nach Priorität von hoch nach niedrig durchlaufen: Das Gerät mit höherer Priorität behält seinen Weg unverändert, das Gerät mit niedrigerer Priorität erhält eine neu geplante Route. Hat das Gerät mit niedrigerer Priorität keine alternative Route (alle erreichbaren Wege sind konfliktbehaftet), wechselt es in den Wartezustand und der Wartegrund wird protokolliert. Die Matrix wird in jedem Dispositionszyklus (100 ms) gelöscht und neu berechnet. Im 12-Geräte-Szenario von Kelude beträgt die Gesamtzeit für die Wegkonflikt-Auflösung ≤ 8 ms (inkl. Zeitfensterprüfung); die verbleibenden 92 ms stehen für Kommunikation und Gerätesteuerungslogik zur Verfügung.
Koordiniertes Dispositionssystem: Architektur und Praxisbeispiel
Architektur des koordinierten Dispositionssystems für die Fertigung
Die Hardware-Architektur des Dispositionssystems ist dreistufig aufgebaut: Feldebene (Brückenkran-SPS, AGV-Bordsteuerung, RGV-Steuerung, angebunden über Profinet IRT an den Netzwerk-Switch), Dispositionsebene (Dispositions-SPS S7-1500 oder Industrie-PC, ausgeführt werden Wegkonflikt-Engine und Aufgabenwarteschlangen-Verwaltung) und Managementebene (MES/WMS-Server, Datenaustausch mit der Dispositionsebene über OPC UA für Aufträge und Statusdaten). Kommunikationszyklen zwischen Feldgeräten und Dispositions-SPS: Brückenkran ≤ 50 ms (Profinet IRT, Jitter ±1 µs), AGV ≤ 100 ms (Profinet RT), RGV ≤ 50 ms. Die Kommunikation zwischen Dispositions-SPS und MES erfolgt abhängig von der Auftragsfrequenz; typischerweise wird alle 100 ms ein Batch ausgetauscht (ca. 2 KB Daten pro Batch, inkl. Aufgabenwarteschlange und Statusbericht).
Praxisbeispiel Automobil-Endmontage: 12 Brückenkräne (davon 5× LD-Typ, 3× QD-Typ, 4× Auslegerkran) + 24 AGV (16× Unterfahr-AGV, 8× Gabelstapler-AGV) + 8 RGV – insgesamt 44 Geräte arbeiten im selben Werksbereich (ca. 200 m × 80 m) koordiniert. Vor der Einführung des Systems lag die Konfliktrate bei manueller Disposition bei ca. 20 Vorfällen pro Stunde (in Spitzenzeiten bis zu 40 pro Stunde), die durchschnittliche Wartezeit der Aufgaben betrug 45 Sekunden. Nach der Einführung des koordinierten Dispositionssystems von Kelude (Dispositions-SPS: S7-1500 CPU 1516-3 PN/DP, CP1543-1 für OPC-UA-Kommunikation) sank die Konfliktrate auf 0–2 Vorfälle pro Stunde, die durchschnittliche Wartezeit auf 15 Sekunden – eine Effizienzsteigerung von 42 % (gemessen an der Anzahl der pro Stunde abgeschlossenen Transportaufgaben). Die Projektlaufzeit von der Bestandsaufnahme bis zur Inbetriebnahme betrug 8 Wochen (inkl. 3 Wochen Software-Konfiguration, 2 Wochen Inbetriebnahme vor Ort, 1 Woche Verbundtest).
Skalierbarkeitsdesign: Das Dispositionssystem ist modular aufgebaut. Für die Integration neuer Geräte genügt es, einen Gerätekonfigurationsdatensatz (ca. 50 Byte pro Gerät) im DB-Baustein der Dispositions-SPS anzulegen und Gerätetyp sowie Kommunikationsadresse am HMI zu konfigurieren. Eine einzelne S7-1500 verwaltet max. 12 Geräte (begrenzt durch Programmzykluszeit und Kommunikationsressourcen). Bei mehr als 12 Geräten wird eine zweite Dispositions-SPS für die Bereichsdisposition hinzugefügt – aufgeteilt nach Werksbereichen (z. B. Bereich A: 6 Brückenkräne + 10 AGV; Bereich B: 8 RGV + 14 AGV). Der Datenaustausch über Bereichsgrenzen hinweg erfolgt über PN/PN-Coupler oder Industrial Ethernet. Das koordinierte Dispositionssystem von Kelude unterstützt die Erweiterung auf max. 64 Geräte pro Werk (Kaskadierung von 4 Dispositions-SPS).
Häufige Fragen zur Dispositions-SPS
F: Welche Anforderungen gelten für die Auswahl der Dispositions-SPS? Reicht eine S7-1200?
A: Die Auswahl der Dispositions-SPS hängt von der Anzahl der zu verwaltenden Geräte ab. Die S7-1200 (CPU 1215C) verwaltet max. 4 Geräte (Brückenkran + AGV + RGV), unterstützt Profinet RT und Modbus TCP; die Programmspeicherkapazität von 150 KB reicht für Warteschlangensortierung und einfache Konflikterkennung. Die S7-1500 (CPU 1516-3 PN/DP) verwaltet 5–12 Geräte, unterstützt OPC-UA-Server (max. 1.000 Variablen) und bietet mit 2 MB Programmspeicher genug Ressourcen für die zeitfensterbasierte Wegsuche. Bei mehr als 12 Geräten empfiehlt sich ein Industrie-PC (Siemens SIMATIC IPC427E) mit Dispositions-Server-Software: Die SPS übernimmt die Gerätesteuerung, der PC die globale Disposition. Kelude empfiehlt die SPS-Auswahl basierend auf der Geräteanzahl vor Ort und bietet eine kostenlose Leistungsbewertung an.
F: Reicht eine Aufgabenwarteschlange mit 128 Einträgen aus? Was passiert, wenn sie voll ist?
A: Eine Ringwarteschlange mit 128 Einträgen deckt die meisten Smart-Factory-Szenarien ab. In einem typischen Automobil-Endmontagewerk fallen ca. 200–300 Transportaufgaben pro Stunde an, d. h. durchschnittlich alle 12–18 Sekunden eine neue Aufgabe. Bei einer Verarbeitung alle 100 ms puffert die Warteschlange ca. 6–12 Minuten Aufgabenvolumen – das übersteigt den Vorausplanungshorizont der meisten MES-Systeme. Ist die Warteschlange voll (128 Einträge), wird die neue Aufgabe abgelehnt und der Statuscode „MES_QUEUE_FULL“ zurückgegeben; das MES sollte die Übertragung pausieren und auf freie Kapazität warten. In Extremfällen kann die Warteschlangenkapazität erhöht werden (S7-1500 unterstützt max. 256 Einträge, zusätzlicher Array-Speicher ca. 8 KB) oder der Dispositionszyklus auf 50 ms verkürzt werden.
F: Wird der Wegkonflikt-Algorithmus in der SPS oder auf dem Host-Rechner implementiert?
A: Beide Architekturen haben ihre Vor- und Nachteile. SPS-basierte Lösung (Wegkonflikt-Engine in der S7-1500): geringe Latenz (direkter Zugriff auf Gerätestatus ohne Kommunikationsverzögerung), hohe Zuverlässigkeit (SPS-Ausfallrate deutlich niedriger als bei PCs), aber begrenzte Rechenleistung (A*-Suche auf der S7-1500: 2–5 ms pro Durchlauf). Host-basierte Lösung (Industrie-PC + Dispositionssoftware): flexible Algorithmusentwicklung (C++/Python/Java), komplexe Algorithmen möglich (Dijkstra/Floyd/Genetische Algorithmen), aber Risiko eines Single Point of Failure (PC-Ausfall legt die Disposition lahm). Kelude empfiehlt eine Hybrid-Architektur: Die SPS übernimmt die grundlegende Wegkonflikt-Auflösung und Verriegelung (Sicherheitsbasis), der Host-Rechner die optimierte Disposition (Effizienzsteigerung). Der Datenaustausch zwischen SPS und Host erfolgt über OPC UA; bei Ausfall des Host-Rechners läuft die SPS im reduzierten Basis-Dispositionsmodus weiter.
F: Wie lässt sich die Effizienzsteigerung nach der Inbetriebnahme des Dispositionssystems verifizieren?
A: Das Dispositionssystem von Kelude verfügt über eine integrierte KPI-Statistikfunktion, die in der Dispositions-SPS erfasst und über OPC UA ausgelesen und visualisiert wird. Zu den Kern-KPIs gehören: ① die durchschnittliche Wartezeit der Aufträge (vom MES-Auftragseingang bis zum Start der Ausführung durch die Anlage); ② die Anlagenauslastung (Anteil der Wartezeit jedes Brückenkrans/AGV/RGV, Zielwert ≤30 %); ③ die Konfliktrate (Anzahl der Anlagenkonflikte pro Stunde, Zielwert ≤2 Konflikte/Stunde); ④ die Termintreue (Anteil der termingerecht abgeschlossenen Aufträge). Der Vergleich vor und nach der Inbetriebnahme wird wochenweise ausgewertet – typische Werte: Ohne Dispositionssystem liegt die Konfliktrate bei ca. 20 Konflikten/Stunde, nach der Inbetriebnahme bei ca. 1 Konflikt/Stunde; die durchschnittliche Auftragswartezeit sinkt von 45 Sekunden auf 15 Sekunden. Kelude stellt bei der Abnahme einen Vergleichsbericht über jeweils eine Woche vor und nach der Inbetriebnahme zur Verfügung.
