Auf dem Weg zur Lieferkette der Industrie 4 · Dr. Michael Hoffmeister, FESTO AG & Co. KG Auf dem Weg zur Lieferkette der Industrie 4.0 -- Referenzmodelle und Industrie 4.0 - Komponenten

Auf dem Weg zur Lieferkette der Industrie 4.0 -- Referenzmodelle und Industrie 4.0 - KomponentenDr. Michael Hoffmeister, FESTO AG & Co. KG 1

Auf dem Weg zur Lieferkette der Industrie 4.0

Referenzmodelle und

Industrie 4.0-Komponente

Dr. Michael Hoffmeister



Disclaimer: Dieser Vortrag verweist auf Ergebnisse der Plattform Industrie 4.0 und des VDI/

VDE GMA FA 7.21.

Weiteres Material bezieht sich auf aktuell diskutierte Ansätze in den Gremien des ZVEI.

► Mitglied und Sprecher von Arbeitskreisen des ZVEI für Industrie 4.0

► Obmann des VDMA Einheitsblatts 66415

► Portfolio Management Software für Festo AG & Co. KG

► Diplom Informatik (Karlsruhe KIT)

► Promotion Maschinenbau (Fraunhofer IPA)

► Echtzeitsysteme, IT Beratung, SPC / Big Data, Intelligente

Produktion,Semantik, Mechatronisches Engineering


Inhalt

►Vorbemerkungen Was ist Industrie 4.0?

►Mit welcher Produkt- und Innovationsstrategie agiert Festo?

►Wie entwickeln wir unsere Standards?

►Wie sehen die nächsten Herausforderungen aus?


Industrie 4.0 beschreibt den grundlegenden Wandel …

… der Wertschöpfungsketten und

des Lebenszyklus von Produkten,

bei dem reale und virtuelle Welt

zusammen wachsen. […]


Keine Unfälle Energieeffizienz: Ihr Auto bremst optimal

Adaption: Ihr Auto wählt eine andere Route

Geschäftsmodell: Was würden Sie für Ihre "grüne Welle" zahlen?

Vernetzung: Alle Ampeln passen sich der Verkehrssituation an

Warum eine Vernetzung aller Dinge?

+ Auto

+ Navigation

+ Netz

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Auf dem Weg zur Lieferkette der Industrie 4.0 -- Referenzmodelle und Industrie 4.0 - KomponentenDr. Michael Hoffmeister, FESTO AG & Co. KG

Industrie 4.0 in der Welt neuer Geschäftsmodelle und Märkte

Internet der Dinge und Dienste (IoT&S)

B2C B2B = Industrielles Internet

Technologische Ebene: All-IP Konnektivität / Dienste&Plattformen / Big data&AnalyticsQuelle: T-Systems, 14.4.2015

6


Schulterschluss mit den Industrieverbänden, der Wirtschaft und der Politik

Die Produktion der Zukunft wird weltweit diskutiert und gestaltet

Ziele:

• Standardisierung

• Pilotprojekte/praktische Umsetzung

• Entwicklung von Technologien

• Geschäfts und Organisationsmodelle

Verband der Elektroindustrie

Verband der Maschinen- und Anlangenbauer

Verzahnung zwischen BMWi und der chinesischen Initiative „Made in China 2025“

Plattform I 4.0

Allianz aus Politik, Wirtschaft, Gewerkschaften und Forschung

Verband der Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien

Collaboration of technology innovators, vertical market leaders, researchers, universities and governments.

VDI/VDE

► Fokusprojekt

Industrie 4.0

► GMA 7.21

► uvm.

BITKOM

► Cyber Physical

Systems

► I4.0 Interoper-

abilität

► I4.0 Markt &

Strategie

► Dialogplattform

ZVEI

Führungkreis I4.0

► SG Strategie

► SG Modelle

► SG Forschung

► SG Sicherheit

VDMA

► Forum Industrie

4.0

DIN/ DKE

► Steuerkreis

Plattform I4.0 AG2Plattform Industrie 4.0► AG1 Normung und Referenzmodelle

► AG2 Innovation und Forschung

► AG3 Sicherheit vernetzter Systeme

► AG4 Rechtliche Rahmenbedingungen

► AG5 Arbeit, Aus- und Weiterbildung

Das Plattformprojekt wirkt heute und morgen als

Klammer für Industrie-4.0-relevante Aktivitäten in D

Quelle: Roland Heidel, SIEMENS

Digitale Agenda der Bundesregierung► Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

► Bundesministerium für Bildung und Forschung

http://www.vdi.de/

http://www.vdi.de/

http://www.bitkom.org/Default.aspx

http://www.bitkom.org/Default.aspx

http://www.vdma.org/

http://www.vdma.org/

https://www.dke.de/

https://www.dke.de/

Wir lassen uns von vier

"Haupt-Aspekten der Industrie 4.0" leiten

Horizontale Integration Vertikale Integration

Durchgängiges Engineering Mensch als Dirigent der Wertschöpfung

Wertschöpfungskette • Lebenszyklus-Kosten •

Kundenindividualisierte Produkte

Rekonfigurierbarkeit • Losgröße 1 • Apps •

Stetiger Wandel

Systems Engineering • entlang der

Lieferbeziehungen • Digitale FabrikOrchestrierung • Skill-Sets •

Wissensarbeit • Schulung & Training


► Industrie 4.0 vergrößert signifikant die operativen Stärken eines Unternehmens

► Darüber hinaus werden die Entwicklungskompetenzen (Marktreaktion, Wandelbarkeit, Vorlaufzeit) sowohl von Zulieferer als auch Unternehmen verbessert

► Qualität und Kosten aller Partner der Wertschöpfungskette verbessern sich(Kosten, die nicht anderen obigen Kategorien entsprechen)

13

Nutzen der Industrie 4.0 aus Sicht von absehbaren Anwendungsfällen

9

6

5

4

2

VERFÜGBARKEIT & PRODUKTIVITÄT

MARKTREAKTION

WARTUNG

QUALITÄT

KOSTEN


Inhalt






Zahlen und Fakten eines unabhängigen Familienunternehmens

Über 30.000 Katalogprodukte

9,0 % vom Umsatz fließen in F&E

Dienstleistung in 176 Ländern

1

• 300.000 Kunden weltweit

• 2,45 Milliarden Euro Umsatz (2014)

• 18.000 Mitarbeiter, davon >8.000 in D


Fabrik- und Prozessautomatisierung – für die gesamte Steuerungskette

Steuerungen

• Positionen erkennen

• Prüfen und überwachen

• Bearbeiten

Technologie-

neutral:

elektrisch

pneumatisch

servopneu-matisch

Motion

• Linear und rotativ

• Drehen und Schwenken

• Greifen und Klemmen

Prozessautomatisierung

• Mischen und Dosieren

• Abfüllen

• Trennen


Wir erfüllen Kundenanforderungen auf jeder Skala: Individuelle Lösungen, die System haben!

IndividuelleKonfigurationen

InstallationsfertigeLösungen

EinzelneKomponente

Wertschöpfung

StandardProdukte

Innovativ

10% R&D Budget

Umfassend

Breites Angebot

von Antrieben,

Controllern und

Steuerungen

Kompetent

von Komponente

bis zur fertigen

Lösung


• Keine Druckluftverschwendung bei Anlagenstillstand

• Selbstständige Leckagen-Erkennung

• Online Prozessüberwachung, Fernwartung sowie regulieren der Parameter über PROFIBUS

18

Energieeffizienz-Modul

Wir schaffen Komponenten mit dezentraler Intelligenz

Feldbusknoten mit Feldbusschnittstelle für eine online Datenübertragung

2/2 Wege-Absperrventil ermöglicht Auto-Stopp-Funktion

Durchflusssensor und Drucksensor für die Prozessüberwachung


Standards für Softwarearchitektur und Datenaustausch entlang der Wertschöpfungskette

Wir schaffen Horizontale und vertikale Integration

IO Link / Feldbusse

Kommunikation auf Shop Floor Ebene

OPC UA

Schnittstellen-Standard um Daten zwischen Systemen verfügbar zu stellen

I4.0-Standards

Beschreibungssprache im Engineering-Prozess

ServiceWartungInbetriebnahmeProduktionEngineeringKonfiguration & Angebot


Disruptive Ansätze:Produktions-Stationen direkt verbunden mit ERP-System

Motivation für Hersteller von ERP-Systemen

► Optimierung Produktion, Ressourcen, Energie

► Tiefes Verständnis von Abläufen, Varianten, Qualität

► Nur eine einzige Quelle für alle "master data"

Konsequenzen

► Aktivitäts-Verlagerung Systemintegrator IT-Hersteller

► Direkte Anbindung von SPSen und modularen Subsystemen

► Beherrschung der Komplexität durch Informations-Modelle

Anteil von Festo

Festo "Transfer Factory" mit modularen Stationen

Produkt-Tracking, Qualitätsmessung, komplexe Rezepte, verschiedene Routen

Siemens SPSen und OPC-UA Integration

FirmenzentraleHannover Messe, 2014Hannover Messe, 2015


Volle Prozesskontrolle durch nahtlose Integration von ERP bis zur SPS

Beispielhafter Ablauf:

1) Alle relevanten Automatisierungsdaten liegen in der Domäne ERP und SAP ME:

Routen,

Rezepte für einzelne Stationen,

Qualitätsziele

2) Start Produktion - Material kommt zur Station - SPSwird beschrieben (Material/ Operation spezifisch)

3) Material wird datenabhängig bearbeitet -Resultate und Messungen werden zurück in SAP ME aufgenommen

4) Qualitäten und Toleranzen durch SAP ME geprüft -Entscheidungen über nächste Operation -> Maschine

5) Routing erfolgt basierend auf dieser Entscheidung (z.B. Ausschuss-Weiche, nächste Operation …)

6) Material zur nächsten Station, Schreiben der SPS-Parameter …

OPC UA

Round-trip < 200ms!

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//commons.wikimedia.org/wiki/File:Flag_of_Switzerland.svg

//commons.wikimedia.org/wiki/File:Flag_of_Switzerland.svg


Inhalt





Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI4.0)

Quelle Plattform Industrie 4.0

(1) Moderne

Architektur:

Schichten

(2) Lebenszyklus/

Wertschöpfung

(3)

Hierarchie-

Ebenen

Das RAMI4.0 deckt die ganze Lieferkette ab!

26

Typen als auch Instanzen

verändern sich über die

Lebenszeit!

Ansatz der

Industrie 4.0 - Komponente

Jede I4.0-Komponente deckt

ein Volumen im RAMI ab

.. und integriert verschiedene

Layer

.. interagiert und koordiniert

über I4.0-konforme

Kommunikation

Wir schaffen eine weltweit

eindeutig anzusprechende

virtuelle Repräsentation für

Typen und Instanzen.

Gegenstand,

z.B. Machine

Verwaltungsschale

http://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=o7ESCOgzCcVRTM&tbnid=xWGI1Z3BJZf04M:&ved=0CAUQjRw&url=http://brandinside.de/firma/Theegarten_PACTEC_GmbH&ei=oQDhU4CaBILBON3dgaAC&bvm=bv.72197243,d.bGE&psig=AFQjCNFTf0CqOuNkCr9YJw9QqpNPNVqU1w&ust=1407341026328083

http://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=o7ESCOgzCcVRTM&tbnid=xWGI1Z3BJZf04M:&ved=0CAUQjRw&url=http://brandinside.de/firma/Theegarten_PACTEC_GmbH&ei=oQDhU4CaBILBON3dgaAC&bvm=bv.72197243,d.bGE&psig=AFQjCNFTf0CqOuNkCr9YJw9QqpNPNVqU1w&ust=1407341026328083

Strategisch wichtige Bestandteile der Maschine

(Anlage) werden ebenfalls I4.0 Komponenten

28

Gegenstand(Unbekannt)(Anonym)

(Individuell bekannt)Entität

Gegenstand, z.B. Elektr. Achse

Gegenstand, z.B. Maschine

Gegenstand, z.B. Klemmenblock

Verwaltungs-Schale

Verwaltungs-Schale

Verwaltungs-Schale

Gegenstand, z.B. Standard-SW

Verwaltungs-Schale

Beispiele für I4.0-KomponentenKeine I4.0-Komponente

I4.0-konforme Kommunikation

= Schnittstelle/ DatenformateI4.0-konform ausgeführt

(Gegenstand gibt Zugriffauf Verwaltungsschale)

(Übergeordnetes Systemgibt Zugriff auf

Verwaltungsschale)

I4.0-Komponenten erscheinen nach

Anwendungsfall logisch schachtelbar

29

für manche Anwendungsfälle fasst

die übergeordnete Komponente die

Untergeordneten zusammen

z.B. Aktivierung der Funktion

für andere Anwendungsfälle

erscheinen alle Komponenten einzeln

auf dem Radar von ganz

übergeordneten Fabriksystemen

vorausschauende Wartung

oder Condition Monitoring

Asset-Management




Verwaltungs-Schale ,

Verwaltungs-Schale

Verwaltungs-Schale

I4.0-konforme Kommunikation ("oben")

I4.0-Komponente I4.0-Komponente

Schnittstelle

Schnittstelle

I4.0-Komponente

…

Gegenstand mitAktiver I4.0-Komm.-

fähigkeit, so dassSchnittstellen

ausgeprägt werdenkönnen

2

= Schnittstelle/ DatenformateI40-konform ausgeführt

Komponenten-Management

1

I4.0-konforme Kommunikation ("unten")

Die Mengengerüste ändern sich

auf IT und AT Ebene!


Inhalt





Was gehört in die Verwaltungsschale??

Wir nehmen in die "Verwaltungs-Schale" auf:

► Daten ( Handbücher, Laufzeitdaten)

► Dezentrale Funktionen

► Wissen, in einer allgemein anerkannten Semantik. Z.B.

► Wissen über die Komponente

► Wissen über externe Beziehungen

► Merkmalsleisten

► Verweise auf Daten und Informationen


Verwaltungs-Schale

Das Rad nicht neu erfinden!

Etablierte internationale Standards! Industrie 4.0 = Industrie 3.0 + X !

Wir werden Standards nutzen für die Schaffung

vieler "Teilmodelle"

33

Verwaltungsschale

Identifikation

Communication

Engineering

Konfiguration

Safety (SIL)

Security (SL)

Lifecycle Status

Energie-Effizienz

Condition Monitoring

Weitere ….

IEC TR 62794 &

IEC 62832 Digital Factory

IEC 61784 Fieldbus Profiles Chapter 2

(Ethernet-Echtzeitfähig)

IEC 61360/ISO13584 Standard data elem.

IEC 61987 Data structures and elements

ecl@ss Database with product classes

IEC 61804 EDDL, IEC 62453 FDT

IEC 62443 Network and system security

IEC 62890 Lifecycle

ISO/IEC 20140-5

EN ISO 13849

EN/IEC 61508 Functional safety discrete

EN/IEC 61511 Functional safety process

EN/IEC 62061 Safety of machinery

VDMA 24582 Condition Monitoring

ISO 29005 oder URI Unique ID Bohren

Fräsen

Tiefziehen

Klemmen

Schweissen

Lackieren

Montieren

Inspizieren

Validieren

Weitere ….

Wie kann die Lieferkette der Plattform Industrie 4.0

aussehen?

34

Konzepte derI4.0-Komponente

Teilmodelle fürAspekte & Prozesse

Sprache der Industrie 4.0

Vorgaben für dieIT-Implementierungund Netze

Verwaltungsschale

Identifikation

Communication

Engineering

Konfiguration

Safety (SIL)

Security (SL)

Lifecycle Status

Energie-Effizienz

Condition Monitoring

Weitere ….

Bohren

Fräsen

Tiefziehen

Klemmen

Schweissen

Lackieren

Montieren

Inspizieren

Validieren

Weitere ….




Verwaltungs-Schale

Verwaltungs-Schale

Verwaltungs-Schale

Gegenstand, z.B. Standard-SW

Verwaltungs-Schale


Nationale und Internationale Normierung (DIN SPEC 91345)


Diskussion: Was bedeuten diese Entwicklungen für ihre Lieferkette?

Komponentenhersteller Zulieferer OEM

Liefert Industrie 4.0-Komponenten

Bietet Industrie 4.0-Dienstleistungen

Verbessert ständig sein Angebot

Nutzt schnelleres Engineering

Optimiert ständig Qualität und Takt

Integriert sich in Supply Chain

Produziert in Losgröße 1

Optimiert sein Wert-schöpfungsnetzwerk

Asset-Management, Tracking/ Tracing,Re-Use

36


[email protected]

Backup

37

Zentrales Modell: Vom Gegenstand zur I4.0-Komponente

38

Gegenstand/ Entität

Typ/ Instanz

Kommunikationsfähigkeit

Repräsentation

Funktionen

Hier ordnen wir uns in die

Begrifflichkeiten der

Industrie 4.0 ein

Hier trifft die Umsetzungstrategie

Festlegungen im Sinne von

Geschäftslogik und

Automatisierungs-

funktionen

"Verwaltungs-

schale"

Einordnung

Verteilung: Die Daten & Funktionen können

zentral gehostet werden

39

Engineering-Phasen/-Tools

beim Betreiber

IT-Serverlandschaft beim

Betreiber

Komponenten von einzelnen

Komponentenherstellern,

Systemintegrator(en)

Gegenstand, z.B. Maschine 1

Verwaltungs-Schale

Verwaltungs-Schale

Verwaltungs-Schale

Gegenstand, z.B. Maschine 2

Shopfloor

Repository


Zugriff auf Datenund Funktionen

Identifizierbarkeit

Lebenszyklus der Fabrik

Typ

Entwicklung Nutzung/Wartung

Instanz

Produktion Nutzung/Wartung

Internet of Things:

Daten & Funktionen auf dem Gegenstand

40


I4.0-Komponente

Lebenszyklus der Fabrik

Zugriff auf Datenund Funktionen

Typ

Entwicklung Nutzung/Wartung

Instanz

Produktion Nutzung/Wartung

Verwaltungs-Schale

Die I4.0-Kommunikation wird "kapselfähig" im

Sinne der industriellen Kommunikation

41

Gegenstand, z.B. Steuerung

Verwaltungs-Schale


Verwaltungs-Schale

Gegenstand, z.B. Sensor


Deterministische, Echtzeit-Kommunikation

Kommunikationen können über einenAnschluss abgewickelt werden

=

Sch

nit

tste

lle/

Dat

enfo

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I4.0-Komponente I4.0-Komponente

Dr. Michael Hoffmeister, Festo

I4.0 SG2

Ein Netzwerk konsistenter Standards zeichnet sich

ab!

43

ISO/IEC

JTC1

IEC/ISO

IEEE

eCl@ss

e.V.

ProSTEP

e.V.

PLC Open

e.V.

AutomationML

e.V.

OPC

Foundation

Time Sensitive Networks

Technologies for IoT

Security

ISO/IEC 2700x

IEC 61360 Rules for Properties

IEC 61387 Sensors Prop.

IEC 62683 Switch Gears Prop.

IEC 62832 Digital Factory

IEC 62443 Security in Automation

Mechanics

STEP + APxxx

Properties

IEC 61987 Sensors

IEC 62683 Switch Gears

30 Segments with product familiesPLC Technologies

IEC 61131

Engineering data

AutomationML

IEC 62714

Services

IEC 62541 OPC-UA

and Companions

Quelle: Heidel, SIEMENS, Hoffmeister, FESTO


I4.0 SG2Folie 44Frankfurt, 22.01.2015 –

Für Industrie 4.0 müssen wir große Mengen von

Merkmalen bewältigen!

Maximale Flexibilität und

Abbildung individueller USPs

kontinuierliche Steigerung der

Interoperabilität und des

Kundennutzens für

Beschaffung, Durchgängiges

Engineering, Wartung, etc.

Absicherung von

Kernaufgaben einer Domäne

(z.B. "Pneumatik", "Chemie")

"kalte" Standards und "konsensuale"

Findung von Merkmalen

Harte Standards

(ISO/IEC..)

"freie" Merkmalsmengen, unterschiedliche

Dateiformate, Firmenstandards


I4.0 SG2Folie 45Frankfurt, 22.01.2015 –

Wir werden auch auf Zusammenarbeit und das

Mapping verschiedener Bereiche setzen müssen!

Wir könnten es zulassen und

organisieren, dass

verschiedene Partner

Mappings zwischen

Unterschiedlichen Domänen

und zu Standards schaffen

Skaleneffekt!

Wir müssen die rechtliche

Basis für die Abbildung von

Standards in "konsensuale"

Semantiken schaffen

(z.B. ISO eCl@ass)

"kalte" Standards und "konsensuale"

Findung von Merkmalen

Harte Standards

(ISO/IEC..)

"freie" Merkmalsmengen, unterschiedliche

Dateiformate, Firmenstandards

D

B

B

C

A S

A

A

A

B

C

D

S"I40 ready"

Mehrere Lebenszyklen müssen in Industrie 4.0

berücksichtigt werden

46

Quelle: Martin Hankel, Bosch Rexroth

Merkmale einer I4.0-Komponente (I)

► Identifizierbarkeit

Sie ist im Netzwerk eindeutig identifizierbar und ihre physischen Gegenstände werden

mittels eines eineindeutigen Identifiers (ID) identifiziert. Ist sie eine CP43- oder CP44-

Komponente, so ist sie über eine Kommunikationsadresse (z.B. IP-Adresse) erreichbar.

► I4.0-konforme Kommunikation

Die I4.0 Komponenten kommunizieren untereinander mindestens nach dem SOA

Prinzip (inkl. gemeinsamer I4.0-konformer Semantik).

► I4.0-konforme Dienste und Zustände

Sie unterstützt die für ein I4.0-System allgemein standardisierten (auch nachladbaren)

Dienstfunktionen und Zustände.

► Virtuelle Beschreibung

Sie liefert ihre virtuelle Beschreibung einschließlich ihres dynamischen Verhaltens. Diese

Beschreibung wird durch die Virtuelle Repräsentation und das Manifest erreicht (

3.2.4).

47

Merkmale einer I4.0-Komponente (II)

► I4.0-konforme Semantik

Sie unterstützt die für ein I4.0-System standardisierte I4.0-konforme Semantik.

► Security und Safety

Sie bietet für Ihre Funktionalität und Daten einen der Aufgabe entsprechenden

ausreichenden Schutz (Security). Zusätzlich können in Anwendungen auch Maßnahmen

zur funktionalen Sicherheit, Maschinensicherheit notwendig sein (Safety).

► Quality of Services

Sie besitzt die für ihre Aufgabe erforderlichen Eigenschaften als „Quality of Services“

(QoS). Bzgl. der Anwendung in der Automatisierungstechnik sind dies Eigenschaften wie

Echtzeitfähigkeit, Ausfallsicherheit, Uhrensynchronisation, u.a. Diese Eigenschaften

richten sich nach einem Profil aus.

► Zustand

Sie liefert jederzeit ihren Zustand.

► Schachtelbarkeit

Jede Industrie 4.0 Komponente kann aus weiteren I4.0 Komponenten bestehen.

48

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