»Industrie 4.0«: Drahtlose Kommunikation, Lokalisierung ...€¦ · batteriebetriebene Geräte ohne Stromschienen Vorteile, Kundennutzen Reduzierte Suchzeiten und Fehlervermeidung

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»Industrie 4.0«: Drahtlose Kommunikation, Lokalisierung und RFID als Basistechnologien

René Dünkler

Quelle: Fotolia.de

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GLIEDERUNG

� Begriffsverständnis Industrie 4.0

� Relevante Industrie 4.0 Basistechnologien

� RFID

� Drahtlose Kommunikation

� Lokalisierung

� Testumgebungen zu Industrie 4.0 am Fraunhofer IIS

� Fazit

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BegriffsverständnisIndustrie 4.0 im historischen Kontext

1. Industrielle Revolutiondurch Einführung mechanischer Produktionsanlagen mit Hilfe von Wasser- und Dampfkraft

2. Industrielle Revolutiondurch Einführung arbeitsteiligerMassenproduktion mit Hilfevon elektrischer Energie

3. Industrielle Revolutiondurch Einsatz von Elektronikund IT zur weiteren Automatisierung der Produktion

4. Industrielle Revolutionauf der Basis von Cyber-Physischen Systemen, Vernetzung Produkt, Maschinen

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Ende 18. Jhdt.

Beginn 20. Jhdt.

Beginn70er Jahre 20. Jhdt.

Heute

Quelle: In Anlehnung an Schlick, Jochen; Stephan, Peter; Zühlke, Detlef: Produktion

2020 – Auf dem Weg zur 4. industriellen Revolution. In: IM – Fachzeitschrift für

Information Management und Consulting 27 (2012), Ausgabe 3, S. 26-33.

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BegriffsverständnisRelevante Industrie 4.0 Basistechnologien

� Radiofrequenzidentifikation (RFID)

� Near-Field Communication (NFC)

� Klassische »Data Logger«

� Echtzeitlokalisierungssysteme

� (Sichere) Drahtlose Kommunikation

� Komplexe Telematik

� Vernetzte Sensoren

� Sichere Funkkommunikation

� Cyber-physische Systeme

� Cloud Computing

� Big Data Analytics

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� Radiofrequenzidentifikation (RFID)

� Near-Field Communication (NFC)

� Klassische »Data Logger«

� Echtzeitlokalisierungssysteme

� (Sichere) Drahtlose Kommunikation

� Komplexe Telematik

� Vernetzte Sensoren

� Sichere Funkkommunikation

� Cyber-physische Systeme

� Cloud Computing

� Big Data Analytics

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Industrie 4.0 Begriffsverständnis am Fraunhofer IIS

Unser Ziel ist es, die reale und digitale Welt miteinander durch Lokalisierungs-, drahtlose Vernetzungs- und Identifikationstechnologien zu verknüpfen und einen Echtzeit-Austausch in beide Richtungen zu realisieren.Durch diese Kopplung der realen und der digitalen Welt schaffen wir transparente Prozesse.

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Lokalisierung

Drahtlose Kommuni-

kation

RFID

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RFID

Lokalisierung

Drahtlose Kom-

munikation

RFID

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RFIDAnwendungsfelder und Kundennutzen

� Eigenschaften RFID

� Optimierte Pulkerfassung mittels RFID und intelligenter Antennen

� Kundennutzen

� Identifikation von Produkten und Personen im Industrie 4.0-Umfeld

� Vermeidung von teuren Rückrufaktionen

� Erleichterung des Vorort-Services im Maschinenbau

� Produktverfolgung, Genaue Zuordnung

� Anwendungsbeispiele

� Allgemein Produktion und Logistik

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RFIDRFID in Faserverbundwerkstoffen

� Eigenschaften

� Integration von RFID in Faserverbundwerkstoffen

� Glasfaserverbundwerkstoffe und Kohlefaserstoffe

� Drahtlose Anbindung von eingebetteter Sensorik; Drahtlose Energieübertragung in die Bauteile

� Vorteile, Kundennutzen

� Geringe Abmessungen

� Erfassung und Optimierung von Produktionsabläufen


� Fertigungsprozesses von Faserverbundwerkstoffen

� Luftfahrt, Windräder

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RFIDRFID TAG auf Metall

� Eigenschaften

� Integration von RFID TAGs in Metall

� Kundennutzen

� Funktionalität auch innerhalb funktechnisch ungünstigen Umgebungen

� Unempfindlich gegenüber Störungen des Funksignals durch Reflektion an metallischen Gegenständen

� Zuverlässige und wirtschaftlich darstellbare Datenübertragung über die gesamte Lager-und Transportzeit hinweg

� Anwendungsbeispiel: Präzise Zuordnung von Bauteilen auf ihrem Produktionsweg

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Drahtlose Kommunikation

Lokalisierung

Drahtlose Kom-

munikation

RFID


Drahtlose KommunikationDrahtlose Vernetzung eingebetteter Systeme s-net®

� Eigenschaften

� extrem stromsparendes Kommuni-kationsprotokoll für bidirektionale Multi-Hop-Übertragung

� Kundennutzen

� langlebige Funksysteme

� einfache Installation durch Selbst-organisation „hot plug and play“

� zusätzliche Erhebung & Aggregation von Umweltdaten durch Sensorik


� Überwachung von z.B. Temperatur, Behälterfüllstand Q

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Drahtlose KommunikationAnwendungsbeispiel: Intelligenter Behälter

� Eigenschaften

� Drahtlose Vernetzung und Überwachung im gesamten Produktionsprozess sowie bei Lagerung und Transport mit s-net®

� Kundennutzen

� Erkennung von Menge/Füllstand über Sensorik, automatisierter Kanban

� Überwachung von Temperatur, Feuchtigkeit, Lage, usw.

� Reaktionsmöglichkeiten am Behälter (Prozesslogik, Assistenz Prozessstörung)

� „Mir ist zu warm!“� „Ich wurde vergessen!“� „Ich bin umgefallen!“

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Drahtlose KommunikationAnwendungsbeispiel: Prüfstände zur Qualitätssicherung

� Eigenschaften

� Für Prüfung am Linienende teilt Werkstückträger teilt Prüfstand drahtlos Prüfaufgabe, Abmessungen etc. mit

� Prüfstand sucht selbstständig nach geeigneten Prüfköpfen und aktiviert diese

� Drahtlose Kommunikation zwischen Prüfkopf und Prüfstand


� Prüfstand passt sich der Prüfaufgabe selbständig an

� Dynamische Lastverteilung der Prüfstände

� Werkstück-individuelle JustierungQuelle: SYSTEC GmbH


Drahtlose KommunikationAnwendungsbeispiel: Drahtloses Signalisierungssystem Pick-by-local-Light

� Eigenschaften

� s-net®-Technologie mit bidirektionaler Kommunikation vernetzt Signalisierungssystem an Behältern, Regalen und lokalisiert die Picker

� energieeffizientes s-net®-Protokoll ermöglicht batteriebetriebene Geräte ohne Stromschienen


� Reduzierte Suchzeiten und Fehlervermeidung bei Kommissionier- und Montageprozessen

� Flexibles System ermöglicht mobile Regale, temporäre Aufbauten, schnelle Lagerumgestaltung

Gefördert durch AiF/BMWI

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Drahtlose KommunikationMIOTY – My wireless IoT

� Eigenschaften

� Bis zu 1 Mio. Sender gleichzeitig

� Reichweite von mehreren Kilometern

� 40 km Reichweite

� Robuste Übertragung durch Telegramsplitting

� Kundennutzen

� Übertragung von Sensordaten in großen Netzwerken

� Vernetzung von Personen und Dingen mit Hilfe von intelligenten Objekten

� Anwendungsbeispiele: Überwachung von Sensor-daten im industriellen Umfeld, große Anlagen

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I AM MIOTY

MIOTY Netzwerk für industrielleAnwendungen

Drahtlose KommunikationMIOTY für Industrie 4.0

� Die Bestandteile von MIOTY

� eine Vielzahl an kostengünstigenStandardsendern

� eine Telemetrieplattform

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Heute

Vorgänger-technologie: Implementierung in Smart-Meetering-Anwendungen

IoT -Telemetrie Link zwischenErlangen und Nürnberg

Integration in professionelle IoT –Anwen-dungen

Drahtlose KommunikationMIOTY Roadmap


Drahtlose KommunikationBreitbandige Datenübertragung

� Eigenschaften

� Energieeffiziente Technologielösung

� Miniaturisierte Signalverarbeitungsplattform

� Integration von digitaler Signalverarbeitung und Hochgeschwindigkeits-D-A-Umsetzung

� Sendeanwendungen bis 2,7 GHz

� Kundennutzen

� Sichere Übertragung mit hoher Datenrate


� Wartungen im industriellen Umfeld

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Lokalisierung

Lokalisierung

Drahtlose Kom-

munikation

RFID


LokalisierungKundennutzen durch Ortungstechnologien

� Flexible Materialflusstechnik und Automatisierung

� Beschleunigtes Auffinden von Objekten

� Vermeidung von Suchaktionen und Prozessunterbrechung

� Automatisierung von Prozessschritten

� Verminderung von Fehlprozessierung

� Reduzierung von Handlingsprozessen

� Effiziente Steuerung von Prozessen

� Ressourcenersparnis

� Kosteneinsparungen

� Durchsatzerhöhung

� Transparenz in der Produktion und der Produktionsprozesse


LokalisierungAnforderungen an die Lokalisierungstechnologien

� Kostengünstig bei hoher Zuverlässigkeit auch in heterogenen Umgebungen

� Koexistent zu etablierten Funktechnologien

� Leicht zu installieren, leicht zu bedienen

� Einmal installiert und kalibriert soll die Technologie aufwandfrei funktionieren

� Transparent zu den Produktionsprozessen (darf keine zusätzliche Arbeitsschritte einfügen)

� Geringer Wartungsaufwand, lange Batterielaufzeit

� Hohe Flexibilität, Kombination von verschiedenen Technologien

� Hybride Lokalisierungssysteme

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LokalisierungGrundprinzipien der Ortsbestimmung


Infrastruktur-basierte

Funkortung

Infrastruktur-basierte

Funkortung RFIDRFID GNSSGNSS WLANWLAN WSNWSN

Ultraschall InfrarotFunk Sichtbares Licht

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Zell-

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Laufzeit-

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Feldstärke-

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Nachbar-

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Winkel-

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Phasen-

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Inertial-

sensorik

Branchen / AnwendungenBranchen / Anwendungen

Nut

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LokalisierungGrundprinzipien der Ortsbestimmung

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Folie 25

rgs4 ICONS sind abgesägtAngela Raguse-Foessel; 24.06.2015

rgs5 fällt raus - einziges Adjektiv/AdverbAngela Raguse-Foessel; 24.06.2015


LokalisierungAutarkes Monitoring und Tracking von Werkzeugen

� Qualitätssicherung in der Produktion, z.B. Zuordnung einer Verschraubung zu einem Werkstück und einer Position

� Erreichbar durch Kombination von Positionsdaten und Zustandsklassifikation

� Auf Basis von autarken, low-cost Sensoren: Beschleunigungen, Drehraten und Magnetfeld

� Ermittelt werden:

� Zurückgelegter Weg und Ausrichtung

� Zustände: Werkzeug in Ladestation, in Ruhe, in Bewegung, wird getragen, etc.

� Kombinierbar mit Funkortung


LokalisierungBeispiele zur Ortsbestimmung: awiloc®

� Eigenschaften

� Basisstationen senden eindeutig identifizier-bare Signale aus und mobile Endgeräte empfangen diese Signale je nach Abstand mit unterschiedlichen Empfangsfeldstärken.

� Die Empfangsfeldstärken mehrerer Basisstationen ergeben an einer Position ein charakteristisches »Muster« daraus bestimmt der Lokalisierungsalgorithmus die Position

� Kundennutzen

� Robuste Lokalisierung im m-Bereich

� Anwendungsbeispiel

� Gabelstaplern, Kennzahlenermittlung Quelle: Fraunhofer IIS


LokalisierungBlackFIR® – adaptive Ortungstechnologien

� Eigenschaften

� Version in 868 MHz, 2.4 GHz, 5.8 GHz

� Indoor / outdoor

� Positionsgenauigkeit 1 – 2 m

� Reichweite (outdoor) 100 – 300 m

� Technologie: AoA, RTT, Inertialsensorik

� Kundennutzen

� » Easy to install

� «Anpassbar an verschiedene Kommunikationsstandards

� Anwendungsbeispiel

� Ortung von Gabelstaplern in Produktion

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� Eigenschaften

� Ultra-Wideband-Systeme als robuste Funkortungstechnologie in anspruchsvollen Indoor-Umgebungen

� Basiert auf zeitlich kurzen Impulsen


� Hohe Robustheit gegenüber Effekten der Mehrwegausbreitung

� Ungestörte Nutzung des Spektrums in Koexistenz mit anderen Funksystemen

� Implementierung vorhandener Chipsätze


� Hohe Genauigkeiten für Produktion

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LokalisierungUWB Systeme


LokalisierungBeispiel zur Ortsbestimmung: Sensorfusion

� Eigenschaften:

� Kombination von Sensorsignalen durch Schätzalgorithmen

� Einbindung von Zusatzinformationen wie Karten oder Datenbanken

� Vorteile und Kundennutzen:

� Erhöhung von Genauigkeit, Robustheit und Verfügbarkeit der Ortungslösung

� Anwenderorientierte Datenveredelung

� Anwendungsbeispiele:

� Ortung von Menschen, Fahrzeugen und Objekten inner- und außerhalb

Quelle: Fraunhofer IIS


Lokalisierungs-net ® SmartTracking: Lokalisierung, Kommunikation, Sensorik und Anwendungslogik vereint

� Eigenschaften:

� s-net® SmartTracking vereint Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik mit lokaler Anwendungs-logik und Prozesswissen auf mobilen Plattformen

� Vorteile und Kundennutzen:

� durchgängige Digitalisierung von Prozessen und Wertschöpfungsketten

� Anwendungsbeispiele:

� Verfolgung von Transportbehältern, Lokalisierung von Baugruppen im Montageprozess

Quelle: Fraunhofer IIS


LokalisierungBeispiele zur Ortsbestimmung: Arealüberwachung

� Eigenschaften

� Aufbau eines schwachmagnetischen Feldes

� Einbettung eines stromdurchflossenen Leiters an Boden, Türen oder Toren

� Ausstattung der Personen und Objekten mit intelligenten Transpondern

� Kundennutzen

� Abgrenzung und Kontrolle von Arealen mittels Geofencing, trennscharfe Detektion von Grenzüberschreitungen


� Alarmauslösung bei Grenzüberschreitung

� Schutz von Mitarbeitern und Objekten

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LokalisierungAnwendungsbeispiel für hybride Lokalisierungssysteme: Staplerortung und Warenortung

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� Tracking von Flurförderfahrzeugen mit aktiver Ortungstechnologie

� Hohe Performance

� Sensorfusion von unterschiedlichen Ortungstechnologien

� Zuverlässig und robust

� Warenortung mit passiven UHF RFID-TAGs

� Nutzung kostengünstiger standardisierter passiver UHF RFID-TAGS

� Kein Batteriewechsel notwendig

� Waren/Paletten zum Teil ab Werk getagged

� Reichweite <10 Meter


LokalisierungAnwendungsbeispiel für Hybride Lokalisierungs-systeme: SELECT

� Eigenschaften

� Integration von Identifikations und präziser Lokalisierungsfunktionen

� Lokalisierung in Echtzeit im cm-Bereich

� Identifikation, Lokalisierung und Nachverfolgung von Produkten in Logistik und Industrie 4.0

� Kundennutzen

� Lange Batterielebensdauer durch semi-passive Transponder und ihre drahtlose Aktivierung

� Einfache Installation bei gleichzeitiger hohe Genauigkeit

� Intelligentes Funknetzwerk aus verteilten Sende-Empfängern


� Derzeit Demonstrator in Produktionsumfeld, Fließband


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Lokalisierung:Anwendungsbeispiel für hybride Lokalisierungssysteme: BlackFIR® 868 + s-net®

� Eigenschaften

� Technologie zur Bestimmung des Aufenthaltsorts von Anlagenteilen, Werkzeugen und von Personen in Echtzeit in industrieller Umgebung

� Kundennutzen

� Identifikation von Ersatzteilen, Halbzeugen, Endprodukten und Werkzeugen – keine Suche

� Schnelle Erfassung von kritischen Situationen und Beurteilung

� Anwendungsbeispiel: Integration in Halbleiterfertigung


LokalisierungAnwendungsbeispiel für Hybride Lokalisierungs-systeme: Holodeck 4.0

VORTEILE

Anwendungsbereich Halbleiterfertigung

Kundennutzen und Potential von ORAT

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� Eigenschaften

� Genaue Positionierung in Virtual Reality-Anwendungen auf einem Areal von 1.400 qm

� Basistechnologie: RedFIR®

� Interaktive Nutzung und freies Bewegen in 3D-Modellen

� Entwicklung einer Virtual Reality-Anwendung maßgeschneidert nach Anforderungen des Kunden

� Adaption unserer VR-Technologie und Lokalisierung für kundeneigene VR-Anwendung


LokalisierungAnwendungsbeispiel für hybride Lokalisierungssysteme: Holodeck 4.0

VORTEILE

Anwendungsbereich Halbleiterfertigung

Kundennutzen und Potential von ORAT

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� Kundennutzen

� Live-Optimierung von Produktionsprozessen

� Verkürzung der Produktentwicklungszeit

� Nachbau neuer Produktionslinien

� Kostenreduktion durch frühzeitige Fehlererkennung

� Anwendungsbereiche

� Produktion, Logistik

� Adaptierbar auf weitere Anwendungen: Gaming, Training, Architektur


� Testhalle und Speziallabore

� 1400 qm Hallen- und Laborfläche

� Außenbereich

� 10.000 qm Freifläche

� LKW-Laderampen mit direkter Zufahrt durch die Halle und über die Freifläche zu Test- und Demonstrationszwecken von logistischen Anwendungen

� Sichere PKW-Fahrstrecke von 100m Länge

� Kontrollturm zur Steuerung der Gesamtanlage

PKW-Fahrstrecke

LKW- Rundkurs (durch Innen-und Außenbereiche

Testumgebungen zu Industrie 4.0 am Standort NürnbergTest- und Anwendungszentrum L.I.N.K

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Blick ins Test- und Anwendungszentrum L.I.N.K.


Testumgebungen zu Industrie 4.0 am Standort NürnbergTest- und Anwendungszentrum L.I.N.K

Technologie Anwendung

Entwicklung und Forschung in realer

Umgebung für Industrie 4.0

Bündelung der IoT-Leittechnologien

− Lokalisierung

− Identifikation

− Navigation

− Kommunikation

am Standort Nürnberg

− Durchführung komplexer Testreihen

− Reproduzierbare Umgebungsbedingungen

− Charakterisierung von Lokalisierungs-systemen

− Studien zur Optimierung des Technologieeinsatzes

Demonstrationen und Tests für Partner und Kunden zur Entwicklung innovativer Lösungen für Logistik, Industrie 4.0, Energie, Sicherheit und Mobilität


Industrie 4.0 am Standort NürnbergFraunhofer IIS – Fachzentren im Nordostpark

� Technologien für IoT im Nordostpark

� RFID

� Drahtlose Kommunikation, Vernetzung

� Lokalisierung

� Anwendungen/Branchen im IoT-Umfeld:

� Logistik

� Industrie 4.0

� Energie

� Sicherheit

� Mobilität

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Industrie 4.0 am Standort CoburgFraunhofer-Anwendungszentrum Drahtlose Sensorik

� Entwicklung kundenspezifischer Anwendungen drahtloser Sensorik für Industrie 4.0, Smart City, Gebäudemanagement und Landwirtschaft

� Kooperation mit Hochschule Coburg

� Expertise in

� Effizienter Erfassung und Übertragung von Sensorikdaten (mit s-net®, Bluetooth 2.0/LE, ZigBee etc.)

� Zielgruppengerechter Steuerung, Auswertung (z.B. mit MQTT), Visualisierung von Sensormessungen

� Sicherer Authentisierung, Identifikation und Datenspeicherung

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Fazit

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� Industrie 4.0 ist DIE Zukunftsstrategiefür die deutsche Wirtschaft

� Für diese Vision werden Basistechnologien benötigt

� Beispiele sind

� RFID

� Drahtlose Kommunikation

� Lokalisierungstechnologien

� Testmöglichkeiten bestehen im Test- und Anwendungszentrum L.I.N.K.

� Fraunhofer IIS ist kompetenter, technologieneutraler Entwicklungspartner


Ihr Ansprechpartner

René DünklerFraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IISNordostpark 9390411 Nürnberg

[email protected]

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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