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Vernetzung und CPS als Basis von Industrie 4.0

Industrie 4.0 macht den Mensch zum Dirigenten der Wertschöpfung

Johannes W. Volkmann

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Industrie 4.0 im Kontext

Cyber-Physische Systeme und Cyber-Physische Produktionssysteme

Produktions-IT entlang der Wertschöpfung heute und morgen

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Industrie 4.0 – Enabler and Driver

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Quelle: DFKI (2011)

1. Industrielle Revolution durch die Einführung mechanischer Produktionsanlagen mit Hilfe von Wasser- und Dampfkraft

2. Industrielle Revolution durch die Einführung arbeitsteiliger Massenproduktion mit Hilfe der elektrischen Energie

3. Industrielle Revolution durch die Einführung von Elektronik und IT zur weiteren Automatisierung der Produktion

4. Industrielle Revolution auf Basis von Cyber-Physischen Systemen

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Ende des 18. Jhdt.

Beginn 70er des 20. Jhdt.

Heute Beginn des 20. Jhdt.

Die vierte industrielle Revolution in der Produktion

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z. B. BMW online car configurator

Steigende Komplexität in der Produktion

Pro

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Produktvielfalt

1850

1913

1955

1980

2000

z. B. Smartphone für Afrika

z. B. 3D-Druck

„People can have the Model T in any colour – as long as it´s black“ Henry Ford (1913)

z. B. VW Käfer

in A

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Die Vision Industrie 4.0 als Teil einer vernetzten, intelligenten Welt

Industrie 4.0 fokussiert auf die Produktion und den Einsatz intelligenter

Produkte, Verfahren und Prozesse

Cyber-Physical Systems ermöglichen die intelligente Fabrik

Intelligente Produkte unterstützen aktiv den Produktionsprozess

An ihren Schnittstellen wird die Fabrik zum Bestandteil einer intelligenten Infrastruktur

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Industrie 4.0 im Kontext

Cyber-Physische Systeme und Cyber-Physische Produktionssysteme

Produktions-IT entlang der Wertschöpfung heute und morgen

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Cyber-Physische Produktionssysteme

Cyber-Physical Systems

Eingebettete Systeme (als Teil von Geräten, Gebäuden, Verkehrsmittel, Verkehrswegen,

Produktionsanlagen, medizinischen Prozessen,

Logistik-, Koordinations- und Managementprozessen)

Internet-Dienste

Kennzeichen:

Unmittelbare Erfassung

physikalischer Daten mit Sensoren

Verwendung weltweit verfügbarer

Daten und Dienste

Daten auswerten und speichern

Vernetzung über digitale

Kommunikationstechnologien (drahtlos/drahtgebunden, lokal/global)

Einwirken auf physikalische Welt

mit Aktoren

Verwendung multimodaler

Mensch-Maschine-Schnittstellen (Touchdisplays, Sprachsteuerung,

Gestensteuerung, …) nach ACATECH 2012

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Enabling Technology Smart Objects & Smart Services

Funktion und Nutzen

Stellt die Verbindung zur realen Welt her (Internet der Dinge)

Integriert Sensorik / Aktorik und computing capabilities in reale Objekte

Forschungs- und Entwicklungsbedarf

Entwicklung und Integration Mikrosystemtechnik (z.B. Aktoren, Sensoren, Energie, Kommunikation, Datenmanagement)

Objects - Der reale Teil der CPS

Funktion und Nutzen

Stellen feingranulare Funktionalität zur Verfügung (App-isierung)

Flexible Kombination von smart services ermöglicht Fokussierung auf Geschäftsprozessunterstützung

Forschungs- und Entwicklungsbedarf

Methoden zum smart service life cycle Management

Einheitliche Service-Beschreibungen

Services - Der intelligente Teil der CPS

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Enabling Technology Smart Communication & Smart Safety / Security

Funktion und Nutzen

Automatisierte Integration von Industrie

4.0-Umgebungen (plug & produce)

Integration in weitere smarte

Umgebungen

(z.B. grid, building, mobility)

Forschungs- und Entwicklungsbedarf

Integrationsverfahren auf technischer und

semantischer Ebene (z.B. Netzwerk,

Hardware, Datenmodelle, Schnittstellen)

Management großer und dynamischer

Service-Strukturen

Communication -Der verbindende Teil CPS

Funktion und Nutzen

Betriebs- und Datensicherheit durch

Industrie 4.0

Integrierte Sicherheitskonzepte

Forschungs- und Entwicklungsbedarf

Best Practices für Datensicherheit auf

unterschiedlichen Ebenen

(Nachrichtenübermittlung, Datenhaltung,

smarte Objekte, etc.)

Verteilung der Sicherheitsmechanismen in

das Industrie 4.0-Umfeld

Safety / Security - Die Absicherung der CPS

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Entwicklungsstufen der CPS Von der BUS-Fähigkeit zur IP-Fähigkeit

RFID (Passive)

Reine (eindeutige) Identifikation

Intelligenz des Systems kann nur durch

zentrale Dienste bereitgestellt werden

Aktive Sensoren und Aktoren

Systeme mit genau definiertem,

geringem Funktionsumfang

Netzwerkfähige, intelligente Komponenten

Systeme aus mehreren Aktoren und Sensoren

mit zentraler Intelligenz

zentrale Schnittstelle nach außen

beschränkter Zugriff auf Subkomponenten

Systems of Systems

Mehrere CPS die ihre Einzelfähigkeiten intelligent

kombinieren um neue Fähigkeiten zur Verfügung zu stellen

Bild: GHV

CPS: cyber-physical System RFID: radio-frequency identification

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Aktive Werkstückträger Vom passiven Träger zum Cyber Physical Production System

Passives System: Unidirektionale Kommunikation

Passive Werkstückeinspannung

Keine Intelligenz

Aktives System: Bidirektionale Kommunikation

Aktive Werkstückeinspannung

Intelligenz (Sensorik, Logik, Aktorik)

Interaktion

ID

WT

Aktorik

smartWT

Logik Sen-sorik

Ener-gie

Cloud als Kontrollinstanz

Produktionsumfeld

ID

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Vorteile aktiver Werkstückträger als Cyber Physical Production Systems (CPPS)

Höhere Flexibilität

Verlagerung von Funktionalität aus der Produktionslinie in den Werkstückträger

Modulare Gestaltung von Sensorik, Logik und Aktorik

Definierte Schnittstellen

Rückverfolgbarkeit

Kontinuierliche Datenerfassung in der gesamten Produktion

Effizientere Produktion

Geringere Durchlaufzeiten durch aktive Nutzung von Liege- und Transportzeiten

Das Projekt smartWT wird im Rahmen des Spitzenclusters microTEC Südwest gefördert durch das BMBF.

Quelle: victorinox.ch

Quelle: berliner-zeitung.de / dpa

Quelle: volkswagen.de

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Mobiler Roboter mit Arm füllt Montage-

arbeitsplätze nach, nimmt leere Kisten

zurück

Mobiler Roboter (mit ausreichendem

Laderaum) bewegt sich durch den

Supermarkt, verteilt Artikel in Kisten

Mobiler Manipulator

(omnidirektional)

Laderaum

am Roboter

Grifffähigkeit

3D Umgebungserfassung

(Stereosicht, 3D-Sensor)

Zaunloser Einsatz in

industriellen Umgebungen

Mobile Helper für „low cost jobs“ Beispiel: Robotik CPS in der Intralogistik

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Das Produkt „Auto“ als CPS in der Produktion

Manufacturing Cloud

kündigt Modellvariante in nächster Montage-Box an

Bild: wirtschaftswoche.de

fährt selbsttätig von Box zu Box

Bild-Quelle: ARENA2036

bereitet Arbeitsschritte vor

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Integrationsplattform als verbindendes Element für vertikale und horizontale Integration

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ARENA2036 - Forschungscampus Stuttgart Active Research Environment for the Next Generation of Automobiles

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Alte Wertschöpfungsstrukturen werden neu gedacht Heute: Getaktete Herstellung des Autos am Band

Bild: PSA

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Alte Wertschöpfungsstrukturen werden neu gedacht Morgen: Entkopplung von Band und Takt durch flexibel vernetzbare Prozessmodule im Produktionsraum

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Roboterladestation Roboterladestation

Innenraummontage

Auto

Einbringen Roboter in Karosserie mit Hebehilfe

Innenraummontage, Stationen für Komponenten- anreichung

Ausbringen Roboter aus Karosserie mit

Hebehilfe

Mitfahrender Roboter unterstützt ältere Mitarbeiter bei der manuelle Montage (Kooperierende Montage)

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Interaktiver Einsatz mobiler Geräte in der Produktion

Visualisierung von Zuständen einzelner Komponenten oder Anlagen

Schneller Zugriff auf relevante Berichte (z. B. Fehler, Wartung) welche in direktem Bezug zu den Komponenten stehen

Wartungsaufgaben direkt anleiten und protokollieren

Reihenfolge der durchzuführenden

Arbeiten vorgeben Den Mitarbeiter durch Richtungspfeile

zu betroffenen Bereichen der Anlage führen

Wartungsabfolgen und Zwischenergebnisse protokollieren

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Industrie 4.0 im Kontext

Cyber-Physische Systeme und Cyber-Physische Produktionssysteme

Produktions-IT entlang der Wertschöpfung heute und morgen

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IKT muss die Wertschöpfung unterstützen IT-Tools als „Waffen“ der Revolution?

Wertschöpfung in komplexen Prozesslandschaften:

Einsatz eigener kleiner Insellösungen wie spezifische Datenbanken und Tools (bspw. Excel-basierte Eigenentwicklungen)

Nutzung von Papier statt IT

Zukünftig: Unterstützung durch Cyber-physische Systeme

„Dezentrale, augmentierte Steuerung mit dem Ziel einer hochflexiblen Produktion individualisierter, digital veredelter Produkte und Dienste.“

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Vertikale Vernetzung über die verschiedenen Ebenen im Unternehmen

Customer

(e.g. Architect)ManuClound

Frontend

ManuCloud

ManuCloud

Inter-Factory Infrastructure

Inter-Factory ManuCloud Connector

Customized end products

type I

ManuCloud inter-factory front-

end portal node

Executes ManuCloud

configurator

Portlets/WebServices

ManuCloud inter-factory

backbone node

Production site

Production site

Production site

Production site

Inter-Factory ManuCloud Connector

Inter-Factory ManuCloud Connector

Inter-Factory ManuCloud Connector

Customized end products

type II

ManuCloud Intra-Factory

Environment

Factory-level

services (e.g.

maintenance mgmt.)

Automation systems

level services

Inter-

Factory

Connector

ManuCloud

Intra-Factory

Environment

ManuCloud

Intra-Factory

Environment

ManuCloud

Intra-Factory

Environment

Horizontale Vernetzung entlang der Wertschöpfungsnetzwerke

Vernetzung des digitalen Engineerings entlang der Wertschöpfungskette

Software-as-a-Service- und Cloud-Konzepte ermöglichen erheblich Effizienzsteigerungen. Der optimale Nutzen wird nur durch die

föderative Verwendung von Daten und Services erreicht.

Dimensionen der intelligenten Vernetzung im Produzierenden Gewerbe

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XaaS in der Cloud sorgt für Komplexitätsreduktion IT-Landschaft HEUTE

in Anlehnung an: Fraunhofer IML, Prof. Dr. Michael ten Hompel

CAx MES

CAx MES

Manufacturing Planning Manufacturing Execution

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in Anlehnung an: Fraunhofer IML, Prof. Dr. Michael ten Hompel

Manufacturing Planning Manufacturing Execution

Virtual Fort Knox

XaaS in der Cloud sorgt für Komplexitätsreduktion Virtualisierte IT-Landschaft MORGEN

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Heute:

Zentral

Software -Suite

Integration

Monolith

Zeitversetztes Datenabbild

Lizenzkosten

Morgen:

Dezentral (CPS, Cloud)

Apps (SaaS)

Kommunikation

Offener Standard im Netz

Echtzeit Informationen

Pay-per-use

Auf dem Weg in die 4. industrielle Revolution Paradigmenwechsel in der I&K-Technologie

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Alte IT-Architekturen lösen sich auf - die Pyramide wird zum Netz in der Cloud

Bisher

Historisch klar hierarchisch strukturiertes Modell

Zukünftig

Serviceorientierung Weitergehende Serviceorientierung

(XaaS) Serviceorientierte IT-Architekturen

(SoA)

De-Hierarchisierung Auflösung der hierarchischen

Gliederung Neue Funktionen basierend auf Services

App-isierung App-Entwicklung durch Endanwender Simulationen in Echtzeit

Offene Standardisierung Effizienzvorteile von IT-Clouds Fokus auf Information / Semantik

ERP: Enterprise-Resource-Planning; MES: Manufacturing Execution System; QA: Qualitätssicherung; CAx: Computer-Aided x

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Neue IT-Architektur für die Implementierung von Industrie 4.0-Konzepten

SOA, WS

Legend

S Service

AS Aggregated Service

IS Integration Service

CS Cloud Service

CPS Cyber-Physical-System

mOS Manufacturing Operating System

AppMES, AppERP, eApps, …

Equipm. CPS1 CPS2

Manufacturing Service Bus (ESB++)

IS1 IS2 IS3

mOS AS1

S1 S2 S3

AS2

S4 S5 S6

Private or Public Cloud

Scaling

CS1 Security …

CS2 CS3

mOS AppStore

APP 1

APP 2

Devices

…

eApp Development Kit

…

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Neuer Arbeitsablauf und Effekt Die Arbeit der Ingenieure wird sich verändern

Herkömmlicher Ablauf

Anforderungsanalyse

Request for Information

Lastenhefterstellung

Make or buy decision

Design und Implementierung /

Einkauf und Customization

Roll out / Stabilisierung

Abnahme

Neuer Ablauf

Der Kunde informiert sich auf der

Plattform* und erwirbt die für ihn

maßgeschneiderten Services / Apps

Bei Bedarf werden dezentrale

Komponenten geliefert

Inbetriebnahme*

Skalierung nach Bedarf

Funktionserweiterung nach Bedarf

Eine den Ansprüchen des Kunden entsprechende, flexible

und erweiterbare Lösung

Eine wenig flexible, von Anfang an komplette und kostenintensive

Lösung

Mo

nate

Min

ute

n

* durch Hersteller und / oder Community