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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
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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
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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