20140226 Vortrag Industrie 4.0 EWF · Virtuelle Produktentstehung Prof. Dr.-Ing. R. Stark...

Industrie 4.0 –Neue Potentiale für die AutomatisierungEWF, 26.02.2014

Prof. Dr.-Ing. Jörg Krüger

Industrie 4.0

Neue Potentiale für dieAutomatisierung

Präsentation für EWF26. Februar 2014




Das PTZ im Überblick

AutomatisierungstechnikProf. Dr.-Ing. J. Krüger

Virtuelle ProduktentstehungProf. Dr.-Ing. R. Stark

UnternehmensmanagementKommissarische Leitung: Dr.-Ing. H. Kohl

ProduktionssystemeProf. Dr. h. c. Dr.-Ing. E. Uhlmann

MedizintechnikProf. Dr.-Ing. E. Keeve

Fraunhofer-GesellschaftInstitut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK)

Montagetechnik und FabrikbetriebProf. Dr.-Ing. G. Seliger

Industrielle AutomatisierungstechnikProf. Dr.-Ing. J. Krüger

Werkzeugmaschinen und FertigungstechnikProf. Dr. h. c. Dr.-Ing. E. Uhlmann

Technische Universität BerlinInstitut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF)

Industrielle InformationstechnikProf. Dr.-Ing. R. Stark

QualitätswissenschaftProf. Dr.-Ing. R. Jochem

Füge- und BeschichtungstechnikKommissarische Leitung: Prof. Dr.-Ing. R. Stark

MikroproduktionstechnikProf. Dr. h. c. Dr.-Ing. E. Uhlmann

Füge- und BeschichtungstechnikProf. Dr.-Ing. Michael Rethmeier

QualitätsmanagementProf. Dr.-Ing. R. Jochem



Daten und Fakten

1986 Bezug des PTZ durch IWF und IPK

> 600 Mitarbeiter

Mehr als 90 Versuchsstätten und 9 Speziallabore auf ca. 9 500 m²

Etat von ca. 30,6 Mio. Euro im Jahr 2012

12 % der ehemaligen Mitarbeiter gründeten ein eigenes Unternehmen

Produktionstechnisches Zentrum



Einleitung - was bedeutet ‚Industrie 4.0‘?

Auf dem Weg zur Smart Factory

Produkte werden intelligent

Werkstattsteuerung mit cyber-physischen Systemen

Cloudbasierte Steuerungen

Auswirkungen auf die Produktion

Übersicht



Was bedeutet Industrie 4.0?

Evolution und Revolution in der Produktion

1769Mechanisierung

1913Arbeitsteilung und Massen-produktion

1969Mikroprozessor in der Produktion

Cyber-physische Systeme



Was bedeutet Industrie 4.0?


Definition der Plattform Industrie 4.0 (BITKOM, VDMA, ZVEI) vom 05.07.2013:

Der Begriff Industrie 4.0 steht für die vierte industrielle Revolution, einer neuen Stufe der Organisation und Steuerung der gesamten Wertschöpfungskette über den Lebenszyklus von Produkten. Dieser Zyklus orientiert sich an den zunehmend individualisierten Kundenwünschen und erstreckt sich von der Idee, dem Auftrag über die Entwicklung und Fertigung, die Auslieferung eines Produkts an den Endkunden bis hin zum Recycling, einschließlich der damit verbundenen Dienstleistungen.

Basis ist die Verfügbarkeit aller relevanten Informationen in Echtzeit durch Vernetzung aller an der Wertschöpfung beteiligten Instanzen sowie die Fähigkeit aus den Daten den zu jedem Zeitpunkt optimalen Wertschöpfungsfluss abzuleiten. Durch die Verbindung von Menschen, Objekten und Systemen entstehen dynamische, echtzeitoptimierte und selbst organisierende, unternehmensübergreifende Wertschöpfungsnetzwerke, die sich nach unterschiedlichen Kriterien wie bspw. Kosten, Verfügbarkeit und Ressourcenverbrauch optimieren lassen.



BMBF Rahmenkonzept „Forschung für die Produktion von morgen“

Verbundprojekte zum Thema Industrie 4.0

BAZMod - Bauteilgerechte Maschinenkonfiguration in der Fertigung durch Cyber-Physische Zusatzmodule

CyProS - Cyber-Physische Produktionssysteme - Produktivitäts- und Flexibilitätssteigerung durch die Vernetzung intelligenter Systeme in der Fabrik

ERANET-MANUNET-ARSGuide - Augmented Reality System for Guidance

ERANET-MANUNET-DeLas - Development and Ramp up of automated Laser Assembly

ERANET-MANUNET-MANUbuilding - Energy efficient building for industrial environment

ERANET-MANUNET-Sim4SurfT - Integrated Simulation System for Laser Surface Treatment of Complex Parts



BMBF Rahmenkonzept „Forschung für die Produktion von morgen“

Verbundprojekte zum Thema Industrie 4.0

IWEPRO - Intelligente selbstorganisierende Werkstattproduktion

KapaflexCy - Selbstorganisierte Kapazitätsflexibilität in Human-Cyber-Physical-Systems

KARISPRO - Kleinskaliges Autonomes Redundantes Intralogistik-System in der Produktion

plCASSO - Industrielle CloudbASierte SteuerungsplattfOrm für eine Produktion mit cyber-physischen Systemen

ProSense - Hochauflösende Produktionssteuerung auf Basis kybernetischer Unterstützungssysteme und intelligenter Sensorik

RobIN4.0 - Robustheit durch Integration, Interaktion, Interpretation & Intelligenz

SmartTool - Intelligente Werkzeuge für die vernetzte Fertigung von morgen



Barcode

RFID Transponder

eGrains

Heute: Produktidentifikation

Morgen: Produktgedächtnis

Übermorgen: Produktintelligenz

lesbare Informationsträger

Identifikation von Produkten, Werkstücken

Lesen und Schreiben von Informationen

Traceability und Dokumentation in Produktion

Informationsverarbeitung in Funksensorknoten

Werkstücke bringen Bearbeitungsinformation mit

Objekte kommunizieren, kooperieren, entscheiden

Dezentrale Intelligenz durch Agenten

Flexibilität durch produktgetriebene Fertigung

Auf dem Weg zur Smart FactoryProdukte werden intelligent

© F

raun

hofe

rIP

K



Auf dem Weg zur Smart FactoryVision: Produktion mit verteilter Intelligenz

Intelligente Fertigungseinrichtungen, Komponenten, Werkstücke,

dezentrale, kooperative Steuerung und Organisation,

Adaption an Veränderungen im Produktionsumfeld.

Beteiligte Komponenten

sind mit lokaler Intelligenz ausgestattet,

kommunizieren aktiv miteinander,

bewältigen in Kooperation eigenverantwortlich Aufgaben.

© F

raun

hofe

rIP

K



Vernetzte Maschinen und Werkstücke

Information an Bord

Lager für Rohteile

Arbeitsfortschritt am Werkstück visualisiert

Funkknoten für

Maschinen

Werkzeuge

Werkstücke

Sensoren

Auf dem Weg zur Smart FactoryWerkstücke steuern ihren Weg durch die Fertigung

Selbstorganisierende Produktion

© F

raun

hofe

rIP

K



Cyber-Physische Produktionsunterstützung

für dieWerkstattfertigung

Ind 4.0

Kooperierende Produktionsmittel

InteroperabilitätIntelligenz

DezentralePlanung und Steuerung

DynamisierungAdaptivität

OP110HartrehenSchleifen

OP130WaschenIn Körben

OP140Prüfen

OP110Harträumen

OP120Powerhonen

OP130Waschen

in Körben

OP140Prüfen

Zahnräder Gangräder

OP110Hartdrehen &

Schleifen

OP120Schleifen

OP130Waschen

in Körben

OP140Prüfen

Stirnräder

Werkereinbindung

Gestaltung Produktionsarbeit

Auf dem Weg zur Smart FactoryIWEPRO - Intelligente selbstorganisierende Werkstattproduktion



OP110HartrehenSchleifen

OP130WaschenIn Körben

OP140Prüfen

OP110Harträumen

OP120Powerhonen

OP130Waschen

in Körben

OP140Prüfen

Zahnräder Gangräder

OP110Hartdrehen &

Schleifen

OP120Schleifen

OP130Waschen

in Körben

OP140Prüfen

Stirnräder


Steuern

Rüsten Bearbeiten Beladen

Kommunikation Intelligenz

Simulieren

Pro

du

ktio

nsm

itte

lSo

ftw

are

un

d IT

Mit

arb

eite

r

Planen

Kooperation Arbeitsgestaltung



Auf dem Weg zur Smart FactorypICASSO - Cloudbasierte Steuerungen





1769Mechanisierung

1913Arbeitsteilung und Massen-produktion

1969Mikroprozessor in der Produktion

Cyber-physische Systeme



Aufwändige Re-/Konfiguration

Geringe Erweiterbarkeit, Aktualität und Zukunftssicherheit

Aufwändige Updates

Bedienung nur über lokale Steuerung

Eingeschränkte Redundanz

Geringe Performance bei komplexen Algorithmen

Aufwändige Datenprotokollierung und Dokumentation

Keine Selbstoptimierung

Sicherheit und Schutz des Prozess-Know-Hows für jede Steuerung zu lösen

Fabrik-ebene

Planungs-ebene

Leit-ebene

Zellen-ebene

Maschinen-ebene

Fabrik-steuerung

Planung

Leit-steuerung

Zellen-steuerung

Maschinen-steuerung

HMI

HMI

HMI

HMI

HMI

Bediener

Akto-rikSenso-

rik

ProzessSimu-lation

Mobil-gerät

Fern-wartung

Instand-halter

Inbetrieb-nehmer

Engineer-ingtool

Sollw

ertv

org

aben

Schnittstelle

Auf dem Weg zur Smart Factory – cloudbasierte SteuerungenAusgangssituation – hierarchische Steuerungsarchitektur



Auf dem Weg zur Smart Factory – cloudbasierte Steuerungen

Ausgangssituation – hierarchische Steuerungsarchitektur

Klassische Steuerungsstruktur der

Fabrik

Hochflexibel vernetzte Steuerung der Fabrik mit

Cloud-Mechanismen

VRC – Virtual Robot Controller MES – Manufacturing Execution SystemSPS – Speicherprogrammierbare Steuerung CNC – Computerized Numerical ControlVNC – Virtual Numerical Control ERP – Enterprise Resource Planning SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition




Gemeinsamer Ressourcenpool

VRC – Virtual Robot Controller MES – Manufacturing Execution SystemSPS – Speicherprogrammierbare Steuerung ERP – Enterprise Resource PlanningVNC – Virtual Numerical Control




Freie Kapazitäten hochflexibel nutzenInnovation Virtualisierung streng

hardwaregebundener echtzeitfähiger Steuerungsaufgaben

Flexible Bereitstellung von Steuerungen

Cloud-basierte Datenhaltung der Algorithmen und Prozessparameter

Technische Herausforderungen Echtzeitfähigkeit

(Steuerungstakt, Jitter)

SicherheitVRC – Virtual Robot Controller MES – Manufacturing Execution SystemSPS – Speicherprogrammierbare Steuerung IF – Interface VNC – Virtual Numerical Control



Neue Potentiale für die Produktion - cloudbasierte SteuerungenModularisierung und Zentralisierung

Programm

Interpreter

Interpolator

Koordinatentransformation

Feininterpolator

Lageregelung

Geschwindigkeitsregelung

Stromregelung




Mehrwertdienste / APPs / Module

VRC – Virtual Robot Controller MES – Manufacturing Execution SystemVNC – Virtual Numerical Control IF – Interface



Umsetzung der Cloud-Merkmale in pICASSOMerkmal NIST Definition pICASSO

On-demand SelfService

Die Bereitstellung der Ressourcen (z.B. Rechenleistung, Datenspeicher) läuft automatisch ab

- Instanziierung neuer Steuerungskerne

Broad Network Access

Die Services sind über einheitliche Schnittstellen im gesamten Netz verfügbar

- Mehrwertdienste- Zusätzliche

FunktionsmoduleResourcePooling

Die Ressourcen liegen in einem Pool vor, aus dem sich viele Anwender bedienen können

- App-Konzept- Zentrale Datenhaltung

Rapid Elasticity Die Services können schnell und flexibel zur Verfügung gestellt werden, in manchen Fällen automatisch

- Skalierbare Rechenleistung über Prozessorkerne

MeasuredServices

Die Ressourcennutzung kann gemessen, überwacht und entsprechend bemessen den Anwendern zur Verfügung gestellt werden

- MaßgeschneiderteBereitstellung von Steuerungsfunktionen und -leistung

Auf dem Weg zur Smart Factory – cloudbasierte SteuerungenNutzung von Cloudmechanismen für Maschinen und Robotersteuerungen



Umsetzung der Cloud-Merkmale in pICASSOMerkmal NIST Definition pICASSO

Software as a Service

Nutzung von Software auf der Basis einer transparenten Bereitstellung von Ressourcen und Diensten

- Nutzung ausgewählter Steuerungsfunktionen und –software als Dienst

Platform as a Service

Bereitstellung von Infrastruktur zur Ausführung kundenspezifischer Anwendungen

- Virtualisierung von Teilen einer Steuerung in der Cloud

Infrastructureas a Service

Bereitstellung von Infrastruktur zurAuslagerung kompletter IT-Systeme

- Mehrwertdienste in der Cloud

Private Cloud Unternehmenseigene und nur von diesem Unternehmen selbst genutzte Cloud-Umgebung

- Nutzung von Cloud-Technologien zunächst nur im unternehmenseigenen Netz

Community Cloud

Cloud-Infrastruktur nur für einen speziellen Nutzerkreis zugänglich und nutzbar

- Angestrebte sichereUmgebung zur Verbindung von Steuerungen und Mehrwertdiensten

Auf dem Weg zur Smart Factory – cloudbasierte SteuerungenNutzung von Cloudmechanismen für Maschinen und Robotersteuerungen



Beherrschung von Echtzeitanforderungen.

Sicherheit cloud-basierter Steuerungen.

Vereinheitlichung von Schnittstellen zwischen unterschiedlichen Steuerungssystemen, um die Potentiale der Cloud-Struktur optimal nutzen zu können.


Herausforderungen



Vernetzte Intelligenz auf dezentraler Ebene -> Entkopplung von Prozessen

Bauteilintelligenz und Kommunikationsfähigkeit von Bauteilen

Ortung von Bauteilen ermöglicht flexiblere Logistik

Höhere Transparenz dicht am Prozess durch Vernetzung mit lokaler Sensorik

Kontextbezogene lokale Bereitstellung von Daten für den Nutzer

Zugriff auf Daten dicht am Prozess über mobile Rechnerplattformen

Bereitstellung passgenauer Software für spezifische Aufgabenstellungen über App-Konzept

Auswirkungen auf die ProduktionReduktion von Komplexität durch dezentrale Intelligenz



Höhere Sicherheit der gesamten Fabriksteuerung in Private Cloud als bei dezentralen Steuerungen. Möglichkeit zur Integration von Alt-Steuerungen, deren Betriebssysteme nicht mehr mit Sicherheits-Updates versorgt werden (‚Legacy-Systeme‘), in die Cloud.

Stärkere Hardwareunabhängigkeit der Steuerungen. Daraus resultiert eine höhere Investitionssicherheit und eine längere Nutzbarkeit von Steuerungssoftware -> Investitionssicherheit

Flexible Verteilung von Rechenleistungen an rechenintensive Prozesse wie z.B. komplexe Geometrieberechnungen (z.B. 5-Achsen-Interpolation) oder Sensordatenverarbeitung (z.B. für die In-Prozess-Qualitätskontrolle).

Vereinfachtes Upgrade und Retrofitting alter Maschinen mit moderner Steuerungsfunktionalität über die Cloud.

Vereinfachte Verkettung von Maschinen und Anlagen durch Kommunikation über gemeinsame Cloud-Speicherbereiche an Stelle heterogener Kommunikationsstrukturen.

Ausblick – Auswirkungen auf die ProduktionSichere, effiziente und flexible Prozesse durch Cloud-basierte Systeme



Höhere Energieeffizienz durch Virtualisierung von Steuerungen. Reduktion von Stand-by-Verbräuchen durch flexible Nutzung der Rechenleistung durch unterschiedliche Steuerungsprozesse.

Vereinfachte Anbindung von Mehrwertdiensten ( wie z.B. Simulation, Prozessmodellierung, Visualisierung, Mensch-Maschine-Schnittstelle, Programmierung).

Vereinfachte Integration produktionsbezogener Apps, beispielsweise zur Datenvisualisierung über mobile Plattformen (Tablets, Smartphones) in der Fabrik.

Auswirkungen auf die ProduktionNeue Wertschöpfungspotentiale



Expertenzitate aus Studie des Fraunhofer IAO Produktionsarbeit der Zukunft – Industrie 4.0

» Der Unterschied zwischen der dritten und der vierten

industriellen Revolution liegt darin, dass wir in der dritten eine starre

oder flexible Automatisierung mit den bisherigen Möglichkeiten

hatten und wir nun eine intelligente und wandlungsfähige

Automatisierung erreichen wollen.«

Auswirkungen auf die ProduktionWas bringt Industrie 4.0?

»Industrie 4.0 adressiert nicht ausschließlichdie Massenproduktion, sondern vor allem die Flexibilisierung der Produktion. Dieintelligente Fabrik der Zukunft ist hochflexibel, hochproduktiv und ressourcenschonend. Dadurch wird die Individualisierung (Losgröße 1)zu den ökonomischen Konditioneneines Massenherstellers Realität.«

»Der Trend den wir sehen, ist dieAbkehr von der Massenproduktionzur Individualproduktion bis hin zur

Mikroproduktion. Wir haben hier immermehr autonome Systeme, die in der Lage

sind, auch sehr kleine Losgrößen zu produzieren.«



Das Unternehmenmanagen

Produkte entwickelnund optimieren

Teilefertigung mit Maschinenund Montage in Vorrichtungen

Materialflussund Fördertechnik

mit automatisierter Anlagentechnik

© F

otos

: Fra

unho

fer

IPK

(ver

schi

eden

e Fo

togr

afen

); BA

M

Industrie 4.0 am Standort BerlinIT-Prozesse in der Fertigungs-Prozesskette der FabrikBeispiel: Ein Produkt entsteht

Workflows,KPI, ERP

Modellierung & Absicherungdigitaler ModelleInformations-management

Digitale Fabrik,Simulationsmodellevon Produkt, Prozess, Ressource & Fabrik

Zustands-Erfassung & Digitalisierung

Prozesserfassung &-kontrolle

Vernetzung,Steuerung &Regelung

NC-BearbeitungSPS

Qualität garantieren

Teile und AnlagenInstand halten

Fabrik & Produktionplanen und simulieren

Auftragssteuerung



Direkte Wertschöpfungsanteile

Produktentwicklung und digitale Absicherung (CAx, DF)

Produktionsplanung (ERP)

Materialfluss / Logistik

Maschinensteuerung / Regelung (CNC, RC, SPS, SCADA)

Fertigungssteuerung (MES)

Datenerfassung (MDE/BDE)

Qualitätskontrolle/ Datenanalyse

Facility Management (Energie u.a.)

Industrie 4.0 am Standort BerlinDerzeitige IT-bezogene Wertschöpfung in der Produktion

© F

raun

hofe

rIP

K

Indirekte Wertschöpfungsanteile

IT-Administration

IT-Hosting

Bereitstellung IT-Infrastruktur (Rechenleistung, Kommunikation)

Software-„Orchestrierung“

IT-Sicherheit



Industrie 4.0 am Standort BerlinAufbau eines Demonstrationszentrums „Factory IT of the Future“

Stufe 1 – Analyse neuer Wertschöpfungspotenziale für Berliner IT-Unternehmen durch Industrie 4.0

Bestandsaufnahme Berliner IT-Kompetenz für die Produktion

Besondere Stärken und Innovationspotentiale bzgl. Industrie 4.0

Bündelung Berliner Kompetenz für die IT-Struktur der Fabrik von morgen -> Aufbau neuer IT-Wertschöpfungsnetze „Industrie 4.0“

Stufe 2 – Aufbau eines Demonstrations-und Anwendungszentrums „Factory IT of the Future“

Geplantes Future Control Lab als Kern

Erweiterung zur erlebbaren Informationsfabrik

PTZ-Versuchsfeld als Demonstrationslabor

Schrittweise Erweiterung auf Standorte von Industriepart-nern im Sinne eines vernetzten DemonstrationszentrumsFactory-IT of the Future ©

Fra

unho

fer

IPK



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

20140226 Vortrag Industrie 4.0 EWF · Virtuelle Produktentstehung Prof. Dr.-Ing. R. Stark...

Documents

Transcript of 20140226 Vortrag Industrie 4.0 EWF · Virtuelle Produktentstehung Prof. Dr.-Ing. R. Stark...