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Industrie 4.0

Olaf Sauer

Kloster Bronnbach, 28. September 2016

Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB

Karlsruhe Ettlingen Ilmenau Lemgo

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Fraunhofer IOSB, GF Automatisierung, 2016

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1. Das IOSB im Überblick

Kennzahlen: Betriebshaushalt 2015 44 Mio. €

Stammpersonal 449

davon Wiss./Ingenieure 332

wiss. Hilfskräfte 171

Institutsleitung: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Beyerer

Kernkompetenzen: Optronik

Systemtechnik

Bildauswertung

Geschäftsfelder: Automatisierung

Energie, Wasser, Umwelt

Inspektion und Sichtprüfung

Verteidigung

Zivile Sicherheit

Kooperation mit: Fakultät für Informatik, Institut für Anthropomatik,

Lehrstuhl für Interaktive Echtzeitsysteme IES

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1. Ausgangspunkt unserer Arbeiten zu Industrie 4.0: ProVis.Agent für

Daimler in Rohbau, Lack, Montage

Das integrierte Leit- und Auswertesystem für Daimler (Werke Bremen und Wörth) umfasst die Komponenten - ProVis.Agent® als Leitsystem, - ProVis.Visu® als Realzeit-Visualisierungssystem, - ProVis.Paula® als webbasiertes Auswertesystem. ProVis.Agent überwacht im Werk Bremen rd. 1.160 speicher-programmierbare Steuerungen (Rohbau rd. 660, Lack rd. 250, Montage rd. 250) von rd. 2.000 Anlagen vom Rohbau über Lackierung bis zur Montage (siehe http://www.iosb.fraunhofer.de/servlet/is/18350/)

Web-basiertes Auswertesystem für Produktions- und Anlagedaten auf Basis von WebGenesis®

Mengengerüst Daimler Bremen: 1 TByte Rohdaten/35d, > 3.000 Anlagen, > 1.560 Nutzer (siehe http://www.iosb.fraunhofer.de/servlet/is/18202/)

Zentrale Leitwarte der Montage in Bremen

Prozessführung eines Montageabschnitts

Beispiel für die ProVis.PAULA-Oberfläche

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Für Europas größtes Nutzfahrzeugwerk in Wörth (Baureihen Actros, Axor, Atego) hat das IOSB folgende Komponenten geliefert (incl. Wartung und Service): - ProVis.Agent, - ProVis.Paula, - ProVis.Visu. Mit den spezifischen Erweiterungen für Wörth existiert das bislang umfassendste Produktionsleitsystem im Daimler-Konzern: - Online-Karossenidentifikation und -verfolgung, - Scripting-Engine, - Allgemeines Arbeitszeitmodell, auch für andere IT-Systeme, z.B. Gebäudeleittechnik, - Anbindung des Systems EcoEMOS von Dürr in der Lackierung

1. Ausgangspunkt unserer Arbeiten zu Industrie 4.0: ProVis.Agent für

Daimler in Rohbau, Lack, Montage (2)

2. Wie Industrie 4.0 organisiert ist

Seit dem 14. April 2015 wird die Plattform von zwei Ministerien koordiniert Deutsche Industrieverbände und Stakeholder sind Teil der Plattform

Plattform Industrie 4.0: http://www.plattform-i40.de/

http://www.plattform-i40.de/



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2. Aktuelle Aktivitäten (Auswahl)

‚Spitzencluster‘,

BMBF-Förderung rd.

40 Mio. €;

Industriebeteiligung

ebenfalls rd. 40 Mio. €

BMBF-Industrie

4.0-Verbund-

projekt

+ rd. 30 weitere geförderte F&E-Projekte-Projekte (siehe http://www.produktionsforschung.de/themenfelder/UCM01_001184?TF_ID=121 oder

http://www.autonomik40.de/#&panel1-3)

+ Industrie 4.0 Initiativen der Bundesländer, um KMUs zu sensibilisieren (siehe http://www.plattform-i40.de/I40/Navigation/DE/In-der-Praxis/ProjekteInitiativen/projekte-und-initiativen.html)

+ Diverse Aktivitäten in der Industrie, um I4.0-Technologien ins eigene Portfolio

zu bringen (Online-Landkarte Industrie 4.0)

+ durch die Plattform koordinierte Arbeitsgruppen für Standards,

Referenzarchitektur, Industrie 4.0-Komponenten, Geschäftsmodelle,

Qualifikation, etc.

+ Zusammenarbeit mit dem Industrial Internet Consortium (IIC)

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2. Hilfsmittel für Unternehmer (Auswahl)

Alle relevanten Publikationen („Statusreports“) zur Standardisierung www.vdi.de/digital Industrie 4.0-Readyness Studie der IMPULS-Stiftung des VDMA www.industrie40-readiness.de/

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2. Hilfsmittel für Unternehmer (2)

Leitfaden Industrie 4.0 Orientierungshilfe zur Einführung in den Mittelstand http://industrie40.vdma.org/article/-/articleview/8567185 Fraunhofer Schalenmodell als ganzheitliches Strukturmodell zum Themenfeld Industrie 4.0 http://www.academy.fraunhofer.de/de/corporate-learning/industrie40.html

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Data &

Service

Integration

Integration

with IoT Services

for distributed

systems

Connection with

Industrial standard

(OPC Unified

Architecture, AutomationML)

Plug

&

Work

Security for authorized

partners

Factory A Factory B NEW

New shared resources

2. IIC Smart Factory Web Testbed

Bitte nicht vergessen… …es gibt kein ‚Big Picture‘! …Abschreibungszeiten! …Qualität – Zeit – Kosten! aber…

Beispiele aus Projekten

3.1 MES-Leitfrage für produzierende Unternehmen

Produzierende Unternehmen mit mehr als einem Standort stellen in unseren Projekten die Frage: Gibt es ein MES mit einem Kern von MES-Funktionen, der für alle Business Units im Konzern gleich ist und spezifische Funktionen je Unit, die an den Kern nahtlos ‚angeflanscht‘ werden können? Idealerweise ist dieser Kern so aufgebaut, dass die IT-Abteilung eigene Applikationen auf Basis einer Plattform selbst entwickeln kann.

Spezielle MES-Funktionen für

BU 2

Spezielle MES-Funktionen für

BU n

Spezielle MES- Funktionen für

BU 1 Gemeinsamer

Kern von MES-

Funktionen

Basis: zukunftsorientierte Referenzarchitektur und/oder Middleware

3.1 Funktionen werden zu Services

Manufacturing Service Bus

Maschinen, Anlagen, Komponenten, CPS

Integrationsservices

MES-Services

APPs

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OPC UA Server S7-1500

Umform-pressen


Faserablage VRA


3D Beschnitt


Pressen/Abkühlen


BAZ (Endkontur)


Waschen


Montage


Verkettung

Profinet

Ethernet

MES

OPC UA Client

AML XML FileA

ML

Inte

rfa

ce3.1 Konzept: Automatische Schnittstellen- Konfiguration

Vorteile:

Kein manueller Konfigurationsaufwand

Einfache Aktualisierung bei

Änderungen durch zentrale

Dokumentation (im XML File)

Nachteile:

MES-Anbieter muss AML-Schnittstelle

und Umsetzung entwickeln

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3.1 Best practice-Beispiel TRUMPF-Werkzeugmaschinen

Trumpf entwickelt und erprobt seit vielen Jahren IKT für seine Maschinen. In der letzten Zeit hat sich Trumpf durch Akquisitionen und Beteiligungen Know-how gesichert, das sie benötigen, um zielgerichtet datengetrieben Dienste rund um ihre Maschinen aufzubauen:

Cloud-Plattform, um Dienste für ihre Kunden anzubieten, z.B. Remote Monitoring (Gründung)

MES-Haus, das maschinennahe Applikationen für die Axoom-Plattform entwickelt, z.B. OEE-Berechnung (Beteiligung)

Anbieter von Geräten (‚Gateways‘), um auf Sensor- und Maschinendaten zuzugreifen (Beteiligung)

Trumpf arbeitet aktiv in diesem Labor mit, um Erfahrungen mit neuen Methoden der Datensammlung und –auswertung zu gewinnen (Kooperation)

Botschaft 1: Der Markt für Produktions-IT ändert sich massiv

Video siehe www.plugandwork.fraunhofer.de

‚Babylonische Sprachvielfalt‘ in der Fertigung

Visualisierung / SCADA Leit- und MES-Systeme

Wascmodu

Trocodul

Tempeur

Gesgkeit

Waschmodu

Trockenmodul

Temperatur

Geschwindigkeit

Wasmodu

Trnmodul

Teur

Geskeit

Abc_23-xy_Vors. Bbc_24-xy_Tist

? ? ? ?

Zeitleiste für PLUGandWORK

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Beginn der Arbeiten mit einem Fraunhofer- internen Projekt; Wandlungsfähige Produktion ist Forschungsthema

Beginn des BMBF-Industrie 4.0-Projekts „SecurePLUGandWORK“

Erstes BMBF-Projekt „ProduFlexil“

BMWi-Projekt IDA; Ergebnis: Generierung von Prozessführungs- bildern

BMWi-Projekt SemMES; Ergebnis: erste Standards zur Verbindung zwischen Maschine und MES

Dissertation Miriam Schleipen

VDI-Richtlinie VDI 5600, Blatt 3: Schnittstellen- beschreibung

Companion Spec. AutomationML und OPC UA

NEO Award 2014

BMWi ZIM-Projekt „Plug and Control für flexible Fördertechnik“

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Anlage1 Anlage2 Anlagen Digitale Fabrik

Encoder Encoder Encoder Encoder

Plug-and-work „Middleware“ (Lösung über CAEX und OPC-UA)

MES 1 MES 2 MES m

Decoder

Decoder

Decoder

3.2 Bisherige Vorarbeiten zum Thema Wandlungsfähigkeit

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WinCC

ProVis.Visu

Gebhardt-Visu

Aus STEP-Dateien und Topologie-Beschreibungen

3.2 Modulare Materialflusssysteme generieren ihre Visualisierung online/zur

Laufzeit

Kommunikationskanal zur

Übertragung von Konfigurations-

und Laufzeitdaten

(Wie?)

Beschreibung des Inhalts, der

als OPC-UA Informationsmodell

abgelegt und übertragen wird

(Was?)

+

Eingesetzte Technologien: offene Standards nach IEC

• Miriam Schleipen hat die Arbeitsgruppe geleitet, die die gemeinsame ‘Companion Spec.’ von AML e.V. und OPC-Foundation erarbeitet hat. Sie ist außerdem Mitglied diverser IEC Standardisierungsgremien rd. 2 Jahre Vorsprung vor Unternehmen am Markt

• Wir verfügen bereits über diverse OPC UA-Servers, -Clients und SDKs • Wir haben umfangreiche Erfahrungen beim Modellieren von Maschinen

und Anlagen für verschiedene Kunden

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3.2 Herausforderung Komponentenintegration in Maschine (HeuteMorgen)

Integration der Eigenschaften getrennt von Komponenten in die Werkzeugmaschine während der Steuerungs-programmierung

Eigenschaften sind auf Komponenten hinterlegt und werden beim Einbau in die Werkzeugmaschine eingelesen

Heute Morgen

Deutliche Zeit- und Kostenersparnis (Ziel: 20%) bei:

• Erstinbetriebnahme • Instandhaltungstätigkeiten • Änderung der Produktion

3.2 Laufende Arbeiten: Selbstbeschreibung und

Kommunikationsfähigkeit… (2)

… auf Komponentenebene

Hauptspindel, Fa. Franz Kessler

Powerball Light Weight Arm, Fa. Schunk

Winkelkopf, Fa. ROMAI Robert Maier

Kugelgewindetrieb, Fa. Steinmeyer Mechatronik

… auf Maschinen-/Anlagenebene (Demonstratoren)

Industriewaschmaschine, Fa. MOC Danner

Bearbeitungszentrum, Fa. MAG IAS

Demofabriken, Fraunhofer IOSB, Karlsruhe u. Lemgo

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Lösung, um Maschinen nachzurüsten

Maschine

Bedienpult

Steuerung Sensorik

Aktorik Feldbus

Ethernet

IOSB PLUGandWORK- Cube

Merkmale des IOSB-PLUGandWORK-Cubes: • außerhalb der Maschine, über

Ethernet angeschlossen, d.h. Gewährleistung des Maschinenherstellers bleibt erhalten

• keine Verbindung zu Einzelkomponenten der Maschine, d.h. keine Feldbusadapter erforderlich

• jede Maschine kann nachgerüstet werden

• Cube enthält ‚sprechendes AutomationML-Modell‘ und bietet als Ausgang online-fähige Kommunikation als OPC UA-Server

• zum Cube gehört ein Assistenzsystem, das aus einer unstrukturierten (flachen) Liste nicht-sprechender SPS-Variablen ein sprechendes AML-Modell bzw. ein hierarchisches OPC UA-Datenmodell macht

• Verschlüsselung und Authentifizierung enthalten

• Cube hat keine eigene Bedienoberfläche

OPC UA

Botschaft 2: Ohne Semantik (auf Basis offener Standards) keine Industrie 4.0

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Bosch Software Innovations GmbH

Botschaft 3: Suchen Sie sich (einen) Partner Produktionstechnik und IT müssen zusammenwachsen

(Source: BMW Group)

Interaktion über Gesten ohne Tastatur und Maus

3. Interaktion über Zeigegesten (2)

Botschaft 4: Wählen Sie konkrete Anwendungsfälle!

5. IOSB-Mitgliedschaft in Gremien und Organisationen im Industrie 4.0- und

MES-Umfeld

Leitung Fachbereich IT in der GPP FA Digitale Fabrik FA 5.15 „Agentensysteme“ FA 5.23 „XML in der Automation“ FA 6.12 „Durchgängiges Engineering von Leitsystemen“ FA 7.21 „Industrie 4.0“ FA 140 „MES“ FA 146 „MES-AG 2 Energiemanagement mit MES“ VDI-GPL - Fachbereich A5 „Modellierung und Simulation“

CIRP, Mitarbeit im STC-O

OPC hat sich als der Komm.-standard in der Industrie etabliert (IEC 62541) Industriegetriebes Konsortium,

CAEX (IEC 62424) als Dachformat

K941.0.2 AutomationML

Mitarbeit in Industrie 4.0-Arbeitsgruppen des VDI und der Plattform; IOSB auf der Landkarte Industrie 4.0

Mitarbeit in der UMCM-Arbeitsgruppe

Das IOSB zählt zu den 100 führenden Orten für Industrie 4.0

Working group 9 of SC 65E AutomationML

NA 060-30-05-04 (Normenausschuss Maschinenbau, NAM)

Testbed mit KETI (Südkorea); Testbed working group Smart factory working group

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Elektromobilität

Energiespeicher- und

Elektromotoren-

produktion

Industrialisierung unreifer Prozesse

Industrie 4.0

Wandlungsfähigkeit,

Plug-and-Work,

Big Data Synergien Synergien

Konzept der Karlsruher Forschungsfabrik

Leichtbau

mit Fokus auf

Systemeffizienz des

Produkts

► Technologietransfer ► Existenzgründung ► Industrieansiedlung

► Industry-on-Campus ► Living Lab ► Qualifikation und Lehre

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NEU: Karlsruher Forschungsfabrik

Karlsruher Forschungsfabrik

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Kontakt

Dr.-Ing. Olaf Sauer

[email protected]

www.mes.fraunhofer.de

www.klkblog.de

Tel.: +49-721-6091-477

http://www.mes.fraunhofer.de/

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