F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R O F F E N E K O M M U N I K AT I O N S S Y S T E M E F O K U S

INDUSTRIALINTERNET OF THINGS

Die Industr ie steht vor großen Herausforderungen: Die Kunden ver langen neue, indiv iduel le, qual i tat iv

hochwert ige und dennoch preisgünst ige Produkte in immer kürzeren Zeitabständen. Gle ichzeit ig müssen

Waren mit knapper werdenden Ressourcen gefert igt werden und das mögl ichst nachhalt ig.

DIGITALE VERNETZUNG ÜBER DIE GESAMTE WERTSCHÖPFUNGSKETTE HINWEG

Im Rahmen der Arbeiten im IIoT-Kontext gewährleistet das

Fraunhofer FOKUS, dass »Dinge« in der Produktion intelligent

miteinander kommunizieren. Dafür werden, mit Hilfe von

programmierbaren, vernetzten Knoten, Informationen über

den digitalen Schatten bzw. virtuellen Zwilling eines physi-

schen Objektes aufbereitet und über standardisierte Schnitt-

stellen ausgetauscht. Während diese Art der Kommunikation

in allen Bereichen des industriellen Internets der Dinge

benötigt wird, liegt der Schwerpunkt im Institut auf Produktions-

anlagen der Zukunft, der so genannten Industrie 4.0.

DIGITALISIERUNG IN DER FERTIGUNG

Bereits seit über 200 Jahren wird die industrielle Produktion

von Waren optimiert und hat dabei bereits drei Paradigmen-

wechsel durchlaufen:

– Industrie 1.0: Etwa zwischen 1750 - 1900 wird die erste

Massenproduktion durch Maschinen eingeführt und durch

die Erfindung der Dampfmaschine wird die menschliche

Kraft durch Dampfkraft ersetzt.

– Industrie 2.0: Ungefähr in den Jahren 1900 - 1960 läutet

zum einen die Einführung der Elektrizität den nächsten

Paradigmenwechsel ein, zum anderen wird die Effizienz

Um diese Anforderungen zu meistern, setzen Forschung und

Wirtschaft auf die Digitalisierung der Fertigung, in der die

physische und virtuelle Welt zu einem Internet der Dinge,

Dienste und Daten zusammenwachsen. Dabei werden

Sensoren, Maschinen, Werkstücke, Transportmittel und Waren

mit eingebetteten Systemen, d. h. mit winzigen Rechnern und

Kommunikationssystemen, ausgestattet und miteinander

vernetzt. Als Industrielles Internet der Dinge (IIoT) wird hierbei

die über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg erfolgende

Digitalisierung der Produktion bezeichnet. Als Teilmenge des

Internets der Dinge (IoT) zeichnen sich IIoT-Technologien

speziell durch ein erhöhtes Maß an Sicherheit, Echtzeitfähig-

keit, Robustheit und Skalierbarkeit aus. Damit ermöglichen sie,

neben zeit- und erfolgskritischen Anwendungen in der

Produktion, auch Anwendungen aus den Bereichen des

Gebäude-, Energie- und Städtemanagements, als auch des

Transports und der Logistik.

SCHWERPUNKT INDUSTRIE 4.0

Um Unternehmen bei digitalen Innovationen zu unterstützen,

entwickelt das Fraunhofer-Institut für Offene Kommunikati-

onssysteme (FOKUS) seit über 25 Jahren anbieterunabhängige

Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) der

Zukunft. Mit einem Fokus auf standardbasierten Prototypen

für die Industrie, unterstützt das Institut seine Kunden und

Partner bei der digitalen Vernetzung.

»Jeder, der sich nicht mit dem Thema Digi-talisierung befasst, wird untergehen«

Prof. Dr. Tobias Kollmann, Professor für E-Business und

E-Entrepreneurship an der Universität Duisburg-Essen

Stufen der industriellen Revolution

80 PROZENT ALLER INDUSTRIEUNTERNEHMEN WERDEN IN DEUTSCHLAND IHRE WERTSCHÖPFUNGS- KETTE BIS 2020 DIGITALISIERT HABEN.

der Arbeit durch das Konzept der Fließbandarbeit

maßgeblich erhöht.

– Industrie 3.0: Ab ca. 1960 ermöglicht die Entwicklung

moderner Informations- und Kommunikationstechniken

(IKT) die Automatisierung der Produktion mit Hilfe pro-

grammierbarer Steuerungssysteme.

– Industrie 4.0: Um die heutigen Anforderungen zu meistern,

setzen Forschung und Wirtschaft im Zuge der vierten

industriellen Revolution auf die durchgehende Digitalisie-

rung der Fertigung. Maschinen und Werkstücke werden

untereinander und standortübergreifend vernetzt, tauschen

kontinuierlich Daten miteinander aus und programmieren

sich gegenseitig.

Ziel des Industrie 4.0-Konzepts ist ein ganzheitlicher Ansatz

unter Betrachtung der gesamten Wertschöpfungskette von

Produkten in Verbindung mit Menschen, Objekten und

Systemen. Domänenübergreifende Standards sind daher

unabdingbar. Internationale Initiativen wie das »Industrial

Internet Consortium« (IIC) mit der »Industrial Internet

Referenz Architektur« (IIRA) und in Deutschland die

Plattform Industrie 4.0 mit ihrem »Referenzarchitekturmo-

dell Industrie 4.0« (RAMI) spielen hierbei eine bedeutende

Rolle. Industrie 4.0-Konzepte definieren beispielsweise ein

Modell, das Eigenschaften von Cyber-physischen Systemen

genauer beschreibt, um reale Objekte der Produktion mit

Hilfe einer administrativen »Verwaltungsschale« mit

virtuellen Objekten und Prozessen in Form eines digitalen

Abbilds der jeweiligen Komponente zu vernetzen. Als

mögliche Standards zur Umsetzung dieser Ansätze werden

zurzeit Arbeiten aus dem oneM2M-Konsortium und der

OPC Foundation diskutiert.

IKT FÜR INDUSTRIE 4.0 ZENTRUM

Um mittelständischen und großen Unternehmen die Erprobung

relevanter Technologien zu ermöglichen und deren Mehrwert

zu evaluieren, hat das Fraunhofer FOKUS das »IKT für Industrie

4.0 Zentrum« gegründet. In einem Demonstrationszentrum

werden existierende Technologien präsentiert und bei Bedarf

in der Tiefe erklärt. In einer Entwicklungs- und Testumgebung

können darüber hinaus Interoperabilitäts-, Konformitäts-, und

Lasttests mit eigenen Komponenten durchgeführt werden.

Weiterhin werden anwendungsspezifische Demonstratoren

und Prototypen entwickelt.

OPENIOTFOG NODE

Das Zentrum bietet mit dem OpenIoTFog-Framework eine

konkrete Umsetzung dieser Arbeiten. Als standardkonformer

Prototyp einer »Verwaltungsschale« wird damit ein wichtiger

Beitrag zur Umsetzung der Industrie 4.0-Konzepte geleistet.

Die Middleware wandelt heterogene Sensorik und Aktorik in

Industrie 4.0-Komponenten um und erlaubt damit insbeson-

dere das Auslesen, die Aggregation und den herstellerunab-

hängigen Austausch von Daten. Darüber hinaus ermöglicht

der Ansatz die Steuerung über unterschiedlichste drahtge-

bundene und drahtlose Kommunikationswege, Protokolle

und Feldbussysteme. Dem Fog-Computing-Ansatz folgend

(Microclouds am Ort des Geschehens), werden des Weiteren

Anlagen durch lokale Funktionalitäten erweitert, die hohe

Anforderungen an Datenhoheit, Latenz, Echtzeitfähigkeit,

Robustheit und Autonomie setzen. Beispiele sind verteilte

Analysefunktionen zur vorausschauenden Wartung und die

Möglichkeit eines selbständigen Eingriffs in den Produktions-

ablauf durch Kommunikation mit anderen Komponenten.

Feld-/ Gerätedomain

Kontrolldomain

Business-/ Anwendungsdomain

VisualisierungAnalytics

Peer-to-PeerSPS

HMI

Aktoren & Sensoren

ERP/MES

10%

30%50%

Logische Einordnung des

OpenIoTFog-Toolkits

DR.-ING. FLORIAN SCHREINER

Dr. Florian Schreiner leitet das Internet der Dinge Transfer-

zentrum des Fraunhofer Leistungszentrums »Digitale

Vernetzung« und zusammen mit Dr. Alexander Willner das

»IKT für Industrie 4.0 Zentrum« am Fraunhofer-Institut

FOKUS in Berlin. Am selben Institut ist Dr. Schreiner stellver-

tretender Abteilungsleiter des Geschäftsbereichs »Software-

based Networks« (NGNI), bei dem er seit 2002 tätig ist.

Dr. Schreiner studierte Elektrotechnik und promovierte im

Bereich Cloudbasierter Telekommunikationsdienste an der

Technischen Universität Berlin. Seine Forschungsschwer-

punkte sind Maschine-zu-Maschine-Kommunikation, Cloud,

Edge und Fog Computing und Internet der Dinge Plattfor-

men. Dr. Schreiner setzt sich bei Fraunhofer FOKUS sehr

erfolgreich für den abteilungs- und institutsübergreifenden

interdisziplinären Dialog ein, koordiniert den Aufbau und

den Betrieb unterschiedlicher Technologiezentren und

unterhält diverse Kooperationen mit nationalen und

internationalen Forschungspartnern.

DR.-ING. ALEXANDER WILLNER

Dr. Alexander Willner leitet zusammen mit Dr. Florian

Schreiner das »IKT für Industrie 4.0 Zentrum« am Fraunhofer-

Institut FOKUS in Berlin. Am Lehrstuhl »Architekturen der

Vermittlungsknoten« an der Technischen Universität Berlin

(TUB) leitet er darüber hinaus die Forschergruppe »Industrial

Internet of Things« (IIoT). Mit seinen Gruppen arbeitet er im

Kontext der Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M)

und dem Internet der Dinge (IoT). Dr. Willner studierte an der

Georg-August-Universität Göttingen Informatik, war als

Wissenschaftler an der Universität Bonn tätig und promo-

vierte an der Technischen Universität Berlin. Seine Forschungs-

interessen liegen im Bereich der verteilten Informationssys-

teme mit Schwerpunkten auf dem Semantic Web, Linked

Open Data, Graph of Everything, Middlewaresystemen, Fog

Computing und serviceorientierten Architekturen.

Unsere Dienstleistungen

– Assessment des Industrie 4.0-Reifegrades einer

Produktionsumgebung

– Beratung bei der Konzeption und Umsetzung einer

Industrie 4.0-Strategie

– Beratung und Training zu existierenden Technologien aus

dem Industrie 4.0-Kontext

– Lizenzierung des OpenIoTFog-Toolkits zur Implementation

von Industrie 4.0-Komponenten

– Konstruktion physischer OpenIoTFog-basierter Knoten zur

experimentellen Evaluation im industriellen Umfeld

– Aufbau und Bereitstellung von Entwicklungs- und

Testumgebungen für Industrie 4.0-Anwendungen

– Entwicklung Anwendungsspezifischer Demonstratoren

– Durchführung von Interoperabilitäts-, Konformitäts-, und

Lasttests mit eigenen Komponenten

Unsere Forschungsschwerpunkte

– Prototypische Implementierung standardisierter Schnitt-

stellen für Industrie 4.0-Komponenten basierend auf den

Ergebnissen aus dem Industrial Internet Consortium (IIC),

der Plattform Industrie 4.0 und anderen Gremien

– Entwurf von Plug-&-Play-Mechanismen zur Unterstützung

einer Vielzahl von Sensoren, Aktuatoren und Feldbussys-

temen aus dem industriellen Umfeld

– Unterstützung heterogener drahtgebundener und

drahtloser Technologien zur (peer-to-peer)

Kommunikation

– Semantische Annotation von Sensordaten und formaler

Informationsaustausch zwischen Maschinen

– Topologische Platzierung von Funktionen zur lokalen

Datenverarbeitung (Edge- und Fog-Computing)

Engineering a Connected World

KONTAKT

Dr.-Ing. Florian Schreiner

Leiter IKT für Industrie 4.0 Zentrum

Telefon +49 30 3463 7174

Fax +49 30 3463 99 7174

florian.schreiner@fokus.fraunhofer.de

Dr.-Ing. Alexander Willner

Leiter IKT für Industrie 4.0 Zentrum

Telefon +49 30 3463 7116

Fax +49 30 3463 99 7116

alexander.willner@fokus.fraunhofer.de

Fraunhofer FOKUS

Kaiserin-Augusta-Allee 31

10589 Berlin

www.ikt4zentrum.org

www.openiotfog.org

mfr | 1610 (Bilder: shutterstock/ Maxim Blinkov,

shutterstock/ Natalyia Hora, Christoph Roser/ Wikipedia)