© Fraunhofer IIS

1

Jürgen Hupp

Geschäftsfeldkoordinator Vernetzung und Identifikation

Digitale Wertschöpfungsketten Intelligente Produkte steuern ihre Produktionsumgebung

© Fraunhofer IIS

2

Digitale Wertschöpfungsketten Intelligente Produkte steuern ihre Produktionsumgebung

Ausgangspunkt: Industrie 4.0 und das Fraunhofer IIS

Digitalisierung von Wertschöpfungsketten

Anwendungsbeispiele

Technologiebeispiele

Zusammenfassung

© Fraunhofer IIS

3

Begriffsverständnis Industrie 4.0 im historischen Kontext

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

2. Industrielle Revolution durch Einführung arbeitsteiliger Massenproduktion mit Hilfe von elektrischer Energie

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

4. Industrielle Revolution auf der Basis von Cyber-Physischen Systemen, der Vernetzung von Produkten, dem Umfeld, Menschen und Maschinen

Zu

neh

men

de K

om

ple

xitä

t

Ende 18. Jhdt.

Beginn 20. Jhdt.

Beginn 70er Jahre 20. Jhdt.

Heute

Quelle: In Anlehnung an Schlick, Jochen; Stephan, Peter; Zühlke, Detlef: Produktion

2020 – Auf dem Weg zur 4. industriellen Revolution. In: IM – Fachzeitschrift für

Information Management und Consulting 27 (2012), Ausgabe 3, S. 26-33.

© Fraunhofer IIS

4

Fraunhofer IIS, Standort Nürnberg Unser Auftrag – Entwicklungen für Ihre Zukunft

Der Bereich Lokalisierung und Vernetzung steht für Technologien, Entwicklungen und Anwendungen der Funkortung, Kommunikation und des Energiemanagements.

Der Bereich Supply Chain Services bietet ein betriebswirtschaftliches Angebot für die gesamte Supply Chain: Vom Marktumfeld über betriebliche Prozesse bis zur Service-Entwicklung. Versorgungsketten-

Management

Vernetzung und Identifikation

Lokalisierung

Energiemanagement

Technologieberatung und Dienstleistungsentwicklung

© Fraunhofer IIS

5

Industrie 4.0 Digitalisierung von Wertschöpfungsketten

Fokussierung des Industrie 4.0 Gedankens auf digitale Wertschöpfungs-ketten von produzierenden Unternehmen und deren Dienstleistern

Wir verknüpfen reale und digitale Welt durch Lokalisierungs-, Vernetzungs- und Identifikationstechnologien miteinander und realisieren einen Echtzeit-Austausch in beide Richtungen.

Durch diese Kopplung von realer und digitaler Welt schaffen wir transparente Prozesse.

Basierend auf der gewonnen Transparenz untersuchen wir die betriebswirtschaftlichen Zusammenhänge logistischer Prozesse und Netzwerke und optimieren diese.

Mit kontextbewussten Smart Objects und dezentraler Anwendungslogik schaffen wir eigenständige, sich selbst organisierende Prozesse.

Die Digitalisierung ermöglicht neue Dienstleistungen und Geschäftsmodelle, die wir zusammen mit unseren Kunden entwickeln und realisieren.

© Fraunhofer IIS

6

Industrie 4.0 Digitalisierung von Wertschöpfungsketten

© Fraunhofer IIS

7

Industrie 4.0 Digitalisierung von Wertschöpfungsketten

Smarter Behälter

Smarter innerbetrieblicher Transport

Intelligente Werkzeuge

Smart Factory: CPS in der Montage

Smart Product

Cargo Monitoring

Drahtloses Pick-by-light

© Fraunhofer IIS

8

Industrie 4.0 - Anwendungsbeispiele Anwendung Smarter Behälter

Einsatz von CPS in Behälterkreisläufen

eindeutige Erfassung von Wareneingangs- und Ausgangsbewegungen

Überwachung von z.B. Temperatur, Feuchtigkeit

Reaktionsmöglichkeiten bei kritischen Zuständen z.B. „ich bin umgefallen“

Erkennung von Menge und Füllstand von Behältern (automatisierter Kanban)

Lokalisierung von Behältern in der Montage, im Lager und während des Transports

Die technische Lösung:

s-net®-Kommunikationstechnologie, Lokalisierung und Sensorik sind mit lokaler Anwendungslogik und Prozesswissen auf einer mobilen Plattformen vereint

© Fraunhofer IIS

9

System zur Frachtverfolgung mit Ortung und Mobilfunk- bzw. Satellitenkommunikation

Über ein drahtloses Sensornetz erfolgt Zustandserfassung (Temperatur, Feuchte, Erschütterung) einzelner Frachtgüter

s-net®-Kommunikationstechnologie vernetzt Sensoren mit der Telematikbox an der Tür

Technische Lösung:

Erst die s-net® Multi-hop Kommunikation bringt im Container die notwendige Robustheit der Kommunikation

Industrie 4.0 - Anwendungsbeispiele Anwendung Cargo Monitoring (OHB Teledata GmbH)

© OHB Teledata GmbH

© Fraunhofer IIS

10

Industrie 4.0 - Anwendungsbeispiele Smarter innerbetrieblicher Transport

Optimierung von Wegen und Auslastung von Flurförderzeugen:

awiloc® Lokalisierungstechnologie ermöglicht die Erfassung von Bewegungen jeglicher Fahrzeuge über WLAN oder BLE

Flexible Nutzung und Auswertung der erfassten Daten in Echtzeit oder zur Generierung von Kennzahlen

Keine kostspielige komplexe Hardware notwendig, temporäre Aufbauten möglich

Technische Lösung:

awiloc® Lokalisierungstechnologie

Integrations- und Anwendungsplattform IAP

© Fraunhofer IIS

11

Industrie 4.0 - Anwendungsbeispiele Anwendung intelligente Werkzeuge

Werkzeuge an der richtigen Position und in der richtigen Lage einsetzen

Kombination von Echtzeit-Positionsdaten und Zustands- bzw. Bewegungsklassifikation

Technische Lösung:

Autarkes Monitoring über Inertialsensorik: Infrastrukturunabhängig und ohne Funk

Auf Basis von low-cost Sensoren: Beschleunigungen, Drehraten, Magnetfeld

Einfache Softwareinstallation

Robust gegenüber Störungen

© Fraunhofer IIS

12

Industrie 4.0 - Anwendungsbeispiele Anwendung Pick-by-Local-Light PbLL

Einsatz von cyber-physischen Systemen in der Kommissionierung oder Materialentnahme

Flexible Anpassung der Regalfächer durch drahtloses vernetzte Pick-by-Light-Anzeigen

Energieeffiziente Kommunikationsprotokolle gewährleisten ein wartungsarmes System

Erhöhung der Kommissionierleistung durch Lokalisierungskomponente

Die technische Lösung:

Einsatz der Fraunhofer IIS s-net®-Technologie

Verbindung an handelsübliche Warehouse-Management-Systeme durch Integrations- und Anwendungsplattform IAP

Qu

elle: Fr

au

nh

ofe

r IIS

© Fraunhofer IIS

13

Montagezelle 2

Montagezelle 1

Industrie 4.0 - Anwendungsbeispiele Anwendung CPS in der Montage

Intelligente Werkstücke interagieren direkt und dezentral mit der Montageumgebung

Drahtlos vernetzte Pick-by-Light-Anzeigen signalisieren benötigte Bauteile

Mitführung des Montageplans auf dem Werkstück

Lokalisierung der Werkstücke im Montageprozess

Die technische Lösung:

s-net®-Vernetzungstechnologie in Kombination mit Lokalisierung verbindet Werkstücke zielgenau mit der aktuellen Montagezelle

Qu

elle: Fr

au

nh

ofe

r IIS

Werk-stück

© Fraunhofer IIS

14

Industrie 4.0 - Anwendungsbeispiele Anwendung Smart Product

Integration von RFID in Faserverbundwerkstoffen, Glasfaserverbundwerkstoffe und Kohlefaserstoffe

Drahtlose Anbindung von eingebetteter Sensorik; Drahtlose Energieübertragung in die Bauteile

Nutzung im Fertigungsprozess und zur sensorischen Überwachung der Strukturintegrität im Betrieb

Die technische Lösung:

RFID mit eingebetteter Sensorik

© Fraunhofer IIS

15

Industrie 4.0 Technologien am Fraunhofer IIS, Standort Nürnberg

Identifikation

RFID – Identifikation unter besonderen Bedingungen

Drahtlose Kommunikation

s-net® – Energiesparende Multi-Hop Kommunikation für CPS

MIOTY – Low Power Longe Range Kommunikation

Lokalisierung

WiSmIt – kontinuierliche Echtzeitortung in abgegrenzten Arealen

s-net® SmartTracking – vereint Lokalisierung und Anwendungslogik

awiloc® – autarke Lokalisierung für Tablets, Smartphones, etc.

Inertialsensorik und Sensorfusion

© Fraunhofer IIS

16

s-net® - Energiesparende Multi-Hop Kommunikation CPS: Vernetzung von Objekten in digitalisierten Prozessen

Use Cases für aktiv kommunikationsfähige CPS-Tags:

Smart Tracking

Lückenlose Auffindbarkeit von Montageobjekten oder Behältern

Sensorische Überwachung und lokale Anwendungslogik

Intelligente Umgebungen

Flächendeckende sensorische Überwachung

Kommissionier- und Montageprozess

Unterstützung der Werker durch Visualisierung

Individuelle Montage

Montageobjekt steuert seine Umgebung

Intelligente Objekte in der Logistik

Sensorische Überwachung beim Transport

Sind alle Teile vorhanden?

Wo befinden sich meine Behälter?

Sind die Umgebungs-

bedingungen ok?

Welche Teile sollen montiert

werden?

© Fraunhofer IIS

17

Mögliche Technologien:

WLAN: nicht stromsparend

IEEE 802.15.4 (mit WirelessHART): keine Mobilität

Bluetooth LE: keine multizellularen Netze

…

Cyber-Physische Systeme CPS

Anforderungen an aktive Funktechnik

s-net® schließt eine Lücke und bietet energiesparende selbst-organisierende Multi-hop Kommunikation

Beispiele Anlagenüberwachung Drahtloser Lichtschalter Asset Management

© Fraunhofer IIS

18

s-net® - Energiesparende Multi-Hop Kommunikation Multi-Hop-Batteriebetrieb dank TDMA-Medienzugriff

Da

ta

Be

aco

n

Me

she

d-D

ata

Rahmendauer

Sleep

Extrem energiesparende Kommuni-kation durch Zeitsynchronisation und Zeitmultiplex (TDMA)

Dynamischer Netzaufbau und Selbst-organisation für geringen Installations- und Wartungsaufwand sowie hohe Robustheit

Bidirektionale Multi-hop Kommunikation über Zwischenknoten

Service-orientierte Daten für mehrere Anwendungen auf einem Knoten

Protokollparameter für einen breiten Anwendungsbereich konfigurierbar

Lokalisierung von Knoten möglich

11

1

9

8

4 2

6

3

7

10

135

012

Master

Router

Enddevice

20

14

15

16 17

18

19

Layer 0

Layer 1

Layer 2

Layer 3 Layer 4

© Fraunhofer IIS

19

Drahtlose Kommunikation MIOTY – My wireless IoT

Eigenschaften

Sternförmige Vernetzung von bis zu 1 Mio. Sendern gleichzeitig

Reichweite von mehreren Kilometern

Robuste Übertragung durch Telegramsplitting

Kundennutzen

Übertragung von Sensordaten in großen Netzwerken

Vernetzung von Personen und Dingen mit Hilfe von intelligenten Objekten

Anwendungsbeispiele: Überwachung von Sensor-daten im industriellen Umfeld, große Anlagen

Qu

elle: Fr

au

nh

ofe

r IIS

© Fraunhofer IIS

20

Technologien Bausteine unserer Lokalisierungslösungen

Inertialsensorik

Winkel (AOA, DOA)

Feldstärke (RSSI)

Phase des Trägersignals

Laufzeit

Nachbarschafts-beziehung

Fusion der Technologien

© Fraunhofer IIS

21

Aus der Praxis:

Feldstärkemessung awiloc® – Indoor-Positioning einfach, direkt und sicher

Erkennung der Feldstärkenverteilung vorhandener WLAN- und BLE-Sender im 2,4 GHz & 5 GHz Band (Fingerprinting)

Verfügbar auf Smartphones, Tablets und Wearables (Android, iOS)

Anwendungsbereich: Indoor und Outdoor

Genauigkeit im Bereich weniger Metern

awiloc® ist datenschutzrechtlich geprüft

Systeme sind weltweit erfolgreich im Einsatz

Führungssysteme im Einsatz, Leit-/ Informations-/ Werbesysteme

© Fraunhofer IIS

22

Aus der Praxis:

Laufzeitbasierte Ortung WiSmIt – Wireless Smart Item

Basiert auf verschiedenen Technologien der Laufzeitmessung

Unterschiedliche Frequenzbereiche:

868 MHz, 2,4 GHz, UWB

Indoor und outdoor

Genauigkeit: 50cm bis 2m

Erfasste Arealgröße: Abhängig von der gewählten Technologie

Plattform für Tests, Kleinserien vorhanden

Evaluierung von Lokalisierungs- und Kommunikationstechnologien

© Fraunhofer IIS

23

Aus der Praxis:

Nachbarschaftsbeziehung s-net® – Energiesparende Multi-Hop Kommunikation

Basiert auf selbstorganisierender multi-hop Vernetzungstechnologie

Mobile Funkknoten bestimmen selbstständig ihr Position im Netz

Frequenzbereiche: 433 MHz, 868 / 915 MHz, 2,4 GHz

Anwendungsbereich: indoor und outdoor

Genauigkeit im Bereich weniger Meter

System bereits mehrfach im Einsatz erprobt

Asset Management, Patientenlokalisierung, Logistik, Produktion, Monitoring

© Fraunhofer IIS

24

Aus der Praxis:

Inertialsensorik Zustands- und Bewegungsklassifikation

Logische Ortung durch Merkmale und Signalmuster

Auf Basis von autarken, low-cost Sensoren: Beschleunigungen, Drehraten, Magnetfeld

In allen Umgebungen einsetzbar und nicht störbar

Kombinierbar mit Funkortung

Demonstrator im Einsatz

Werkzeugtracking in der Produktion, Fußgänger-Koppelnavigation

© Fraunhofer IIS

25

Aus der Praxis:

Fusion verschiedener Technologien Sensorfusion und Kooperation

Kombination von Ortung, Bewegungs-modellen und Sensordaten, z. B. GNSS, WLAN-Ortung und Inertialsensorik

Erhöhung von Robustheit und Genauigkeit durch gegenseitige Stützung der Einzel-systeme und angepasste Fehlermodelle

Erhöhung der Verfügbarkeit bis hin zur nahtlosen Ortung

Algorithmen in awiloc® integriert und in typischen Umgebungen getestet

Ortung in gemischten Umgebungen, mit variabler Genauigkeit oder im Arbeitsbereich

© Fraunhofer IIS

26

Blick ins Test- und Anwendungszentrum L.I.N.K.

© Fraunhofer IIS

27

Zusammenfassung

Lokalisierungs-, Vernetzungs- und Identifikationstechnologien sind die Basis zur Digitalisierung von Prozessen

Die Nutzung von Kontextinformationen (Ort, Lage, Zustand) auf dem mobilen System sowie die direkte Interaktion zur Umgebung schafft Smarte Werkstücke, Produkte und Prozesse

Smarte Werkstücke, Produkte und Prozesse schaffen Flexibilität, Zeitersparnis sowie Qualitätssteigerung

Nutzen Sie über 20 Jahre Erfahrung des Fraunhofer IIS im Bereich Lokalisierungs-, Vernetzungs- und Identifikationstechnologien bei der Realisierung Ihrer Ideen

Digitale Wertschöpfungsketten Intelligente Produkte steuern ihre Produktionsumgebung

© Fraunhofer IIS

28

Ihr Ansprechpartner:

Jürgen Hupp

Geschäftsfeldkoordinator Vernetzung und Identifikation

Fraunhofer IIS

Nordostpark 84

90411 Nürnberg

juergen.hupp@iis.fraunhofer.de

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit