Vortrag Industrie 4.0 Zukunftsperspektiven für den Mittelstand

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1 Vortrag Industrie 4.0 Zukunftsperspektiven für den Mittelstand Prof. Dr.-Ing. Reiner Anderl Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion (DiK) Fachbereich Maschinenbau Technische Universität Darmstadt Otto-Berndt-Straße Darmstadt Folie 1

2 Industrie 4.0 Zukunftsperspektiven für den Mittelstand 1. Einführung 2. Ansätze der Industrie 4.0 Cyber-physische Systeme Internettechnologien Bauteile als Informationsträger Sicherheitskultur 3. Strategie zur Umsetzung von Industrie 4.0 Geschäftsmodelle Use Cases und Implementierung 4. Wandel der Arbeitswelt Die Arbeitswelt von morgen Weiterqualifikationen 5. Stand der Organisation von Industrie 4.0 Plattform Industrie 4.0 Internationaler Wettbewerb 6. Zusammenfassung Folie 2

4 Entwicklung der Informations- und Kommunikationstechnik Hypermedia Vernetzte Dokumente Multimedia Vernetzte Medien Socialmedia (1) Socialmedia (2) Vernetzte Menschen Vernetzte Unternehmen World Wide Web Java, UML, XML Web Services App Technologie Web Web 1.0 Web 2.0 Web DIN-Normungsexperte, Modul 4 Prof. Dr.-Ing. R. Anderl Folie 4

5 Industrie TU Darmstadt State of Hesse: LOEWE Center Fundamental research IT-security DFG: German Research Foundation German/Brasilian fundamental research BMBF Industrial use cases: Bosch Rexroth Miele State of Hesse Industrial use cases: 11 companies IG Metall Folie 5

6 Industrie 4.0 Was ist das? Industrie 4.0 steht für die 4. industrielle Revolution, einer neuen Stufe der Organisation und Steuerung der gesamten Wertschöpfungskette über den Lebenszyklus von Produkten. Grundlage sind sogenannte Cyber-Physische Systeme, die bezogen auf moderne Steuerungssysteme, eingebettete Softwaresysteme und eine Internetadresse besitzen. Damit werden zukünftige Produkte und Produktionsmittel kommunikationsfähig und können flexibel vernetzt werden. Folie 6

7 Zukunftsprojekte Industrie 4.0 und Smart Service Welt Was bedeutet smart? Der Begriff smart wird als Attribut gebraucht und bedeutet soviel wie - intelligent, - klug, - pfiffig. Übertragen auf innovative Produkte zielt smart auf die Integration von Logik (z.b. als eingebettete Systeme) in Produkte. Ergänzt um Internetadressen führt dies zu Vernetzung und Kommunikationsfähigkeit und der Steuerung des Produktverhaltens. Smarte Produkte gewinnen zunehmend an Bedeutung und ihre Entwicklung wird durch die Zukunftsprojekte Industrie 4.0 und Smart Service Welt noch verstärkt. Folie 7

8 Ansätze für Smarte Systeme Wertschöpfung durch Funktionsintegration Wertschöpfung durch Cyber-Physische Systeme Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) Strukturüberwachung (Structural Health Monitoring) Ferndiagnose (Remote Diagnosis) Fernsteuerung (Remote Control) Kommunizierende, selbststeuernde Systeme Cyber-Physische Systeme erlauben Kommunikation, Monitoring, Steuerung Folie 8

10 Ansätze der Industrie 4.0 Ansätze der Industrie 4.0 Cyber-physische Systeme Internettechnologien Internet of Things Internet of Services Internet of Data Bauteile als Informationsträger Sicherheitskultur Folie 10

11 Industrie 4.0: Cyber-Physical Systems Von Embedded Systems zu CPS und CPPS Smart Sensors Smart Systems (Smart Sensors and Actuators) Cyber Physical Systems (CPS) Cyber Physical Production Systems (CPPS) Embedded System 16. Januar 2014 Fachbereich 16 Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion Prof. Dr.-Ing. R. Anderl Folie 11

12 Industrie 4.0: Cyber-Physische Systeme (CPS) Verständnis CPS Cyber-physische Systeme umfassen nach Lee (2010) zwei Sichtweisen: cyberizing the physical for specifying physical subsystems with computational abstractions and interfaces and physicalizing the cyber for expressing abstractions and interfaces of software and network components to represent physical systems dynamics in time [LEE2010] Folie 12

13 Industrie 4.0: Internettechnologien Das Internet der Dinge, der Dienste und Daten Das Internet der Dinge Vernetzte Objekte auf Basis von Internettechnologien Erkennung und Identifikation durch Nutzung von IPv6-Adressen (128 bit Adressraum) Vorteile: Erkennbarkeit und Lokalisierbarkeit Fähigkeit zur Kommunikation und Vernetzung Jedes physische Objekt könnte mit einer IPv6-Adresse ausgestattet werden Das Internet der Dienste Neuer Ansatz der Bereitstellung Internet basierter Dienste Konzepte: bedarfsorientierte und produktgebundene Dienstleistungen, Wissensbereitstellung und Dienste zur Steuerung des Produktverhaltens Ansätze für das Zusammenwirken von Menschen, Maschinen und Systemen und verbesserte Wertschöpfung Das Internet der Daten Daten werden über Internettechnologien gespeichert und verteilt Cyber-physische Systeme werden enorme Datenmengen erzeugen Dienste basierte Prozessorganisation Wichtig: Entwicklung einer Sicherheitskultur nachhaltige Vertrauensbasis schaffen Smart Production Procecces Smart Logistics Smart Engineering Beherrschung großer Datenmengen: Vernetzung von Produkt- und Produktionsdaten Folie 13

14 Industrie 4.0: Bauteile sind Informationsträger Vom Produktdatenmodell zum Bauteildatenmodell Produktdatenmodell beschreibt Produktdaten des Produktlebenszyklus derzeit von der Idee bis zum Serienanlauf wurde zur Überwindung der Heterogenität von IT-Systemen genormt (ISO STEP ) Bauteildatenmodell beschreibt Bauteildaten des Bauteillebenszyklus von seiner Materiellen Entstehung bis zum Recycling bzw. zur Entsorgung kann zu einer wichtigen Grundlage von Industrie 4.0 werden, da in ihm die Informationen strukturiert spezifiziert werden, die über Bauteile individuell Auskunft geben. Produktpräsentation Folie 14

15 Industrie 4.0: Bauteile sind Informationsträger Identifikation, Lokalisierung, Adressierung, Vernetzung Folie 15

16 Neue Herausforderungen für die Sicherheit Eine neue Sicherheitskultur führt zu vertrauenswürdigen, resilienten und gesellschaftlich akzeptierten Industrie 4.0-Systemen Quelle: These des Wissenschaftlichen Beirats Der Sicherheitskultur liegt ein ganzheitliches Konzept zugrunde und sie wird im Sinne von Safety und Security verstanden Folie 16

18 Einführungsstrategie Allgemeine Information Industrie 4.0 Im Unternehmen Verbesserung der Wertschöpfung Neue Geschäftsmodelle Kommunikation und Vernetzung von Betriebsmitteln und Bauteilen Spezifikation von Use Cases Umsetzungsroadmap, Vernetzungsansatz Spezifikation der IKT-Infrastruktur, Technologieauswahl (z.b. Web Services), -implementierung und einführung, Sicherheit Festlegung und Implementierung von z.b. Datenströmen, Steuerungsfunktionalität Funktionale Operationen Wertstromanalyse und Identifikation von Wertschöpfungspotenzialen auf der Basis von Kommunikation und Vernetzung Identifikation neuer Geschäftsmodelle Use Cases definieren Anwendungsszenarien Detaillierte Beschreibung der Flexibilität von Produktionsprozessen Implementierungs- und Umsetzungsstrategie Implementierung von Use Cases Folie 18

19 Industrie heute Geschäftsmodelle und Arbeitswelt von morgen Traditionelle Innovationsprozesse Wertschöpfung durch Produktions- und Lieferketten Zentralisierte Planung und Steuerung Open Innovation Datengetriebene Wertschöpfung Dezentralisierung und Vernetzung Innovationsmanagement, Verwertungsrechte Verkauf von Leistung statt von Produkten, Data Analytics App-Software Marktplätze Individualisierung durch Variantenvielfalt A B C Individualisierung durch Kundeninteraktion Kundenbindung durch Kooperation Lagerhaltung Differenzierung durch Produktqualität Produktion nach Bedarf Differenzierung durch Produkt- und Dienstleistungsqualität Individualisierte Produktion neue Dienstleistungsprofile Folie 19

20 Uses Cases Effiziente Fabrik 4.0 Status Quo: Use Cases werden derzeit in Arbeitsgruppen (Kooperation von TU Darmstadt und Projektpartner) sukzessive ausgearbeitet und formal beschrieben. Hierauf aufbauend findet die hard- und softwareseitige Implementierung in die bestehende Prozesslernfabrik statt. 16. Januar 2014 Fachbereich 16 Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion Prof. Dr.-Ing. R. Anderl Folie 20

21 Use case 1: Bauteile sind Informationsträger (1) Folie 21

22 Use case 1: Bauteile sind Informationsträger (2) Folie 22

23 Use Case 2: Additive Fertigung SIAM-Infrastruktur Fertigungsdatenbank Internet Netzwerk- Interface Betriebs system IP-basierte Kommunikation CPU-Kern Integritätsattestierung Trusted Platform Module (TPM) Fertigungsprozesssteuerung Echtzeit- Steuerung Steuerung, Remote Monitoring I/O Schrittmotoren Heizungen über Webdienste Sensoren Benutzereingaben Fernwartung Zustandsüberwachung Speicher (RAM und nicht-flüchtig) SIAM Maschinensteuerung Folie 23

24 Use Case 2: Additive Fertigung Steuerung des Druckers Anzeige des Temperaturverlaufes und Möglichkeit zur Steuerung der Temperatur Folie 24

25 Use Case 2: Additive Fertigung Überwachen eines Druckauftrages Extrudiertes Material Anzeige des Druckfortschrittes Fortschritt der aktuellen Schicht Fortschritt des gesamten Druckes Folie 25

26 Use Case 2 - Geschäftsmodell: Additive Fertigung von Ersatzteilen June 10, 2014 Faculty of Mechanical Engineering Department of Computer Integrated Design Prof. Dr.-Ing. R. Anderl 26 Folie 26

28 Arbeitswelt von morgen Fortschreitende Informatisierung der Arbeitswelt - Mobile DV-Geräte in der Produktion (SmartPads, SmartPhones), - App-Technologie für die Produktion, - Informationstechnische Markplätze (z.b. für Werkzeuge, Halbzeuge, Materialien), - Internetbasierte Dienste (Services z.b. für Ferndiagnose). Digitalisierung der Arbeitswelt - Verfügbarkeit und Analyse großer Datenmengen (prozessindividualisierte Analysesoftware), - Fehlerfrüherkennung, - Präventive Wartung und Instandhaltung, Flexibilisierung durch - Dezentralisierung und Vernetzung, - Maschinenzustandsmonitoring, - Ferndiagnose und Fernsteuerung. Folie 28

29 Weiterqualifikationen Internettechnologien Internetprotokolle Internetadressnomenklatur Web-Services Identifikationstechnologien Barcode, QR-Code RFID-technologien Sensortechnologien Sensorarten Datenaufnahme und interpretation Smarte Sensoren Vernetzungstechnologien Vernetzungstechnologien Produktdaten Produktionsdaten Cyber-Physische Systeme Data Analytics Datenkonsolidierung Datenauswertung Algorithmen zur Datenanalyse Datenintepretation Diagnosetechnologien FMEA (Failure Mode and Defect Analysis) Fehlerbaumanalyse Fernsteuerungsmethoden Steuerungstechnologien Aktuatorsysteme Zeitverhalten Datenmanagement Datenstrukturen Rückverfolgung und Prognose Folie 29

31 Plattform Industrie 4.0 Gemeinsames Projekt der Verbände - ideelle thematische Zusammenarbeit Geschäftsstelle (GS) Vorstandskreis (VK) Lenkungskreis (LK) Wissenschaftlicher Beirat AG 1 AG 2 AG 3 AG 4 Folie 31

32 Funding Sources for Industrie Projects, including 14 Projects 4 Cross sectional topics 26 Joint reserach projekte Legislation IT-Security 33 Projects in the Future Working Conditions and Abilities technology network It s OWL Standardization 4 Projects in the ERANET-MANUNET network Folie 32

33 Musterfabriken in Deutschland Bremen Bremen Potsdam Berlin Paderborn Aachen Lemgo Chemnitz Darmstadt Kaiserslautern Igersheim Karlsruhe Stuttgart München Folie 33

34 Stand: 13. März Folie

35 Der internationale Wettbewerb Folie 35

36 European Activities Quelle: European Commission DG CONNECT, Unit A3, ML Folie 36

38 Zusammenfassung Industrie 4.0 gibt neue Impulse zur Entwicklung und Anwendung cyber-physischer Systeme auf dem Weg zum Internet der Dinge, der Dienste und der Daten. Industrie 4.0 erfordert noch Forschungs- und Entwicklungsinitiativen, gleichwohl sind bereits anwendbare Lösungen sichtbar. Impulse für die Industrie: Individualisierung durch Kunden- und Marktinteraktion Produktion nach Bedarf Innovative Geschäftsmodelle durch integrierte Produkt- und Dienstleistungsqualität Forschungsthemen zu Industrie 4.0: Sicherheit und Wissensschutz für Industrie 4.0 Bauteile sind Informationsträger Wandel der Arbeitswelt durch Industrie 4.0 erfordert Weiterbildung und Weiterqualifikation der Mitarbeiter Industrie 4.0 bietet für Unternehmen eine ernstzunehmende Vision, die es gilt unternehmensspezifisch zu bewerten und umzusetzen. Folie 38

39 Vielen Dank! Source: Potthast Fachschaftenkonferenz Folie 39