Digitale Wertschöpfungsketten Intelligente Produkte steuern ihre Produktionsumgebung

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1 Digitale Wertschöpfungsketten Intelligente Produkte steuern ihre Produktionsumgebung Jürgen Hupp Geschäftsfeldkoordinator Vernetzung und Identifikation 1

2 Digitale Wertschöpfungsketten Intelligente Produkte steuern ihre Produktionsumgebung Ausgangspunkt: Industrie 4.0 und das Fraunhofer IIS Digitalisierung von Wertschöpfungsketten Anwendungsbeispiele Technologiebeispiele Zusammenfassung 2

3 Zunehmende Komplexität Begriffsverständnis Industrie 4.0 im historischen Kontext Ende 18. Jhdt. Beginn 20. Jhdt. Beginn 70er Jahre 20. Jhdt. Heute 4. Industrielle Revolution auf der Basis von Cyber- Physischen Systemen, der Vernetzung von Produkten, dem Umfeld, Menschen und Maschinen 3. Industrielle Revolution durch Einsatz von Elektronik und IT zur weiteren Automatisierung der Produktion 2. Industrielle Revolution durch Einführung arbeitsteiliger Massenproduktion mit Hilfe von elektrischer Energie 1. Industrielle Revolution durch Einführung mechanischer Produktionsanlagen mit Hilfe von Wasser- und Dampfkraft 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

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. Lokalisierung Vernetzung und Identifikation Energiemanagement Versorgungsketten- Management Technologieberatung und Dienstleistungsentwicklung 4

5 Industrie 4.0 Digitalisierung von Wertschöpfungsketten Fokussierung des Industrie 4.0 Gedankens auf digitale Wertschöpfungsketten von produzierenden Unternehmen und deren Dienstleistern Wir verknüpfen reale und digitale Welt durch Lokalisierungs-, Vernetzungsund 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. 5

6 Industrie 4.0 Digitalisierung von Wertschöpfungsketten 6

7 Industrie 4.0 Digitalisierung von Wertschöpfungsketten Smarter Behälter Cargo Monitoring Smarter innerbetrieblicher Transport Intelligente Werkzeuge Drahtloses Pick-by-light Smart Factory: CPS in der Montage Smart Product 7

8 Industrie 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 8

9 Industrie Anwendungsbeispiele Anwendung Cargo Monitoring (OHB Teledata GmbH) 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 OHB Teledata GmbH 9

10 Industrie 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 10

11 Industrie 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 11

12 Quelle: Fraunhofer IIS Industrie 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 12

13 Quelle: Fraunhofer IIS Industrie 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 Werkstück Montagezelle 1 Montagezelle 132

14 Industrie 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 14

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 15

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 Sind die Umgebungsbedingungen ok? Sensorische Überwachung und lokale Anwendungslogik Sind alle Teile vorhanden? 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 Welche Teile sollen montiert werden? Wo befinden sich meine Behälter? 16

17 Cyber-Physische Systeme CPS Anforderungen an aktive Funktechnik Mögliche Technologien: WLAN: nicht stromsparend IEEE (mit WirelessHART): keine Mobilität Bluetooth LE: keine multizellularen Netze s-net schließt eine Lücke und bietet energiesparende selbstorganisierende Multi-hop Kommunikation Beispiele Anlagenüberwachung Drahtloser Lichtschalter Asset Management 17

18 s-net - Energiesparende Multi-Hop Kommunikation Multi-Hop-Batteriebetrieb dank TDMA-Medienzugriff Extrem energiesparende Kommunikation durch Zeitsynchronisation und Zeitmultiplex (TDMA) Dynamischer Netzaufbau und Selbstorganisation für geringen Installationsund Wartungsaufwand sowie hohe Robustheit Bidirektionale Multi-hop Kommunikation über Zwischenknoten Beacon Data Meshed-Data Sleep Rahmendauer Service-orientierte Daten für mehrere Anwendungen auf einem Knoten Protokollparameter für einen breiten Anwendungsbereich konfigurierbar Lokalisierung von Knoten möglich Layer 1 Layer 0 Layer 2 Layer 3 Layer 4 Master Router Enddevice 18

19 Quelle: Fraunhofer IIS 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 Sensordaten im industriellen Umfeld, große Anlagen 19

20 Technologien Bausteine unserer Lokalisierungslösungen Inertialsensorik Feldstärke (RSSI) Winkel (AOA, DOA) Fusion der Technologien Nachbarschaftsbeziehung Phase des Trägersignals Laufzeit 20

21 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 Aus der Praxis: Führungssysteme im Einsatz, Leit-/ Informations-/ Werbesysteme 21

22 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 Aus der Praxis: Evaluierung von Lokalisierungs- und Kommunikationstechnologien 22

23 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 Aus der Praxis: Asset Management, Patientenlokalisierung, Logistik, Produktion, Monitoring 23

24 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 Aus der Praxis: Werkzeugtracking in der Produktion, Fußgänger-Koppelnavigation 24

25 Fusion verschiedener Technologien Sensorfusion und Kooperation Kombination von Ortung, Bewegungsmodellen und Sensordaten, z. B. GNSS, WLAN-Ortung und Inertialsensorik Erhöhung von Robustheit und Genauigkeit durch gegenseitige Stützung der Einzelsysteme und angepasste Fehlermodelle Erhöhung der Verfügbarkeit bis hin zur nahtlosen Ortung Algorithmen in awiloc integriert und in typischen Umgebungen getestet Aus der Praxis: Ortung in gemischten Umgebungen, mit variabler Genauigkeit oder im Arbeitsbereich 25

26 Blick ins Test- und Anwendungszentrum L.I.N.K. 26

27 Digitale Wertschöpfungsketten Intelligente Produkte steuern ihre Produktionsumgebung 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 27

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Ihr Ansprechpartner: Jürgen Hupp Geschäftsfeldkoordinator Vernetzung und Identifikation Fraunhofer IIS Nordostpark Nürnberg 28