Industrie 4.0: Produktion der Zukunft Auf dem Weg in die vierte industrielle Revolution

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1 Industrie 4.0: Produktion der Zukunft Auf dem Weg in die vierte industrielle Revolution IHK Koblenz 11. November 2014 Ursula Rauschecker Projektleiterin und Wissenschaftliche Mitarbeiterin Kompetenzzentrum Digitale Werkzeuge in der Produktion, Fraunhofer IPA

2 Gliederung Industrie 4.0 im Kontext Cyber-Physische Systeme (CPS) Produktions-IT im Wandel Umsetzungsbeispiele Umsetzungsschritte

3 Die vierte industrielle Revolution in der Produktion Grad der Komplexität 1. Industrielle Revolution durch die Einführung mechanischer Produktionsanlagen mit Hilfe von Wasser- und Dampfkraft 3. Industrielle Revolution durch die Einführung von Elektronik und IT zur weiteren Automatisierung der Produktion 2. Industrielle Revolution durch die Einführung arbeitsteiliger Massenproduktion mit Hilfe der elektrischen Energie 4. Industrielle Revolution auf Basis von Cyber-Physischen Systemen Ende des 18. Jhdt. Beginn des 20. Jhdt. Beginn 70er des 20. Jhdt. Heute Quelle: DFKI (2011) 3

4 Steigende Komplexität in der Produktion Produktvolumen pro Variante z.b. VW Käfer z.b. BMW online car configurator z.b. Smartphone für Afrika People can have the Model T in any colour - so long as it s black Henry Ford (1913) 1850 z.b. 3D-Druck in Anlehnung an Yoram Koren: The Global Manufacturing Revolution; Bildquellen: Ford, beetleworld.net, bmw.de, dw.de Produktvielfalt 4

5 Gegenüberstellung äußere innere Komplexität Auf der Suche nach dem Gleichgewicht 5

6 Fraktale Fabrik als Antwort auf steigende Komplexität Dezentrale, autonome Intelligenz ist der einzige Weg Produzierende Unternehmen bewegen sich in einem zunehmend turbulenten und chaotischen Umfeld. Die Strukturen der Fraktalen Fabrik sind das flexible Bindeglied zwischen den beiden Extrempunkten. Die Fabrik stellt einen lebenden Organismus dar, in dem Fraktale, sich selbst organisierende Einheiten, im kleinen die Ziele des Gesamtsystems verfolgen. Quelle: Warnecke, H.-J.: Die Fraktale Fabrik 6

7 Theorie der vierten industriellen Revolution Wissensbasierte Optimierung in Echtzeit durch intelligente Vernetzung Komplexität Warnecke: Mit wachsender Komplexität steigt die Dezentralität und Autonomie von Systemen Vernetzung Metcalfe: Der Nutzen eines Kommunikationssystems wächst mit dem Quadrat der Anzahl der Teilnehmer Leistung Moore: Die Rechnerleistung verdoppelt sich alle 18 Monate Transparenz Cyber-physische Systeme Internet der Dinge und Dienste Real time & at run time Everything as a Service Wissen Smart Production

8 Die Vision Industrie 4.0 als Teil einer vernetzten, intelligenten Welt Industrie 4.0 fokussiert auf die Produktion und den Einsatz intelligenter Produkte, Verfahren und Prozesse Cyber-Physical Systems ermöglichen die intelligente Fabrik Intelligente Produkte unterstützen aktiv den Produktionsprozess An ihren Schnittstellen wird die Fabrik zum Bestandteil einer intelligenten Infrastruktur 8

9 Gliederung Industrie 4.0 im Kontext Cyber-Physische Systeme (CPS) Produktions-IT im Wandel Umsetzungsbeispiele Umsetzungsschritte

10 Die nächste Ebene der Dezentralisierung Von der fraktalen Fabrik zum Cyber-physischen Produktionssystem Cyber-Physical Systems Eingebettete Systeme (als Teil von Geräten, Gebäuden, Verkehrsmittel, Verkehrswegen, Produktionsanlagen, medizinischen Prozessen, Logistik-, Koordinations- und Managementprozessen) Internet-Dienste Kennzeichen: Unmittelbare Erfassung physikalischer Daten mit Sensoren Verwendung weltweit verfügbarer Daten und Dienste Daten auswerten und speichern Vernetzung über digitale Kommunikationstechnologien (drahtlos/drahtgebunden, lokal/global) Einwirken auf physikalische Welt mit Aktoren Verwendung multimodaler Mensch- Maschine-Schnittstellen (Touchdisplays, Sprachsteuerung, Gestensteuerung, ) nach ACATECH

11 Entwicklungsstufen der CPS Von der BUS-Fähigkeit zur IP-Fähigkeit Systems of Systems Zusammenstellung von CPS die ihre Einzelfähigkeiten intelligent kombinieren um neue Fähigkeiten zur Verfügung zu stellen Netzwerkfähige intelligente Komponenten Systeme aus mehreren Aktoren und Sensoren mit zentraler Intelligenz zentrale Schnittstelle nach außen beschränkter Zugriff auf Subkomponenten Aktive Sensoren und Aktoren Systeme mit genau definiertem, relativ geringem Funktionsumfang RFID (Passiv) Reine (eindeutige) Identifikation Intelligenz des Systems kann nur durch zentrale Dienste bereitgestellt werden Bild: GHV CPS: cyberphysical System RFID: radiofrequency identification 11

12 Aktive Werkstückträger Vom passiven Träger zum Cyber Physical Production System Cloud als Kontrollinstanz ID Sensorik Logik Akto-rik ID WT smartwt Energie Passives System: Unidirektionale Kommunikation Passive Werkstückeinspannung Keine Intelligenz Produktionsumfeld Aktives System: Bidirektionale Kommunikation Aktive Werkstückeinspannung Intelligenz (Sensorik, Logik, Aktorik) Interaktion 12

13 Beispiel: Robotik CPS in der Intralogistik Mobile Helfer für low cost jobs Mobiler Roboter mit Arm füllt Montagearbeitsplätze nach, nimmt leere Kisten zurück Mobiler Roboter (mit ausreichendem Laderaum) bewegt sich durch den Supermarkt, verteilt Artikel in Kisten Mobiler Manipulator (omnidirektional) Laderaum am Roboter Grifffähigkeit 3D Umgebungserfassung (Stereosicht, 3D-Sensor) Zaunloser Einsatz in industriellen Umgebungen

14 Mensch-Maschine-Schnittstellen Intuitive Kommunikation treibt neue Automatisierungsprinzipien Schnittstellen für hybride Montagesysteme: Interaktions-Schnittstellen Visuell Gesten Sprache Physikalische Schnittstellen Haptisch Head-Mounted Displays Force-Feedback Systeme google.com/+projectglass 14

15 Das zu produzierende Auto als CPS in der Produktion Manufacturing Cloud kündigt Modellvariante in nächster Montage-Box an fährt selbsttätig von Box zu Box bereitet Arbeitsschritte vor Bild-Quelle: wirtschaftswoche.de Bild-Quelle: ARENA2036

16 Gliederung Industrie 4.0 im Kontext Cyber-Physische Systeme (CPS) Produktions-IT im Wandel Umsetzungsbeispiele Umsetzungsschritte

17 Die 4 Lebenszyklen in der industriellen Produktion und wie IT die Wertschöpfung unterstützt 18

18 Die Prinzipien der Netzwerkökonomie verändern alles Web-Tec trifft auf Produktions-IT Computer Integrated Manufacturing Digital Product Lifecycle Management Digitale Fabrik Digitaler Fabrikbetrieb Embedded Systems Cyber-physische Systeme World Wide Web Service-Orientierung Internet of Things Web-Orientierung Web 2.0 Cloud -Orientierung App -Orientierung INDUSTRIE Zeit

19 Auf dem Weg in die 4. industrielle Revolution Paradigmenwechsel in der Informations- und Kommunikationstechnologie Heute: Morgen: Zentral Software-Suite Integration Monolith Zeitversetztes Datenabbild Lizenzkosten Dezentral (CPS, Cloud) Apps (SaaS) Kommunikation Offener Standard im Netz Echtzeit Informationen Pay-per-use

20 Alte IT-Architekturen lösen sich auf Die Pyramide wird zum Netz in der Cloud Bisher Historisch klar hierarchisch strukturiertes Modell Zukünftig Serviceorientierung Die weitergehende Serviceorientierung (XaaS) Serviceorientierte IT-Architekturen (SoA) De-Hierarchisierung Auflösung der hierarchischen Gliederung Neue Funktionen basierend auf Services App-isierung App-Entwicklung durch Endanwender Simulationen in Echtzeit Offene Standardisierung Effizienzvorteile von IT-Clouds Fokus auf Information / Semantik ERP: Enterprise-Resource-Planning; MES: Manufacturing Execution System; QA: Qualitätssicherung; CAx: Computer-Aided x

21 Verteilte IT-Landschaft HEUTE Geschäftsprozesse werden nicht optimal unterstützt CA x MES Manufacturing Planning CAx Manufacturing Execution MES in Anlehnung an: Fraunhofer IML, Prof. Dr. Michael ten Hompel 22

22 Integrierte IT-Landschaft MORGEN Geschäftsprozesse werden durchgängig unterstützt Manufacturing Planning Manufacturing Execution Virtual Fort Knox in Anlehnung an: Fraunhofer IML, Prof. Dr. Michael ten Hompel 23

23 Gliederung Industrie 4.0 im Kontext Cyber-Physische Systeme (CPS) Produktions-IT im Wandel Umsetzungsbeispiele Umsetzungsschritte

24 Integrationsplattform als verbindendes Element für vertikale und horizontale Integration

25 Virtual Fort Knox: IT-Backbone für Industrie 4.0 Überblick Sichere, föderative Plattform für service-orientierte Anwendungen für Manufacturing IT-Services für das Produzierende Gewerbe von verschiedenen Anbietern Entwicklung im Rahmen eines Förderprojekts des Landes Baden-Württemberg Entwickelt in enger Abstimmungen mit KMUs aus dem Produktionsund IT-Umfeld Verfügbar als Forschungsplattform für (öffentliche) F&E Projekte und als hochverfügbare, kommerzielle Anwendung für den operativen Betrieb Gefördert durch: In Zusammenarbeit mit: 26

26 Virtual Fort Knox Komponenten und Rollen im Überblick Endkunde Communities ISVs Plattformbetreiber

27 Neue Produktions-IT-Architekturen führen zu stark vereinfachter Einführung von IT-Lösungen Monate Herkömmlicher Ablauf Anforderungsanalyse Request for Information Lastenhefterstellung Make or buy decision Design und Implementierung / Einkauf und Customization Roll out / Stabilisierung Abnahme Minuten Neuer Ablauf Der Kunde informiert sich auf der Plattform* und erwirbt die für ihn maßgeschneiderten Services / Apps Bei Bedarf werden dezentrale Komponenten geliefert Inbetriebnahme* Skalierung nach Bedarf Funktionserweiterung nach Bedarf Eine wenig flexible, von Anfang an komplette und kostenintensive Lösung Eine den Ansprüchen des Kunden entsprechende, flexible und erweiterbare Lösung * durch Hersteller und/oder Community

28 Auswahl und Bereitstellung von mit-solutions mit VFK Der Kunde informiert sich über verfügbare mit-services im Marketplace Auswahl und Bestellung von mit- Services von verschiedenen Lieferanten Bereitstellung der kundenspezifischen Lösung über die Plattform Download App/ Applikation auf (mobiles) Endgerät 29

29 Beispiel: KPI-App - Kennzahlen Prozessplanung und -überwachung Aktives Eingreifen zur Fremd- und Selbststeuerung der Produktionsprozesse Einfache, schnelle und dynamische Bedienung durch Drag & Drop Individuelle Konfiguration von Kennzahlendiagrammen Integration Services von unterschiedlichen Provider möglich Soll-Ist-Vergleich Konfiguration

30 Beispiel: Tracking Apps für die Fertigung Datensammlung in der Fertigung Anlagen und Werkstücke mit NFC-Kennung versehen Ein Prozessschritt wird mit einem Werkstück auf eine Anlage ausgeführt Ein Prozessschritt wird durch Scannen der NFC- Tags begonnen und beendet Während eines Prozessschritts werden Daten erfasst und protokolliert Erfasste Daten Prozesszeit Prozessdauer Anlage Prozessdaten Qualitätsdaten Fehlerfälle (scrap) https://xetics.virtualfortknox.de/demo/

31 Beispiel: ibin Integration Access Point meldet sich am Server an ibin meldet sich beim nächsten Access Point an und bekommt Zeitfenster zugewiesen In Zeitfenstern wacht ibin auf, macht ein Bild und sendet es an den Access Point Access Point schickt diese Bilder an den Server Server wertet die Bilder aus und ermittelt den aktuellen Füllstand http ibin Access Point 866MHz http

32 Demonstrationsszenario: Augmented Reality in der Anlagenwartung Komponenten- und Anlagenbeschreibung Personalschulung durch kontextbasierte Beschreibung und Tutorials Unterstützung bei Fehlersuche Verknüpfung von Komponenten mit Schaltschrankelementen Remoteunterstützung auf Werksebene Bildübertragung von Tablet auf Smartphone Unterstützung bei Wartungsarbeiten Automatische Wartungsprotokolle Sensoren auswerten

33 Beispiel: Smart maintenance Smart maintenance in der laufenden Produktion Smarte Komponenten (integriertes Condition Monitoring und Verschleißmodelle) Wissen on demand (AR, Google Glass, IH-Wiki, etc.) Servicerobotik für die Instandhaltung Smarte Generierung von qualitätssicheren Daten durch Multisensorenverbindung Smart maintenance workflows Mobile Instandhaltung Magazin leer, Bitte auffüllen! Wartung für Kühlmittelpumpe in 5 Stunden notwendig; Benötigtes Ersatzteil: Dichtungssatz: Ich muss in 2h am Warenausgang sein!

34 Gliederung Industrie 4.0 im Kontext Cyber-Physische Systeme (CPS) Produktions-IT im Wandel Umsetzungsbeispiele Umsetzungsschritte

35 Herausforderungen bei der Umsetzung von Industrie 4.0 Zusammenwachsen von IT und Produktionstechnik nötig Vielseitige Kommunikationswege müssen berücksichtigt und unterstützt werden (vertikal, horizontal, unternehmensintern, unternehmensübergreifend) Kurze Implementierungs- und Einführungszeiten gewünscht, Nutzung von einfachen Migrationspfaden Flexible IT-Systeme sind nötig, möglichst ohne zusätzliche eigene Fertigungs-IT aufbauen und betreiben zu müssen Schutz von IP, möglichst ohne zusätzliche und noch komplexere Sicherheitsinfrastrukturen aufbauen zu müssen Einbindung und aktive Unterstützung von KMUs, die keine oder nur unzureichende Produktions-IT einsetzen 36

36 Industrie 4.0 Einführungsprozess (1/2) I II III IV Fachinformation (Veranstaltungen) Workshops mit Führungskräften Besuch von Referenzfirmen Kontinuierlicher Austausch mit der Plattform I 4.0 Dezentrale Entwicklung von use cases im Unternehmen Fokus: Echtzeit, Dezentralität, Software Services Erste grobe Nutzen- und Kostenanalyse Workshops mit Führungskräften Ziel: Auswahl von use cases mit bestem Kosten- Nutzenverhältnis und geringsten Umsetzungsrisiken Kommunikation: Einbindung Mitarbeiter, Betriebsrat, Kunden, Lieferanten Lead-Kunden, Lead-Lieferanten Verständnis Erkenntnis Commitment Long List von use cases Short List von use cases Projektprogramm Umsetzung Commitment Mitarbeiter

37 Industrie 4.0 Einführungsprozess (2/2) V Umsetzung der use cases Pilotprojekte (80 20 Regel) Evaluierung von Kosten und Nutzen Workshops zur Entwicklung neuer use case Ideen VI Definition Roadmap zum Ausrollen von erfolgreich evaluierten Industrie 4.0 use cases über das ganze Unternehmen Auslegung Programm zur Pilotumsetzung neuer use cases VII Roll-out über ganzes Unternehmen mit kontinuierlicher Evaluation Verankerung der Prinzipien der 4. Industriellen Revolution im Produktionssystem Evaluierte use cases Umsetzungserfahrung Umsetzungs-Roadmap Industrie 4.0 Evaluierte und neue use cases Industrie 4.0 Produktionssystem

38 Umsetzung und Forschungsbedarf Industrie 4.0 Die Umsetzung von Industrie 4.0 wird weitgehend durch die Industrie erfolgen Duale Strategie: Einsatz und Entwicklung in der Industrie Mittel-und langfristiger Forschungsbedarf besteht jedoch in den folgenden zentralen Bereichen: Horizontale Integration über Wertschöpfungsnetzwerke Digitale Durchgängigkeit des Engineerings über die gesamte Wertschöpfungskette Vertikale Integration und vernetzte Produktionssysteme Technologie Cyber-Physical Systems (CPS) Einheitliches Architekturverständnis / Referenzplattform (vgl. ISA 95) 39

39 Voraussetzungen für das Gelingen von Industrie 4.0 Zusammenarbeit der Bereiche IT und Produktion für die Realisierung, duales Vorgehen (Einsetzen und Umsetzen) Schaffen von Vertrauen und Sicherheit (technisch und organisatorisch/rechtlich), Investitionssicherheit Etablierung von Standards für Equipment Integration und Service- Orchestrierung durch Referenzimplementierungen Kostengerechte, stabile und flexible Systeme Einfache Migrationswege und iterative Umsetzungsmöglichkeiten Einbindung von KMUs Breite Unterstützung durch die Anwender, auch durch die duale Umsetzungsstrategie 40

40 Normung / Standardisierung als Voraussetzung für die Umsetzung von Industrie 4.0 Einheitliche Begriffsdefinitionen, Modellierung und Beschreibung Referenzarchitektur als Grundverständnis zukünftiger IT- Landschaften in Unternehmen Grundvoraussetzung für die Entwicklung von Migrationsstrategien Definition & Beschreibung von CPS Identifikation, Schnittstellen, Fähigkeiten Nichtfunktionale Eigenschaften Sicherheit, Effizienz, Robustheit, Verfügbarkeit, etc. Einheitliches Verständnis technischer und technischorganisatorischer Prozesse sowie leittechnischer Funktionen Nicht nur Definition neuer Standards, sondern auch Harmonisierung existierender Standards notwendig z.b. Anlagenintegration, EDI 41

41 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ursula Rauschecker

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