Industrie 4.0: Grundlagen und Anwendungen. Automation heute und künftig

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1 Industrie 4.0: Grundlagen und Anwendungen Bauernhansl et al: Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik, Springer 2014 Automation heute und künftig

2 Inhalt Automation: von der Automationspyramide zum Cyber Physischen System CPS Konzept und Zielsetzungen von «Industrie 4.0» Industrie 4.0 in der industriellen Umsetzung Partner für Ihre Industrie 4.0 Lösung: FHNW 2

3 Automation in der Energieproduktion 3

4 Energieproduktion: klassische Automation 4

5 Hierarchische Prozessstruktur in der Automation Leitwarte Kraftwerke Oberaar AG Innertkirchen Leitwarte Kraftwerk Gelmersee Leitwarte Kraftwerk Gelmersee Leitwarte Kraftwerk Engstlensee Gelmersee Leitwarte A Leitwarte B Leitwarte A Leitwarte B Speicherprogrammierbare Steuerungen SPS Speicherprogrammierbare Steuerungen SPS Wasserschloss B Wasserschloss B Leitwarte Handeck Kraftwerk A Absperrorgan Kugelschieber Peltonturbine Leitwarte Gelmersee Absperrorgan Drosselschieber Kraftwerk A Absperrorgan Peltonturbine Kugelschieber Absperrorgan Drosselschieber Speicherprogrammierbare Steuerungen SPS Wasserschloss Gelmersee Kraftwerk Handeck Absperrorgan Kugelschieber Peltonturbine Absperrorgan Drosselschieber 5

6 Leiten im Kraftwerk: Herausforderung Gesamtleistungsabgabe an das elektrische Versorgungsnetz planen und überwachen: Netzsynchronisation, Blindleistungskompensation Abdecken der Schwankungen, welche durch erneuerbare Energien entstehen Management der Energiespeicherung Vorgabezeiten Stromproduktion werden geringer: Schaltdynamik Kraftwerke erhöhen! (Derzeit: ca. 30 Min. von Produktion zu Speicherung) 6

7 Neue Automationspyramide: vollständige Datendurchlässigkeit Leitwarte Kraftwerk Gelmersee Leitwarte Handeck Leitwarte Gelmersee Speicherprogrammierbare Steuerungen SPS Wasserschloss Gelmersee Kraftwerk Handeck Absperrorgan Kugelschieber Peltonturbine Absperrorgan Drosselschieber Bauernhansl et al: Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik, Springer 2014 Die klassische Hierarchie der Automationspyramide wird durch «Industrie 4.0» aufgeweicht Dank des Zugriffs des übergeordneten, virtuellen Modells im CPS entstehen beliebige, virtuelle Informationskanäle zwischen den verschiedenen klassischen Automationshierarchiestufen entstehen 7

8 Zukunft der Massenproduktion: personalisierte Produkte Bauernhansl et al: Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik, Springer 2014 Produkte werden individualisiert: Losgrösse 1 mit Hilfe von Massenproduktionsmitteln Massenproduktion wird künftig in der virtuellen Welt geplant und geführt 8

9 Technologietreiber: Internet, Cyber Physische Systeme (CPS) Bauernhansl et al: Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik, Springer

10 Cyber Physisches System (CPS): digitales Modell Bauernhansl et al: Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik, Springer 2014 Ein Produkt entsteht virtuell und wird laufend mit gemessenen Echtzeitdaten aufdatiert Die Fertigung passt sich auf Basis des Cyber Physischen Modells laufend an Fertigungs- & Entwicklungsprozess erlauben die Losgrösse 1 mit Massenproduktionsmitteln 10

11 Industrie 4.0 in der industriellen Anwendung Produkt Industrie 4.0 Wartung/Überwachung Fertigung Industrie 4.0 in Produkten: smarte Hochdruckwasserstrahlschneidsysteme Industrie 4.0 in der Wartungstechnik: Modellbasierte Zustandsüberwachung von Anlagen Industrie 4.0 in der Fertigung: Losgrösse 1 mit Hilfe smarter Serienproduktion 11

12 Produkt Industrie 4.0 Wartung/Überwachung Fertigung Industrie 4.0 Robotergestützte Schleiftechnik SHL 12

13 Automation Schleifzelle Karft- und Wegregelung, adaptive Regler Kraftregler Steifigkeitsregler Regelkreis Bahnplanung ü f Prozessmodell (Roboter und Schleifscheibe) als Basis für Mess- und Regelungstechnik Ziel: Elimination der Einrichtzeit, Schleifen Einrichtzeit von 4-6 h auf unter 30 Minuten verringert Zu 70% kann Prozess automatisiert werden, bei 30% sind zusätzliche Informationen notwendig Industrie 4.0 Grundlagen anwenden 13

14 Prozesskontrolldaten Die Fertigungsschritte zu jedem Teil sind dokumentiert Industrie 4.0: smarter Herstellprozess Design Armatur Kontur Einrichten Werkzeugbau Fertigungsmittel CAD- Daten Model-based Design Gussformen CNC-Fertigung Giessen Geometrie Prozessdaten Drehen/Fräsen Bearbeitungsdaten Schleifen/Polieren Schichtdicke Prozessdaten Galvanisieren Bahnplanung, Schleifen Bahnsteuerung Prozessplanung Optische Kontrolle Input Bahnplanung Prozessmodell: - Kraft-Weg-Relation - Prozessplanung Schleifdaten Kernprozess: Schleifen & Polieren Messen Werkstück Losgrösse 1: Gesamtprozess betrachten CPS: Abgleich Soll-Istgeometrie Fertigung in situ an effektive Geometrie anpassen 14

15 Konstruktion Industrie 4.0: das Cyber Physische System Giessen Mechanische Bearbeitung Digitaler Einrichtprozess Einrichtzeit pro Armatur: < 4 h 1 Modell Model-based Design Prozessmodell Schleifen & Polieren Gussdaten 1 Einheit Losgrösse Keine Einrichtzeit Geometriedaten Digitale Prozessdaten Datentransfer Galvanisieren Digitales Modell/Geometrie Bahnplanung Roboter Regelung Schleifen Bahnplanung Roboter p Regelparameter Schleifen Giessen Mech. Bearbeitung Schleifen Galvanisieren Automation des Einfahrens eines neuen Armaturendesigns Losgrösse 1 für ein Unikat einer Armatur Digitales Modell als Grundlage der vollautomatisierten Fertigung 15

16 Industrie 4.0: die Fabrikation als Regelsystem Modellbasierte Konstruktion/Entwicklung Sollwerte Sollwerte Digitales Modell Modell Freiformflächen - Modell Schleifen - Modell Polieren Giessen Mech. Bearbeiten Schleifen Galvanisieren Istwerte Istwerte Modellbasierte Schleifprogrammierung Reale Geometrie: Soll-Ist q i z 0 Dx q i+1 q i-1 y x 0 x Dy Der gesamte Produktionsprozess wird zu einer Mess- und Regeleinheit Individualisierung der Massenproduktion (Losgrösse 1), kein Lager Energieeffizienz durch eine massiv verminderte Ausschussrate Steigerung der Produktivität durch eine individualisierte, «smarte» Produktion 16

17 Produkt Industrie 4.0 Wartung/Überwachung Fertigung Industrie 4.0: Individualisiertes Produkt dank virtueller Produktplanung 17

18 Elektroantrieb für Hochdruckpumpe: höchste Effizienz Kühlaggregat Mitteldruckhydraulik Mitteldruckhydraulik und Hochdruckteil Wirkungsgrad m 50% Hochdruckteil samt Elektroantrieb hocheffiziente Technologie Wirkungsgrad m>90% Pumpeneinheit kann be- Liebig angeordnet werden geregelter Elektroantrieb statt klassische Hydraulik: Wirkungsgrad: 50 90% Um 70% reduzierte Baugrösse bei gleicher Leistung Skalierbarkeit: individuelle Gesamtanlagen statt Serieneinzelpumpen 18

19 Optimierte Produktionsanlagen und optimaler Maschineneinsatz dank Industrie 4.0 CPS: Auslegung und Produktion einer individuellen Anlage verwendet. Erforderliche Mess- und Regeltechnik wird individuell parametriert, technischen Umsetzung der smarten Wasserstrahlschneidlösung erfolgt CPS-gestützt Industrie 4.0 sorgt dank CPS für eine stets optimale, individualisierte Lösung mit maximaler Ressourceneffizienz bei minimalen Kosten (TCO Total Cost of Ownership) 19

20 Produkt Industrie 4.0 Wartung/Überwachung Fertigung Modellbasierte Zustandsüberwachung und Regelung in der Verfahrenstechnik 20

21 Intelligente Zustandsüberwachung in der Verfahrenstechnik Modul zur Fernwartung Modul zur Zustandsüberwachung Drehzahlvariable Antriebstechnik Modul zur horizontalen Kommunikation 21

22 Diagnosedaten CPS als dezentrales Element Leitebene Visualisierung der Kosten-/ Energieeinsparung Zustandsüberwachung / Ferndiagnose Prozesszeit Feldebene Prozessdaten Optimierung Regelung Zielvorgaben Optimierung Regelung Lebensdauer Energieverbrauch Intelligente Pumpe 1 Intelligente Pumpe n CPS Zielvorgabe Steuerungsebene horizontale Kommunikation Klare Trennung von lokaler Regelung, Diagnose und Fernzugriff Hohe Robustheit im industriellen Umfeld => maximale Prozesssicherheit Durch horizontale Vernetzung entsteht eigenständige Automation Diagnose und Regelungstechnik sind Elemente der Gesamtlösung 22

23 Industrie 4.0: die wesentlichen Punkte Smarte Produktion: Produkte werden modellbasiert individualisiert Vernetzte Strukturen erlauben eine hocheffiziente Produktion KMU: Industrie 4.0 erlaubt Einzelstückproduktion mit den Mitteln der Massenfertigung Cyber Physische Systeme CPS verknüpfen virtuelle Produktentwicklung und Produktionsplanung mit der realen Welt der Fertigung Grundelement eines Industrie 4.0-fähigen Systems: das validierte Modell 23