FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR OPTRONIK, SYSTEMTECHNIK UND BILDAUSWERTUNG IOSB. Geschäftsfeld Automatisierung Echtzeit-IT für komplexe Produktionsprozesse

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1 FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR OPTRONIK, SYSTEMTECHNIK UND BILDAUSWERTUNG IOSB Geschäftsfeld Automatisierung Echtzeit-IT für komplexe Produktionsprozesse

2 INFORMATIONS- UND KOMMUNIKATIONSTECHNIK (IKT) IN DER FABRIK DER ZUKUNFT Für die zukünftige Wettbewerbsfähigkeit der deutschen produzierenden Industrie ist IKT in der Fabrik der Zukunft eine Schlüsseltechnologie. Sie durchdringt inzwischen viele in der Industrie eingesetzte Produkte, z. B. eingebettete Systeme, Steuerungen, Maschinen und Anlagen sowie Artikel des täglichen Lebens immer stärker. Allerdings muss IKT in der Fabrik der Zukunft die bekannten Ziele der Produktion unterstützen, z. B. vom Kunden geforderte Qualität mit Auswirkungen auf robuste Produktionsprozesse, Geschwindigkeit bezogen auf Innovationen, Durchlaufzeiten und Anlauf von Anlagen sowie wettbewerbsfähige Herstellkosten mit Auswirkungen auf Investitionen in Anlagen und Automatisierungstechnik. Mit IKT-Kompetenz allein lassen sich diese Ziele nicht erreichen. Darum arbeiten am Fraunhofer IOSB Ingenieure, Informatiker und Automatisierungsspezialisten zusammen an den Lösungen der Zukunft. Nur gemeinsam können wir die Anforderungen nach IKT-Unterstützung über den kompletten Lebenszyklus von Produkt und Produktion oder an die Integration der Produktions- IKT in die Gesamt-IKT-Architektur eines Unternehmens erfüllen. Unter dem Schlagwort CIM (Computer Integrated Manufacturing) wurde in den 1980er Jahren die durchgängig rechnerunterstützte Produktion propagiert. Aufgrund der damals vorhandenen Hardware setzte sich diese Vision aber in der Praxis nicht durch, obwohl die Ansätze aus heutiger Sicht richtig waren und viele gute Forschungsergebnisse erarbeitet wurden. Inzwischen hat sich der Wettbewerb für Produktionsunternehmen in Deutschland drastisch verschärft sie stehen im globalen Wettbewerb mit Standorten, die teilweise zu völlig anderen Faktorkosten produzieren. Darum sind Innovationen wichtige Erfolgsfakto- ren für die Produktion in Deutschland IKT-basierte Innovationen für Produkte und Prozesse. Das Geschäftsfeld Automatisierung des Fraunhofer IOSB stellt sich diesen Herausforderungen durch seine klare Fokussierung auf Echtzeit-IKT für komplexe Produktionsprozesse. Mit Leistungen für Kunden aus allen Stufen der Wertschöpfungskette: vom Komponentenlieferanten über Maschinen- und Anlagenbauer und Systemintegratoren bis hin zu Anlagenbetreibern. Nachdem das Web bisher überwiegend Menschen und Endkunden verbunden hat, wird die nächste Generation ( ) Unternehmen und öffentliche Institutionen vernetzen. Damit wird die Grundlage einer vollkommen neuen Art der Zusammenarbeit gelegt. Jim Hagemann Snabe, Vorstandssprecher der SAP AG (Quelle: Nationaler IT-Gipfel, München 2011) LEITTECHNIK UND MES-SYSTEME Unsere Mitarbeiter entwickeln innovative MES-Komponenten und realisieren leittechnische Gesamtlösungen für die (produzierende) Industrie, die Sie bei keinem Systemhaus kaufen können. Wir konzipieren und realisieren produktionsnahe IT-Systeme, zugeschnitten auf den jeweiligen Kundenbedarf, erarbeiten gemeinsam mit den Kunden die Software- und die Hardware-Architektur, implementieren leittechnische und MES-Komponenten und betreuen die Kunden im laufenden Betrieb. Mit den Produkten unserer Produktions-Suite verfügen wir über ein leistungsfähiges Angebot an einsatzbereiten Systemen, die aufgrund ihrer modularen Struktur immer wieder an neue Aufgabenstellungen und Einsatzgebiete angepasst werden können: beispielsweise gemeinsame Modelle von Anlagen auf Basis mechatronischer Bibliotheken erforderlich. Konsistenter Datenaustausch mit anderen Anwendungen auf der MES-Ebene, z. B. Logistikanwendungen, im Sinne einer durchgängigen horizontalen Integration. ProVis.Agent ProVis.Boxed Das praxiserprobte, agenten- Das Mini-Leitsystem zur Inbetriebnahmeunterstützung Übergreifende Auswertungen von MES-Datenbeständen mit basierte Leitsystem für Produktionsund einzelner Hilfe von Data-Mining-Verfahren, um die Produktion im Sinne Gebäudeleittechnik Anlagen eines selbstoptimierenden Systems zu realisieren. Suche von zusammenhängenden Daten in unterschiedlichen, ProVis.Visu ProVis.Ident Die lizenzgünstige Realzeitvisualisierung Das Ident-Leitsystem zur Visualisie- meist proprietären MES- oder Fabrik-Datenbeständen. für anlagennahe und rung dynamischer Objekte in der Leitsystemvisualisierung Produktion - Daimler AG, Werke Bremen ProVis.PAULA ProVis.APS und Wörth Das webbasierte Auswertesystem Das preisgekrönte, webbasierte - ThyssenKrupp Steel Europe AG, zur freien Gestaltung durch die Online-Feinplanungs- und Anwender Steuerungssystem Werk Duisburg - Bombardier Transportation Wir unterstützen MES-Anbieter dabei, ihre Systeme in Richtung der angrenzenden IT-Systeme, z. B. Digitale Fabrik-Tools, Tools der Automatisierungsebene, für die Fabrik der Zukunft zu erweitern. - Rittal GmbH & Co. KG - John Deere Werke Mannheim - VW AG, Presswerk Wolfsburg - Der Harbour-Report urteilt über MES spielen eine weitergehende Rolle, als lediglich Funktionalitäten zum Fertigungsmanagement zur Verfügung zu stellen. Als Informationsdrehscheibe in der Fabrik müssen MES über folgende neue Funktionen verfügen: Online-Kopplung an die Digitale Fabrik, Datenübernahme und permanenter Abgleich mit den Planungsdaten, um in Echtzeit auf Änderungen reagieren zu können. Online-Kopplung an die Automatisierungsebene, um die unsere Arbeiten in einem Presswerk der Daimler AG: The company has purchased a technically advanced control center that monitors every function in the plant from a central location. This enables the tracking of every metric imaginable in real time. durchgängige vertikale Integration zu erreichen; dafür sind 2 3

3 WANDLUNGSFÄHIGE INFORMATIONSTECHNIK Eine der Anforderungen an die Fabrik 4.0 heißt Wandlungsfähigkeit und zwar nicht nur auf physikalischer PROZESSÜBERWACHUNG UND QUALITÄTSOPTIMIERUNG Ebene, sonder n verstärkt auch bezogen auf Software. Dabei ist die zentrale Idee, dass ähnlich wie in der Bürowelt selbstbeschreibende Geräte über Standard-Schnittstellen ( USB-Mechanismen ) genutzt werden, Durch die zunehmende Automatisierung der Fertigungsprozesse und den verstärkten Einsatz von Sensoren wenn neue Komponenten, Maschinen oder Anlagen in ein Produktionssystem eingebracht werden oder sich fallen in immer kürzeren Zeitabschnitten immer größere Datenmengen an. Diese überforder n aber den softwarerelevante Änderungen in der Produktion ergeben. Benutzer und werden daher nur unzureichend genutzt. So werden heute nur rd. 7% der Daten zur Analyse komplexer Zusammenhänge und Trends sowie zur Optimierung von Prozessabläufen und kostenrelevanter Heutige IKT-Architekturen in Produktionsunternehmen sind auf Nach Umbau einer Anlage sollen Softwarekomponenten zur Entscheidungen verwendet, obwohl solche Analysen gerade für Unter nehmen mit hoher Innovationsdynamik diese Anforderung jedoch noch nicht ausgerichtet: Proprietäre Prozesssteuerung unter Einhaltung bestimmter Kriterien, wettbewerbsentscheidend sein können. Schnittstellen, nicht integrierte Einzelsysteme oder firmenspezifi- z. B. Ausbringung, Verfügbarkeit, zwischen den dezentralen sche Speziallösungen verhindern, dass mit IKT-Kapazität ausgerüs- Steuerungen verschiebbar sein. Wesentlicher Grund, dass die vorhandenen Prozessdaten nur tete Komponenten und Maschinen Mechanismen der Selbstkonfi- Eine (neue) MES-Funktionalität wird eingefügt oder geändert, unzureichend für zielgerichtete schnelle Entscheidungen in allen Unternehmensbereichen genutzt werden, ist der Mangel an - Heraeus Tenevo intelligenten Analysewerkzeugen. Diese abstrahieren die Daten - Bayer Technology Services und unterstützen die Benutzer so bei der Verwendung der Daten - Fraunhofer-Projekt ProDaMi guration und durchgängiges Datenmanagement nutzen. z. B. die Visualisierung eines bis dahin nicht benötigten Sach- Wenn IKT in der Fabrik wirklich wandlungsfähig sein soll, dann verhaltes. Die Visualisierung soll automatisch erstellt werden, muss sie die folgenden Beispiele vollständig und autonom der Zugriff auf die benötigten Informationen aus der Feldebe- unterstützen: ne soll ebenfalls automatisch erfolgen. zur Prozessüberwachung und zur Qualitätsoptimierung. Kernidee (Entscheidungsunterstützung In den beteiligten Planungssystemen (Mechanik, Elektrik, ist der Einsatz von Methoden aus Data-Mining und Statistik. im Produktionsumfeld mit Im Fraunhofer IOSB arbeiten wir daran, echte Wandlungsfähigkeit SPS-Programmierung) werden Änderungen eingefügt, Diese Methoden wurden im IOSB für den Einsatz in industriellen Data-Mining-Werkzeugen) in den produktionsnahen Softwarekomponenten durchgängig die möglichst automatisch und konsistent in die Feld- und Produktionsanlagen der Fertigungstechnik und der Verfahrens- über die verschiedenen Ebenen der Fertigungshierarchie zu MES-Ebene weiter geleitet werden müssen. technik angepasst. zentrum Industrial IT höhere ermöglichen. Ein neues vernetzbares Feldgerät, z. B. ein Antrieb mit einer Gemeinsam mit Kunden aus der Industrie entwickeln wir Softwarewerkzeuge, die den Einsatz von Data-Mining-Methoden für neuen Firmware-Version wird in das Produktionssystem eingebracht. Das neue Gerät muss automatisch Netzwerk- - BMBF-Projekt ProduFlexil konnektivität erhalten und in sämtlichen angeschlossenen - BMWi-Projekt IDA: Interoperable Teilsystemen bekannt gemacht werden. Die beteiligten Syste- semantische Datenfusion zur me müssen entsprechend aktualisiert werden. automatisierten Bereitstellung Ein unkonfiguriertes Feldgerät wird in das Produktionssystem von sichtenbasierten zesse einsetzen lassen. eingebracht, z. B. in dem Fall, dass aufgrund eines Fehlers Prozessführungsbildern Außerdem arbeiten wir an universellen und echtzeitfähigen ein altes Gerät schnell ausgetauscht werden muss. Das - BMWi-Projekt SemMES: Standardi- Datenloggern, die in der Lage sind, analoge und digitale Pro- Feldgerät muss nun aufgrund der in den Softwarekomponen- sierte semantische Schnittstelle zessinformationen aus einem heterogen vernetzten Automatisie- ten befindlichen Informationen individualisiert und parame- MES-Maschinenebene rungssystem zeitgenau zu erfassen und zwecks späterer Analyse triert werden. - AutomationMLTM-Mitglied in eine Datenbank abzulegen. Eine der Herausforderungen ist es - VDI-Fachausschuss zum Daten dabei, mehrere heterogene Netzwerke, z.b. PROFIBUS, PROFINET, austausch zwischen MES und EtherCAT, DeviceNET etc., gleichzeitig zu beobachten. Eine weitere Maschine (VDI 5600, Blatt 3) Herausforderung ist die Synchronität der Datenerfassung, hier - DIN NA AK kommen in den Datenloggern Technologien zur Zeitsynchronisie- Eine Produktionsanlage wird umgebaut oder modifiziert, weil eine neue Produktvariante gefertigt werden soll. Die Steue- rungs-/software-relevanten Änderungen sind zu detektieren und automatisch an alle beteiligten Systeme zu propagieren. komplexe Aufgaben der Offline-Analyse sowie der Online-Überwachung und Entscheidungsoptimierung in den verschiedenen Branchen und Ebenen der Produktion erleichtern und sich für einzelne und für vernetzte diskrete und kontinuierliche Teilpro- - Initialprojekt NRW Innovations- Produktivität durch den modellbasierten Entwurf und Betrieb von komplexen Auto matisierungssystemen - BMBF-Projekt Adrian (Agent based diagnosis in realtime industrial automation networks) rung wie IEEE 1588 zum Einsatz. 4 5

4 INDUSTRIELLE KOMMUNIKATION Die industrielle Kommunikationstechnik ist das Nervensystem eines jeden dezentral aufgebauten technischen Systems sei es in der Produktionstechnik oder in anderen technischen Infrastrukturen, wie beispielsweise in künftigen intelligenten Energiesystemen. Anders als in der Bürokommunikation ist die industrielle Kommunikation durch sehr hohe Anforderungen an die Verlässlichkeit der Informationsübertragung gekennzeichnet. Dies spiegelt sich sowohl in der verwendeten robusten Gerätetechnik als auch bei den eingesetzten Methoden und Technologien wider. Unsere Vision ist ein Internet für Maschinen, in dem künftig Echtzeitinformationen in allen Ebenen eines Automatisierungssystems in der notwendigen Qualität zur Verfügung stehen. Automatisierungsgeräte sollen nach dem Plug-and-work -Prinzip einfach - Viessmann Elektronik GmbH - Phoenix Contact integriert werden können und Maschinen und Anlagen bei der - Siemens AG Selbstoptimierung, z. B. bezüglich des Energieverbrauchs, und der Selbstdiagnose, z. B. zur Prozessüberwachung und Qualitätsoptimierung, unterstützen. Darum forschen und entwickeln wir an neuen Verfahren aus der Produktions- und Informationstechnik verschmelzen industriellen Informationstechnik, wie sie in Automatisierungssystemen zum Einsatz kommen. Dabei liegt der Schwerpunkt auf zwischen Automatisierern, Informatikern und den immer stärker, was interdisziplinäre Zusammenarbeit der Systemebene, d. h. auf dem Zusammenspiel der Einzelkomponenten in intelligenten technischen Systemen: Dies umfasst resultierende Dynamik schafft Potenziale für Produkt- klassischen Ingenieurdisziplinen erfordert. Die daraus die horizontale Integration von Steuerungsrechnern, Echtzeitsoftware und Kommunikationsnetzen, z. B. Echtzeit-Ethernet, in der sam mit Partnern aus Forschung und Industrie bis zur und Prozessinnovationen. Diese entwickeln wir gemein- Feld- und Steuerungsebene, als auch die vertikale Integration mit Marktreife; in unserer Modellfabrik können wir sie der Leitebene und weiteren Geschäftsprozessen. Darüber hinaus sogar erproben und demonstrieren. Damit stärken wir arbeiten wir aktiv an der Standardisierung offener und interoperabler Kommunikationsstandards mit. und Anlagenbaus und benachbarter Branchen. die Wettbewerbsfähigkeit des deutschen Maschinen- Neben unserem Anwendungswissen in der Automation bieten wir Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jasperneite, Leiter des Instituts für folgende spezielle Kompetenzen in der Umsetzung von Verfahren Industrielle Informationstechnik (init) und des Fraunhofer und Technologien: Anwendungszentrums Industrial Automation (IOSB-INA) Konzept, Design und Entwicklung von Software- und Hardwarekomponenten für vernetzte Echtzeitanwendungen, IP-Core Entwicklungen für System-on-chip-Lösungen (ASIC, FPGA) und Echtzeit-Middleware für den Einsatz in eingebetteten Systemen. INDUSTRIAL SMART GRIDS Die Erfassung, Überwachung und Optimierung des Energiever- maschinelles Lernen von Computermodellen für das Energiebrauchs ist heute eine zentrale Aufgabe des Maschinen- und Anlagenbaus. Die Automation ist dabei ein unverzichtbarer Bestandteil: IT-Architektur zum Speichern, Berechnen und Auswerten von verbrauchsverhalten von Maschinen und Anlagen, Nur die Automatisierungssysteme können Energiedaten erfassen, Energiedaten und Maßnahmen des Energiemanagements von mit Prozessinformationen abgleichen und steuernd eingreifen. der Feld- bis zur Leitebene, Wirtschaftlich und wissenschaftlich interessante Einsatzszenarien sind dann umsetzbar, wenn die Energieinformationen den IT-Sicherheitskonzepte zur Kopplung automatisierter Maschinen und Anlagen mit Smart Grids, Automatisierungssystemen bzw. den Planungs- und Engineeringwerkzeugen zur Verfügung stehen: Wenn die Automation weiß, Implementierung von IEC Protokollen auf eingebettete Geräte, wie der normale Energieverbrauch für spezielle Anlagen oder Fertigungsaufträge ist, kann sie Prozessabweichungen erkennen. Kommunikationsprofile für standardisierte Energiedatenüber Solche Anomalien deuten oft auf Verschleißerscheinungen oder tragung, z.b. ProfiEnergy. auf eine schlechte Anlagenkonfiguration hin. Beim Aufbau von Industrial Smart Grids unterstützen wir Sie - Anubis Analyse und Übermit folgenden Leistungen: wachung des Energieverbrauchs in Energiedatenerfassung in vernetzten Automatisierungssysteder Verfahrenstechnik und der men mit Hilfe von Datenloggern und speziellen Energie- Produktionstechnik unter Berückmessgeräten, sichtigung betriebswirtschaftlicher Energiemodellierung, um die Abhängigkeiten zwischen Ener- Fragestellungen gefördert durch giedaten, den Automatisierungsdaten und betriebswirtschaft Forschungsvereinigung Elektrolichen Daten zu erfassen, technik beim ZVEI e.v. AUTONOME ROBOTERSYSTEME Das Spektrum unserer Arbeiten erstreckt sich von humanoiden Robotern, für welche neuartige strukturvariable Regelungen entwickelt wurden, bis hin zu mobilen Robotern, die mit autonomen Fähigkeiten ausgestattet werden. Dabei kommen haupt- - EU-Projekt SAPHARI: - DIEHL: SAM-UGV sächlich Methoden der Sensorfusion zum Einsatz, die den Aufbau Safe and Autonomous heterogener Multisensorsysteme ermöglichen. Hierauf bauen Physical Human-Aware Robot weiterführende Algorithmen auf, die es den mobilen Robotern Interaction erlauben, autonom eine unbekannte Umgebung zu explorieren. - Sonderforschungsbereich Diese Algorithmen setzen robuste Verfahren zur simultanen Lokalisierung, Kartierung (SLAM) und Pfadplanung 588 Humanoide Roboter um. 6 7

5 UNSERE LÖSUNGEN WERDEN REALITÄT Ansprechpartner Dr.-Ing. Olaf Sauer Tel.: +49(0) Lemgoer Modellfabrik Fraunhofer Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB Fraunhoferstraße 1 D Karlsruhe Fraunhofer Anwendungszentrum Systemtechnik AST Am Vogelherd Ilmenau Fraunhofer Anwendungszentrum Industrial Automation INA Langenbruch Lemgo Institutsleitung Prof. Dr.-Ing. Jürgen Beyerer Prof. Dr. Maurus Tacke Gemeinsam mit dem init Institut Industrial IT der Hochschule Ostwestfalen-Lippe untersuchen, erproben und demonstrieren wir in der Lemgoer Modellfabrik zukünftige Lösungen der Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) für die Automatisierung. Beispielweise können Sie bei uns schon heute wandlungsfähige und energieeffiziente Produktionssysteme im Betrieb sehen und erleben. So wird die durchgängige IKT von der Feldebene bis zur Leitebene, mit den Möglichkeiten der Visualisierung in einer echten Leitwarte oder die zuverlässige Fernsteuerung/-wartung von entfernten Anlagen via Internet und Mobilkommunikation unmittelbar verständlich. Gestaltung: atelier-bruns.de, Fotos: Daimler AG (S.1,3,4,6), Fraunhofer IOSB (S.5,7,8)