CPS in der Produktionspraxis Unternehmen auf dem Weg zur Industrie 4.0

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1 CPS in der Produktionspraxis Unternehmen auf dem Weg zur Industrie 4.0 Prof. Dr. Volker Stich Donnerstag, FIR e. V. an der RWTH Aachen

2 Agenda Vorstellung und Zielsetzung der Fachgruppe Was sind Cyber-Physische Systeme? CPS - Anwendungsfälle in NRW Akzeptanz als Treiber: Konzept einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Fazit & Handlungsempfehlungen 2

3 Die Digitalisierung wird Unternehmen aller Branchen tiefgreifend verändern Operational Excellence Smart Factory Sensoren schaffen erhöhte Transparenz und eine erweiterte Planungsfähigkeit Stichwörter: Augmented Reality, Big Data, RFID und AutoID, Cyber-physische Systeme Digitalisierung Smart Operations Eine vernetzte Produktion ermöglicht eine flexible Produktionsplanung und -steuerung Stichwörter: Mass Customization, Virtual Factory, Concurrent Engineering Smart Product Das Produkt denkt mit und steht auch nach dem Verkauf mit dem Hersteller in Verbindung Stichwörter: Big Data, Internet der Dinge, M2M, Cloud Erweiterung des Leistungsspektrums Smart Service Durch die Vernetzung von Produkt und Hersteller eröffnen sich neue Märkte für Dienstleistungen Stichwörter: Product-Service- Systems, Hybride Produkte, Service Engineering

4 Der Reifegrad digitaler Geschäftsmodelle ist abhängig von der Branche Reifegrad Digitalisierung in versch. Branchen Quelle: Accenture aus: Smart Service Welt, Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Internetbasierte Dienste für die Wirtschaft, Acatech Branche

5 Die Fachgruppe zielt auf die Beschleunigung des Einsatzes von CPS in der Produktionspraxis ab Studie CPS in der Produktionspraxis Identifikation von Leuchtturmprojekten und Vorreiterinstitutionen auf dem Gebiet Industrie 4.0 Sammeln von vorhandenem Erfahrungswissen in der Industrie und Aufbereitung der Ergebnisse in Best Practices Auswahl und Systematisierung relevanter Anwendungsfälle Anforderungserhebung für konkrete Anwendungsfälle: Welche kurzund längerfristigen Innovationsbedarfe gibt es? Ermittlung von Nutzenpotenzialen konkreter Anwendungsfälle Erarbeitung eines Vorgehens zur Ermittlung der Wirtschaftlichkeit von CPS in der Produktionspraxis Definition von Anschlussaktivitäten Skizzierung von Innovationsprojekten und Aufbau von Konsortien für konkrete Ausschreibungen im Umfeld von Industrie 4.0 5

6 Agenda Vorstellung und Zielsetzung der Fachgruppe Was sind Cyber-Physische Systeme? CPS - Anwendungsfälle in NRW Akzeptanz als Treiber: Konzept einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Fazit & Handlungsempfehlungen 6

7 Untereinander vernetzte, physische Komponenten, ergänzt um Sensorik und Aktorik, formen cyber-physische Systeme. Cyber Physical Systems (CPS) verarbeiten ihnen zugeführte Informationen koordinieren sich selbstständig erkennen ihre physische Umwelt manipulieren ihre Umgebung gezielt Grad der Informationsverarbeitung Entscheidungsfindung Informationserkennung Datenhandhabung CPS Überwachung Automatische Transaktion Identifikation Ort der IV Sensorik eingebettet kombiniert ausgelagert keine einfach mehrfach keine Nutzerrückmeldung physische Aktion Nutzerinteraktion Aktorik Quelle: Deindl (2013): Gestaltung des Einsatzes von intelligenten Objekten in Produktion und Logistik 7

8 Agenda Vorstellung und Zielsetzung der Fachgruppe Was sind Cyber-Physische Systeme? CPS - Anwendungsfälle in NRW Akzeptanz als Treiber: Konzept einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Fazit & Handlungsempfehlungen 8

9 Ausgewählter Anwendungsfälle können in die vorgestellte Systematik eingeordnet werden und geben Aufschluss über den Reifegrad Anwendungsfall 1: RTLS Anwendungsfall 2: Condition Monitoring Grad der Informationsverarbeitung Entscheidungsfindung Informationserkennung Datenhandhabung Identifikation CPS Anwendungsfall 1 Anwendungsfall 2 Anwendungsfall 3 Anwendungsfall 3: MES Ort der IV Sensorik eingebettet kombiniert ausgelagert keine einfach mehrfach keine Anwendungsfall 4: Visualisierung Nutzerrückmeldung Anwendungsfall 4 Anwendungsfall 5: Lagerlogistik physische Aktion Nutzerinteraktion Aktorik Anwendungsfall 5 9

10 Der Durchdringungsgrad cyber-physischer Systeme ist noch gering, insbesondere bei KMU CPS steht am Anfang Je nach Anwendungsfall sind die 4 Dimensionen Ort der Informationsverarbeitung, Grad der Informationsverarbeitung, Aktorik und Sensorik sind unterschiedlich stark ausgeprägt. Von der umfänglichen Umsetzung cyber-physischer Systeme sind die Anwendungsfälle noch entfernt. doch wie kann man die Entwicklung beschleunigen? Akzeptanz ist ein bedeutender Faktor für die weitere Entwicklung. Wirtschaftlichkeit der Einführung innovativer Technologien als Grundlage für Entscheidungsträger. 1) Produktionsleiter eines deutschen Technologieunternehmens 2) 10

11 Agenda Vorstellung und Zielsetzung der Fachgruppe Was sind Cyber-Physische Systeme? CPS - Anwendungsfälle in NRW Akzeptanz als Treiber: Konzept einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Fazit & Handlungsempfehlungen 11

12 Die Planung und Bewertung des Einsatzes von cyber-phyischen Systemen sollte systematisch erfolgen Potenzialcheck I I.1 I.2 I.3 Prozessanalyse Schwachstellenanalyse Potenzialidentifikation Technologieszenario II II.1 II.2 II.3 Anforderungserhebung Soll-Prozessdefinition Technische Grobspezifikation Entscheidungsvorlage III III.1 III.2 III.3 Ermittlung Kostentreiber und Nutzenpotenziale Detaillierung Erweiterungsoptionen Investitionsrechnung 12

13 Der Fokus auf Prozesse und das Einbeziehen der Beteiligten ist Voraussetzung für spätere Akzeptanz Prozessaufnahmen in Workshops mit den Prozessverantwortlichen und -beteiligten Erhebung der Herausforderungen und Identifikation der Potenziale des RFID-Einsatzes Aufnahme der Prozesse & Erhebung der Potenziale Dokumentation Prozesse & Steckbriefe Review durch die Fachbereiche Überarbeitung & Ergänzung Dokumentation 13

14 Prozessinnovationen durch CPS nutzen verschiedene Technologien und erlauben unterschiedliche Verbesserungen Potenzial Automatisieren Beschreibung Eliminieren menschlicher Arbeit aus dem Prozess Exempl. Technologien Artificial Intelligence (AI) Parallelisieren Überwachen Analysieren Koordinieren Integrieren Vereinfachen Infrastruktur Parallelisieren von Prozessabläufen Überwachung der Prozessdurchführung Verbessern der Entscheidungsqualität Steuern räumlich und zeitlich getrennter Prozesse Zusammenfassen vorher getrennter Aktivitäten Eliminieren von Mittlern aus dem Prozess Schaffen der Voraussetzungen für Prozessinnovationen Machine-to-Machine (M2M), RFID (AutoID) Big Data, Complex Event Processing (CEP) Virtual Reality (VR), Augmented Reality (AR) Electronic Data Interchange (EDI) Cloud, Service Oriented Architecture (SOA) Quellen: Krenge, Betriebstechnik & Instandhaltung,

15 III Entscheidungsvorlage III.1 Ermittlung Kostentreiber und Nutzenpotenziale Identifikation der Potenziale in Prozessen Beispielhafte* Bewertung einzelner Nutzenpotenziale Anzahl [#/Jahr] Automatisierter Warenausgang (Vereinnahmung und Verbuchung) Arbeitszeit * pro Vorgang * [h/#] Stundensatz [ /h] Minimal 200 0, Erwartet 300 0, Anzahl Fehler [#/Jahr] Minimal 1000 Erwartet Fehlervermeidung beim Einbau * +... Reduktion mit CPS [%] 0,6 0,8 Fehler- *( folge- kosten beitungs- + * [ /Fehler] 3 Nachbear- zeit pro Fehler [h] 0,5 = Summe [ /Jahr] Stundensatz [ /h] ,5 55 )= Summe [ /Jahr] *fiktive Zahlen 15

16 III Nutzendimensionen III.3 Investitionsrechnung Kosten- und Nutzen Prozesse Ermittlung von Potenzialen und Hemmnissen durch RFID Kosten- und Nutzenbewertung (monetär, qualitativ) Implementierungskosten Ermittlung von Mengengerüsten für Hardware Erstellung eines Lastenhefts / Grobspezifikaion und Einholen von Angeboten zur Kostenabschätzung Investitionsrechnung & Entscheidungsvorlage 16

17 Agenda Vorstellung und Zielsetzung der Fachgruppe Was sind Cyber-Physische Systeme? CPS - Anwendungsfälle in NRW Akzeptanz als Treiber: Konzept einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Fazit & Handlungsempfehlungen 17

18 Akzeptanz und Best Practices sind Erfolgsfaktoren der weiteren Entwicklung Fazit Cyber-physische Systeme bergen ein großes wirtschaftliches Potenzial In NRW besteht bei Anbietern und Anwendern gebündelte Kompetenz für CPS-Lösungen Es besteht noch deutliches Potenzial bei der Umsetzung weiterer Anwendungen Handlungsempfehlungen Anwendung und Verbreitung kann nur durch Akzeptanz erfolgen Wirtschaftliche Betrachtung als wesentliche Argumentationsgrundlage (Business Cases): Messbarmachen des Vorteils Betroffene Mitarbeiter bei der Konzeption berücksichtigen Technologieauswahl muss sich an den Prozessen orientieren Verbesserungen sollten inkrementell vorgenommen werden ( Make the elephant eatable ) Oberste Priorität: Stabilität des Produktionsprozesses gewährleisten 18

19 Für Rückfragen stehen wir gerne zur Verfügung Campus-Boulevard Aachen Prof. Dr.-Ing. Volker Stich Geschäftsführer Telefon: +49 (0) Mobil: +49 (0) Campus-Boulevard Aachen Dr.-Ing. Matthias Deindl Bereichsleiter Informationsmanagement Telefon: +49 (0) Mobil: +49 (0) Im Internet unter 19