Statusreport. Industrie 4.0 CPS-basierte Automation. Forschungsbedarf anhand konkreter Fallbeispiele

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1 Statusreport Industrie 4.0 CPS-basierte Automation Forschungsbedarf anhand konkreter Fallbeispiele Juli 2014

2 2 Industrie 4.0 CPS-basierte Automation Titelbild: VDI-Haus Düsseldorf

3 Industrie 4.0 CPS-basierte Automation 3 Inhalt 1 Zusammenfassung 4 2 Ziel und Methodik des Statusreports 5 3 Fallbeispiel 1: Optimierung von Chargenprozessen im Mittelstand Szenariokontext Szenariobeschreibung Forschungsbedarf 7 4 Fallbeispiel 2: Plug-and-Produce in modularen industriellen Anlagen Szenariokontext Szenariobeschreibung Forschungsbedarf 10 5 Fallbeispiel 3: Selbstkorrektur eines diskreten Fertigungsprozesses Szenariokontext Szenariobeschreibung Forschungsbedarf 12 6 Schluss 13 7 Literatur 13 8 VDI/VDE-GMA-Fachausschuss 14 Januar 2011

4 4 Industrie 4.0 CPS-basierte Automation 1 Zusammenfassung Dieser Statusreport beschreibt Forschungsbedarfe für die Einführung der Cyber-Physical-Systems -(CPS)- Technologie in die industrielle Automation. Diese wurden anhand konkreter Fallbeispiele erhoben, in denen existierende Anlagen mit CPS-Technologie ausgestattet wurden, um die daraus entstehenden Anforderungen zu analysieren. Die Ergebnisse konkretisieren und ergänzen die technologiebezogenen Themen, die die Plattform Industrie 4.0 in ihrem Whitepaper zu Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten formuliert hat [1]. Im Ergebnis lassen sich zusammenfassend die folgenden Forschungsbedarfe identifizieren. Die CPS-Technologie ist gekennzeichnet durch die Vernetzung von Teilsystemen untereinander und mit Diensten, zum Teil über öffentliche Kommunikationsnetze. Als Lösungsansatz ist daher die Übertragung von Technologien naheliegend, die in der Unternehmens-IT erfolgreich für vernetzte Systeme eingesetzt werden (z. B. internetbasierte Kommunikation, dienste-orientierte Architekturen, Cloud-Computing). Der wesentliche Forschungsbedarf hierbei entsteht aus der Frage, wie bei diesem Transfer die besonderen Anforderungen der industriellen Produktion berücksichtigt werden können. Geeignete Anpassungen und Erweiterungen müssen z. B. für folgende Aspekte erarbeitet werden: Echtzeitfähigkeit von Kommunikation und Diensten, die über ein per se nicht echtzeitfähiges Medium bereit gestellt werden Funktionale Sicherheit trotz möglicher Kommunikationsausfälle und trotz Inanspruchnahme von Diensten, die von Dritten bereitgestellt werden Informationssicherheit im Hinblick auf sensible Unternehmens- und Mitarbeiterdaten Nicht nur Standard-IT-Technologien müssen für den neuen Anwendungskontext erweitert werden, auch Methoden aus der Automatisierungstechnik sind an die Möglichkeiten durch CPS anzupassen, um die Vorteile auszunutzen. Ein Beispiel ist die Auslagerung von einzelnen Bestandteilen einer Methodik in externe (Cloud-)Dienste, z. B. Steuerrezepterstellung bei der Rezeptursteuerung oder der Durchführung komplexer Optimierungsaufgaben. Hierzu existieren noch keine systematischen Ansätze. Die Vorteile hinsichtlich Flexibilität und Effizienz von CPS-basierter Automation entstehen u. a. durch die Möglichkeit, einfach strukturelle Änderungen zur Laufzeit vorzunehmen, z. B. durch Verbinden/Trennen von Komponenten und Hinzufügen/Entfernen von Diensten. Da dadurch die Zusammensetzung des Gesamtsystems zur Entwurfszeit nicht vollständig bekannt ist, entstehen wichtige Forschungsaufgaben, z. B.: Für die durchgängige Interoperabilität von Komponenten und Diensten müssen adaptive Schnittstellen bereitgestellt werden, die eine semantisch korrekte Interaktion sicherstellen. Für die Benutzerschnittstellen müssen Konzepte entwickelt werden, die eine Anpassung an die Änderungen des Systems zur Laufzeit ermöglichen und Transparenz und Verständnis des Systemverhaltens unterstützen. Die Absicherung der Systemfunktionalität muss Änderungen zur Laufzeit berücksichtigen, entweder schon zur Entwurfszeit oder durch Validierung zur Laufzeit. Die Zulässigkeit von strukturellen und damit ggf. auch funktionalen Änderungen zur Laufzeit muss anhand von formal verifizierbaren Anforderungsdefinitionen prüfbar sein. Schließlich ermöglicht die CPS-Technologie einen weitgehenden Zugriff auf vielerlei Informationen aus früheren Entwurfsphasen, Betriebsdaten, Gerätedaten etc. Die daraus entstehende Forschungsfrage ist, wie diese Informationen für Entwicklung und Betrieb in einem durchgängigen System- Engineering ausgenutzt werden können. Beispiele sind: Wie können umfassend und bruchlos in allen Phasen Modelle von Systemen und Komponenten eingesetzt werden, z. B. zur Simulation beim Entwurf, für eine virtuelle Inbetriebnahme, zur Wartung und Diagnose im Betrieb insbesondere bei Störungen? Wie kann eine durchgängige Werkzeugkette bereitgestellt werden, die auf den genannten Modellen aufbaut und die notwendigen Schnittstellen anbietet, um Daten und Modelleigenschaften zwischen den Engineering- Schritten auszutauschen?

5 Industrie 4.0 CPS-basierte Automation 5 2 Ziel und Methodik des Statusreports Der Einzug der CPS-Technologie in die Automatisierung eröffnet bisher nicht bestehende Möglichkeiten, industrielle Produktionsanlagen und -prozesse flexibler, effizienter, sicherer und menschengerechter zu gestalten [2, 3]. Um diese Chancen zu nutzen und gleichzeitig die mit dem Paradigmenwechsel zu einer CPS-basierten Automation verbundenen Risiken sicher zu beherrschen, sind noch wesentliche, zum Teil grundlegende Fragen hinsichtlich der Umsetzung und des Umgangs mit dieser Technologie in Entwicklung und Betrieb zu beantworten. Das Ziel dieses Statusreports ist es daher, den daraus entstehenden, technologiebezogenen Forschungsbedarf zu erheben. Dies geschieht anhand von drei konkreten, real bestehenden aber überschaubaren Fallbeispielen, die durch die Integration von CPS- Technologie über den aktuellen Stand der Technik hinausgehen und dadurch konkrete praktische Anforderungen an CPS-basierte Automatisierungssysteme erkennen lassen: Die dazugehörigen Anlagen sind Mitgliedern des GMA-Fachausschusses 7.20 Cyber-Physical Systems aus eigenen Forschungsprojekten gut bekannt und decken sowohl unterschiedliche Anwendungsbereiche als auch unterschiedliche methodische Aspekte ab. Die Analyse dieser Beispiele macht es möglich, die von der Plattform Industrie 4.0 in ihrem Whitepaper zu Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten [1] allgemein formulierten Forschungsbedarfe hinsichtlich der technologiebezogenen Themen exemplarisch zu konkretisieren. In den folgenden Abschnitten wird für jedes Fallbeispiel zunächst der jeweilige Kontext erläutert, aus dem das Fallbeispiel stammt, und anschließend das betrachtete Szenario einschließlich des spezifischen CPS-Aspekts beschrieben. Auf dieser Basis werden dann die Forschungsbedarfe abgeleitet und die Bezüge zu den Themenfeldern aus dem Whitepaper der Plattform Industrie 4.0 dargestellt. 1 Optimierung von Chargenprozessen im Mittelstand 2 Plug-and-Produce in modularen, industriellen Anlagen 3 Selbstkorrektur eines diskreten Fertigungsprozesses

6 6 Industrie 4.0 CPS-basierte Automation 3 Fallbeispiel 1: Optimierung von Chargenprozessen im Mittelstand 3.1 Szenariokontext Das erste Fallbeispiel stammt aus der Verfahrenstechnik. Es betrachtet Chargenprozesse, das heißt diskontinuierliche Produktionsverfahren, z. B. zur Herstellung von Kunststoff. Dabei werden Mengen von Einsatzstoffen unter Nutzung einer oder mehrerer Einrichtungen innerhalb eines abgegrenzten Zeitraums einer geordneten Folge von Prozessaktivitäten unterzogen, um eine Stoffmenge herzustellen. Die NAMUR- Empfehlung NE 33 [4] schlüsselt dazu die Anforderungen an Systeme mit Rezeptfahrweise auf (Bild 1). Dabei wird ein Urrezept (z. B. aus der Forschung) im Rahmen eines Projekts zur Planung einer Produktionsanlage zu einem Grundrezept für einen spezifischen Kontext angepasst. Aus dem Grundrezept entsteht ein Steuerrezept, das auf eine spezifische Produktionslinie und deren Teilanlagen abgestimmt ist. Die Betreiber einer Produktionsanlage modifizieren das Steuerrezept in Abhängigkeit von Umwelteinflüssen sowie von Anlagen- und Bedienparametern. Durch das geänderte Rezept werden Produkteigenschaften (z. B. Viskosität, Leitfähigkeit, Farbe) justiert. Forschung Projektierung Produktion Ebene Urrezept Urrezept an Maßstab und Arbeitsweise anpassen Grundrezept Zuordnung Grundfunktionen-Teilanlage-Technische Funktion Steuerrezept erstellen Produktionsanforderung Produktionsmeldung Produktionsmeldung erarbeiten Legende Bibliothek der Grundoperationen und Grundfunktionen Steuerrezept Chargenprotokoll Funktion Grundoperationen und Grundfunktionen projektieren Steuerrezept ausführen Chargenprotokoll erstellen Information Anlagenbeschreibung Stellwerte Istwerte Feldebene Bild 1. Anforderungen an Systeme zur Rezeptfahrweise nach NAMUR-Empfehlung

7 Industrie 4.0 CPS-basierte Automation Szenariobeschreibung Das konkrete Szenario stellt einen Kunststoffherstellungsprozess im Mittelstand dar (Bild 2). Hier werden verschiedene Einsatzstoffe (z. B. Schüttgüter, Flüssigkeiten) gewogen, dosiert, gemischt, temperiert und schließlich als Zwischenprodukt zur Weiterverarbeitung weitergegeben. Der Prozess muss aufgrund von geänderten Umwelteinflüssen (z. B. Beschaffenheit der Einsatzstoffe, Außentemperatur, Überlastungen im Prozess) oder geändertem Bedienerverhalten (z. B. Änderungen im Ablaufplan, angepasste Produktionsziele) modifiziert werden. Die Modifikation muss das Anlagenlayout (z. B. Drehzahl, Transportgeschwindigkeit, Temperaturverhalten) berücksichtigen. Als besondere Einschränkung eines mittelständischen Betriebs ist oftmals keine Ingenieurskompetenz vor Ort, um die Anpassung eines Steuerrezepts optimal vorzunehmen. Die Techniker vor Ort verlassen sich oft auf Erfahrungswissen, das aber zu suboptimalen Lösungen führen kann. 3.3 Forschungsbedarf Die notwendige Rechenkapazität zur Optimierung von Steuerrezepten auf Basis von komplexen Anlagen- und Prozessmodellen ist im Mittelstand oft nicht innerhalb der Anlage vorhanden. Die Nutzung von entsprechenden Diensten, die über das Internet bereitgestellt werden (Cloud Computing) ist hier naheliegend. Dabei ist das Mieten von generischen Rechnern in Rechenzentren nicht ausreichend, da zunächst eine Optimierungssoftware sowie die Prozessmodelle geeignet übertragen werden müssten. Höherwertige Software-as-a-Service-Optimierungssoftware, auf die bei Bedarf zugegriffen werden kann und die die Prozessmodelle entsprechend einschlägiger Sicherheitsstandards aufnimmt, entspricht eher den Anforderungen des Mittelstands. Dazu müssen einheitliche Schnittstellen entworfen und standardisiert werden sowie Maßnahmen für Sicherheit, Performanz und Verfügbarkeit getroffen werden. Durch entsprechende Dienste können Steuerrezepte anhand von werkübergreifenden Analysen zentral gespeicherter Prozessdaten systematisch optimiert werden. Simulationsergebnisse ähnlicher Steuerrezepte können abgerufen und wiederverwendet werden. Flexible Simulationselemente, die bei Bedarf für konkrete Probleme im Mittelstand zusammengeschaltet und parametrisiert werden können, könnten die Kosten von Simulationen entscheidend vermindern und somit deren breitere Akzeptanz fördern. Solche Lösungen brauchen jedoch noch weitergehende Forschung in den Bereichen Systemarchitektur und Sicherheit. Ein weiteres Ziel ist die zukünftig technisch mögliche, (semi-)autonome Anpassung von Steuerrezepten mittels Cyber-Physical Systems. Dabei kann ein Regelwerk zum Einsatz kommen, das mögliche Modifikationen vordefiniert. Durch die Anbindung an zentrale Rechenzentren mit enormen Rechen- und Speicherkapazitäten könnten Parameter von Steuerrezepten viel systematischer optimiert werden als es mit dem heutigen manuellen und auf begrenzte Informationen basierendem Verfahren möglich ist. Entsprechende Konzepte für sicher anpassbare Steuerrezepte sind noch zu erforschen. Die virtuelle Repräsentation von Anlage und Prozess in Modellen ermöglicht verschiedene virtuelle Informationsverarbeitungsprozesse, die zunächst keine direkte Auswirkung auf die Anlage haben. Dazu zählt z. B. die Virtuelle Inbetriebnahme. Damit kann das Zusammenspiel zwischen Anlage und Produktionsprozess intensiv simuliert werden. Weiterhin ergibt sich die Möglichkeit zur virtuellen Wartung, bei der Service-Prozesse optimiert und geplant werden können. Forschungsbedarf besteht hier insbesondere bei wiederverwendbaren Simulationsmodellen.

8 8 Industrie 4.0 CPS-basierte Automation Bild 2. Kunststoffherstellungsprozess im Mittelstand (Quelle: Hochschule Pforzheim) Voraussetzung für diese Szenarien ist zunächst eine formale, semantische Modellierung der Anlage und des Produktionsprozesses, die dann als Eingabe für informationsverarbeitende Prozesse (etwa Optimierung oder Simulationen) dienen kann. Entsprechende Anlagen- und Prozessmodelle in Form von Metamodellen oder Ontologien sind Gegenstand der Forschung. Das beschriebene Szenario liefert konkrete Forschungsbedarfe vor allem zu den folgenden Themenfeldern aus dem Whitepaper der Plattform Industrie 4.0 : In methodischer Hinsicht ist die Einbindung der Steuerrezeptgenerierung als Dienst ein Baustein für ein geeignetes System Engineering unter Verwendung einer verteilten dienste-orientierten Architektur. Die Verwendung entsprechender Modelle unterstützt die Integration von realer und virtueller Welt. Die sich daraus ergebenden Anforderungen berühren in starkem Maße das Themenfeld Security und Safety.

9 Industrie 4.0 CPS-basierte Automation 9 4 Fallbeispiel 2: Plug-and-Produce in modularen industriellen Anlagen 4.1 Szenariokontext Das zweite Fallbeispiel bezieht sich auf modulare Anlagen sowohl in der Verfahrens- als auch in der Fertigungstechnik. Diese Anlagen besitzen üblicherweise be- bzw. verarbeitende Maschinen und Einrichtungen ebenso wie Transporteinrichtungen (Module). Unterschieden werden lokale Funktionen zum Betrieb eines Moduls sowie übergeordnete Funktionen zur Koordinierung der Module entsprechend der Produktionsaufträge oder externer Anforderungen. Bezüglich der Automationsstruktur sind somit grundsätzlich zwei Szenarien denkbar. 1 Dezentrale Automatisierungsstruktur: Jedes Modul besitzt eine eigene lokale Steuerung zur Realisierung der lokalen Funktion eines Moduls, z. B. zur Realisierung der dezentralen Ablaufsteuerung des Transportvorgangs. Ein übergeordnetes Leitsystem übernimmt die Visualisierung und Koordination der lokalen Steuerungen. 2 Zentrale Automatisierungsstruktur: Ein übergeordnetes Leitsystem übernimmt sowohl die dezentralen als auch die koordinierenden Funktionen ebenso wie die Visualisierung. Ein echtzeitfähiges Kommunikationssystem verbindet lokale und zentrale Steuerungen untereinander und mit dem Visualisierungssystem. In heutigen Lösungen sind die gesamte Vernetzung (wer darf mit wem welche Daten austauschen) sowie die Steuerungs- und Visualisierungslösungen solcher Anlagen fest auf die vorhandene Anlagen- und Automatisierungsstruktur zugeschnitten. Steuerungssoftware ebenso wie Bedien- und Beobachtungslösungen werden manuell durch entsprechende Bearbeiter interaktiv konfiguriert oder programmiert und gelten für genau eine Konfiguration der Produktionsanlage. Sie werden für genau ein Zielsystem, das heißt einen Steuerungstyp oder ein Visualisierungssystem entwickelt. Ihre Flexibilität beschränkt sich üblicherweise auf solche Szenarien, die zum Entwurfszeitpunkt bereits vorhersehbar waren (z. B. das Außer-Betrieb- Nehmen im Wartungsfall). Ein Modulaustauch erfordert heute aufwendige Engineeringaktivitäten, die überwiegend in Handarbeit durchgeführt werden. 4.2 Szenariobeschreibung In diesem Szenario sollen funktionsäquivalente Produktionsmodule gegeneinander ausgetauscht oder durch neue Module ersetzt werden z. B. bedingt durch einen Modulausfall. Das neue Modul soll automatisch in den Ablauf der Automation integriert werden. Bild 3 zeigt Beispiele aus der Prozess- und der Fertigungsindustrie. Ein CPS-basiertes Automatisierungssystem muss demzufolge in der Lage sein, die Fähigkeiten neuer Module mit den Anforderungen des ursprünglichen oder aktuellen Lastenhefts zu vergleichen und entscheiden, welche Änderungen sinnvoll, tolerierbar oder sicherheitskritisch sind. Neue Module verfügen meist über veränderte, meist verbesserte Leistungseigenschaften, die sich u.a. in umfangreicherer und intelligenter Sensorik und Aktorik äußern, oft auch in bereits integrierten ggf. zusätzlich verfügbaren Algorithmen zur lokalen Ablaufsteuerung. Solche Module bieten andere, eventuell auch zusätzliche Datenschnittstellen, die automatisiert in das bestehende Automatisierungssystem integriert werden müssen. Das CPS-basierte Automatisierungssystem muss entscheiden können, welche Sensor-und Aktordaten welchen Steuerungen oder Steuerungsparametern zuzuordnen sind. Geänderte oder neue Daten erfordern aber darüber hinaus Anpassungen oder auch Erweiterungen von Steuerungs- und Visualisierungslösungen. Eventuell in den Modulen bereits integrierte Funktionen müssen berücksichtigt werden, neue Daten erfordern ggf. zusätzliche Verarbeitungsalgorithmen. Auch die Visualisierungslösung muss sich an die modifizierten Funktionen und Daten anpassen, um aktuelle Prozess-, Alarm- und Bedienstrukturen zu erhalten.

10 10 Industrie 4.0 CPS-basierte Automation Bild 3. Beispiele aus der Prozess- und der Fertigungsindustrie (Quellen: Hochschule Ostwestfalen-Lippe/Fraunhofer IOSB, SmartFactoryKL e.v.) 4.3 Forschungsbedarf Im Falle eines Plug-and-Produce-Szenarios müssen neue Anlagen- oder Automatisierungsgeräte hinsichtlich ihrer Eignung automatisiert geprüft und in die existierende Automatisierungslösung integriert werden. Das bedeutet, dass die Kommunikationsverbindungen so zu konfigurieren sind, dass den Steuerungsalgorithmen die richtigen Prozessdaten zugeordnet werden und dass die Kommunikation zur Laufzeit den Echtzeitbedingungen entspricht. Da weder für zentrale noch für dezentrale Automatisierungsstrukturen vorab alle in der Anlage vorhandenen Automatisierungsgeräte (Hersteller, Typ) bekannt sind, müssen Steuerungs- und Visualisierungskomponenten plattformunabhängig und wieder verwendbar bereitgestellt werden. In der vorhandenen Software müssen die zu erneuernden Komponenten identifiziert und durch die aktuellen Komponenten ersetzt werden. Forschungs- und Standardisierungsbedarf existiert insbesondere zur Entwicklung formaler, syntaktisch und semantisch eindeutiger Modelle und zur Beschreibungen für folgende Sachverhalte: formalisierte und semantisch eindeutige Anforderungs- und Fähigkeitsbeschreibungen für funktionale und nichtfunktionale Eigenschaften, z. B. der geforderten Genauigkeit, Reaktionszeit, Safety, Security, Umgebungsbedingungen, sodass eine automatisierte Auswertung ermöglicht wird Beschreibung von Kommunikationsanforderungen so, dass Kommunikationsverbindungen automatisch so konfiguriert werden, dass richtige Daten zwischen den Kommunikationspartnern ausgetauscht und die geforderten Echtzeitanforderungen eingehalten werden Ermittlung und Standardisierung funktionaler Komponenten, die dezentral oder zentral gehalten oder in eine verteilte Infrastruktur ausgelagert werden können Plattformunabhängige Beschreibung der funktionalen Komponenten sowohl für Steuerungs- als auch für Visualisierungslösungen, da bei zentralen Automatisierungsstrukturen erst zur Laufzeit bekannt ist, welches konkrete Automatisierungssystem in der Anlage genutzt wird Auch dieses Fallbeispiel hat unmittelbare Bezüge zu den Themenfelder aus dem Whitepaper der Plattform Industrie 4.0. Im Mittelpunkt steht erneut das System Engineering mit dem Ziel, Systeme bereitzustellen, welche die Anforderungen Intelligenz Flexibilität Wandelbarkeit erfüllen. Außerdem werden wieder die Themenfelder verteilte dienste-orientierten Architektur, Integration von realer und virtueller Welt und Security und Safety berührt. Im Hinblick auf das Themenfeld Multimodale Assistenzsysteme wird der Aspekt der Anpassung von MenschMaschine-Schnittstellen an die Änderungen im Produktionssystem ergänzt.

11 Industrie 4.0 CPS-basierte Automation 11 5 Fallbeispiel 3: Selbstkorrektur eines diskreten Fertigungsprozesses 5.1 Szenariokontext Das dritte Fallbeispiel stammt wieder aus der diskreten Fertigung. Betrachtet wird ein industrieller StanzBiege-Prozess bei einem Hersteller von elektrischer Verbindungstechnik. Die Stanzbiegetechnik zur Herstellung von Bauteilen aus Metall umfasst das Stanzen von Innen- und Außenkonturen sowie das Biegen zur gewünschten Endkontur. Um in diesen Prozessen die Anforderungen an die Qualität und die Maßhaltigkeit der Enderzeugnisse erzielen zu können, müssen die Prozesse präzise überwacht und geregelt werden. Auf der einen Seite führt das dazu, dass die Werkzeuge und Betriebsmittel sehr komplex gestaltet und dadurch das Rüsten und Einrichten der Pressen zeit- und kostenintensiv wird. Andererseits sind diese Prozesse empfindlich gegenüber wechselnden Einflüssen von außen und nur schwierig stabil und sicher zu halten, sodass immer wieder Maßabweichungen auftreten. Es resultiert Ausschuss, der die Wirtschaftlichkeit signifikant reduziert. Werden korrigierende Eingriffe notwendig, so ist bei den heute üblichen Produktionsanlagen im Biegebereich ein Stillsetzen der Anlagen und nicht selten ein Austausch kompletter Werkzeugelemente erforderlich. 5.2 Szenariobeschreibung Es liegt nahe, das beschriebene Problem durch die Möglichkeit einer Selbstkorrektur der Fertigungsanlage zu behandeln und dazu CPS-Technologie einzusetzen. Voraussetzungen für einen selbstkorrigierenden Fertigungsprozess sind eine hochpräzise Messtechnik, eine geeignete Informationsverarbeitung sowie die Vernetzung der Maschinen: Ein Messsystem innerhalb der Maschine erfasst die Kennwerte der produzierten Teile sowie der Maschine und Umgebung und gibt diese Informationen an die Steuerung weiter. Diese sorgt dafür, dass die Maschine durch die autonome Anpassung der Werkzeuge auf Abweichungen reagiert. (B ild 4) Zur Umsetzung solcher selbstoptimierender Prozesse muss eine autonome Parametrisierung der Maschine bzw. Anlage erfolgen. Die Anpassung des Verhaltens erfolgt dabei indirekt über sogenannte Systemziele. Diese stellen übergeordnete Ziele des Systems dar und werden hinsichtlich der aktuellen Situation eigenständig vom System priorisiert. Beispiele für Systemziele sind: minimiere Durchlaufzeit oder minimiere Energieverbrauch. Die Vernetzung der Maschinen ermöglicht, dass Systemziele maschinenübergreifend bzw. anlagenübergreifend erreicht werden können. Ein weiterer Aspekt ist, dass die Realisierung der Selbstoptimierung unabhängig von der maschinenspezifischen Rechenkapazität erfolgt: Teilaufgaben (z. B. Mehrzieloptimierung), die nicht in Echtzeit durchgeführt werden müssen, können so auf andere Netzteilnehmer verteil werden. Zudem ermöglicht die Vernetzung mit öffentlichen Netzen, dass Informationen, die für die Optimierung der Systemziele relevant sind (z. B. Energiepreise, Wetterinformationen) kontinuierlich zugänglich sind. Bild 4. Stanz-Biege-Maschine mit Selbstoptimierung (Quelle: Weidmüller Interface GmbH & Co. KG)

12 12 Industrie 4.0 CPS-basierte Automation 5.3 Forschungsbedarf Neben den maschinentechnischen Voraussetzungen für die beschriebene Adaption der Fertigungsanlage, stehen methodisch vor allem die Selbstoptimierungsmethoden in verteilten Systemen im Mittelpunkt. Die Integration von Verfahren der Selbstoptimierung in Steuerungssysteme, das Engineering derartiger Automatisierungssysteme und ihre Absicherung sind heute noch nicht beherrschte Herausforderungen. Die sichere Vernetzung der Maschinen miteinander und mit der Cloud ist noch ein offener Punkt. Durch Cloud Computing können komplexe Optimierungsverfahren implementiert werden, welche wegen des Rechenaufwands nicht vor Ort berechnet werden können. Die Parametrisierung der Optimierungsverfahren kann dann mithilfe von externen Datenquellen aus dem lokalen und globalen Netz realisiert werden, sodass z. B. Energiepreise in Echtzeit mit in die Optimierung einfließen können. Hier stellen sich Fragen z. B. nach der Verlässlichkeit der externen Daten (Security) oder geeigneter Modelle für die Sicherheitsanforderungen (Safety). Die Weiterentwicklung der Sensorik und Aktorik ist ein weiterer wichtiger Aspekt für die Realisierung von selbstkorrigierenden Fertigungsprozessen. Hier ist die Frage, wie Sensoren und Aktoren noch stärker mit eigenständiger Funktionalität und Kommunikationsfähigkeit ausgestattet werden können, um schneller zu reagieren und sich schneller anpassen zu können. Im Hinblick auf die Themenfelder aus dem Whitepaper der Plattform Industrie 4.0 steht in diesem Szenario die Sensordatenanalyse und Ableitung einer datenbasierten Optimierung der Prozesssteuerung im Fokus. Darüber hinaus bietet es weitere konkrete Fragestellungen zu den Aspekten System Engineering, Intelligenz Flexibilität Wandelbarkeit, Multimodale Assistenzsysteme und Security und Safety. Schließlich wird die Umsetzung ohne eine verteilte, dienste-orientierte Architektur und Verwendung von Modellen im Sinne einer Integration von realer und virtueller Welt nicht möglich sein. In dem Beispiel muss die Anlage Dienste anderer Systeme in Anspruch nehmen, die nicht extra für diese Maschine konstruiert wurden. Hierbei müssen einheitliche Standards für Interoperabilität, z. B. Schnittstellen, Datenmodelle und geeignete Semantiken, geschaffen werden. Durch das Aufkommen von verteilten Systemen, welche miteinander kommunizieren und sich beeinflussen, wächst die Komplexität des Systems soweit an, dass ein Verständnis für das Verhalten der Maschine mit herkömmlichen Methoden nicht gewährleistet werden kann. Daher werden intelligente Assistenten benötigt, welche den Menschen beim Verstehen und Bedienen der Maschine unterstützen.

13 Industrie 4.0 CPS-basierte Automation 13 6 Schluss Dieser Statusreport identifiziert anhand dreier unterschiedlicher Fallbeispiele konkreten Forschungsbedarf für die Einführung von CPS-Technologie in die industrielle Automation. Dabei wird fokussiert auf die technologischen Herausforderungen. Daneben bestehen weitere offene Forschungsfragen, die z. B. Änderungen der Arbeitsprozesse, neue Geschäftsmodelle u. Ä.. betreffen. Eine Übersicht über die Breite dieser Themen findet sich im mehrfach referenzierten Whitepaper [1]. Wie dargestellt, ergänzt und konkretisiert der vorliegende Statusreport die dort genannten technologiebezogenen Punkte. Die behandelten Beispiele zeigen eindrücklich das Potenzial, das die CPS-Technologie zur Weiterentwicklung der Automation für eine zukunftsfähige, effiziente, sichere und menschengerechte Industrieproduktion hat. Es gilt nun, zügig die Voraussetzungen für eine erfolgreiche Bearbeitung der beschriebenen Forschungsaufgaben zu schaffen, um diese Chance für den Standort Deutschland zu nutzen. 7 Literatur [1] Whitepaper: Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten auf dem Weg zu Industrie 4.0. Plattform Industrie 4.0, April (Stand ) [2] Cyber-Physical Systems : Chancen und Nutzen aus Sicht der Automation. VDI/VDE- Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik, April thesen-und-handlungsfelder/ (Stand ) [3] Neue Chancen für unsere Produktion - 17 Thesen des Wissenschaftlichen Beirats der Plattform Industrie 4.0. Plattform Industrie 4.0, April i40.de/neue-chancen-für-unsere-produktion- 17-thesen-des-wissenschaftlichen-beiratsder-plattform-industrie (Stand ) [4] NAMUR-Empfehlung NE33: Anforderungen an Systeme zur Rezeptfahrweise. Leverkusen: NAMUR 1992

14 14 Industrie 4.0 CPS-basierte Automation 8 VDI/VDE-GMA-Fachausschuss Der Fachausschuss Cyber Physical Systems wurde im Mai 2012 gegründet, nachdem die "Integrierte Forschungsagenda Cyber Physical Systems" in Deutschland veröffentlicht worden ist. Prof. Dr.-Ing. Stefan Kowalewski* (Vorsitzender) RWTH Aachen Prof. Dr.-Ing. Frank Allgöwer Universität Stuttgart Dr. Thomas Bangemann ifak Institut für Automation und Kommunikation e.v. Magdeburg Dipl.-Ing. Matthias Barbian Siemens AG Dipl.-Phys. Jürgen Berger VDI/VDE Innovation und Technik GmbH Dr. Andreas Berns VDI/VDE Innoation + Technik GmbH Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. h. c. Dr. h. c. Torsten Bertram TU Dortmund Dr. Annerose Braune* TU Dresden Alexander Dennert Technische Universität Dresden Christian Dernehl* RWTH Aachen Prof. Dr.-Ing. Steven X. Ding Universität Duisburg-Essen Dr. Anton Friedl Siemens AG Dr. Thomas Goldschmidt ABB Prof. Dr. Thomas Greiner* Hochschule Pforzheim Dr.-Ing. Werner Herfs Werkzeugmaschinenlabor WZL RWTH Aachen Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.rolf Isermann Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Klaus Janschek TU Dresden Nasser Jazdi Universität Stuttgart Dr.-Ing. Heiko Koziolek* ABB Forschungszentrum Prof. Dr-Ing. Reinhard Langmann FH Düsseldorf Dr. Felix Loske HARTING KGaA Dr.-Ing. Matthias Loskyll* DFKI GmbH Ulrich Löwen Siemens AG Jörn Malzahn TU Dortmund Felix Mayer TUM Dr. Stephan Middelkamp HARTING KGaA Prof. Dr. Oliver Niggemann* Hochschule OWL Dr.-Ing. Carlos Paiz Gatica* Weidmüller Interface GmbH & Co. KG Dr.-Ing. Dr. habil. Gunther Reißig* Universität der Bundeswehr München Dr. Günter Reusing Bosch Rexroth AG Prof. Dr. Klaus Schilling Institut für Informatik Universität Würzburg Dr. Jochen Schlick Wittenstein AG Stefan Theurich TU Dresden Dipl.-Ing. Holk Traschewski Your Expert Cluster GmbH Prof. Dr.-Ing. Leon Urbas Technische Universität Dresden André Weiskopf Fraunhofer-Institut für Angewandte Systemtechnik AST Dr.-Ing Andreas Wenzel Fraunhofer IOSB *Autoren des vorliegenden Statusberichts

15 Industrie 4.0 CPS-basierte Automation 15 Der VDI Sprecher, Gestalter, Netzwerker Ingenieure brauchen eine starke Vereinigung, die sie bei ihrer Arbeit unterstützt, fördert und vertritt. Diese Aufgabe übernimmt der VDI Verein Deutscher Ingenieure. Seit über 150 Jahren steht er Ingenieurinnen und Ingenieuren zuverlässig zur Seite. Mehr als ehrenamtliche Experten bearbeiten jedes Jahr neueste Erkenntnisse zur Förderung unseres Technikstandorts. Das überzeugt: Mit Mitgliedern ist der VDI die größte Ingenieurvereinigung Deutschlands.

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