Industrie 4.0. Neue Potentiale für die Automatisierung. Präsentation für EWF 26. Februar Prof. Dr.-Ing. Jörg Krüger. Industrie 4.

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1 Industrie 4.0 Neue Potentiale für die Automatisierung Präsentation für EWF 26. Februar 2014

2 Das PTZ im Überblick Fraunhofer-Gesellschaft Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) Technische Universität Berlin Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) Unternehmensmanagement Kommissarische Leitung: Dr.-Ing. H. Kohl Montagetechnik und Fabrikbetrieb Prof. Dr.-Ing. G. Seliger Virtuelle Produktentstehung Prof. Dr.-Ing. R. Stark Produktionssysteme Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. E. Uhlmann Automatisierungstechnik Prof. Dr.-Ing. J. Krüger Füge- und Beschichtungstechnik Prof. Dr.-Ing. Michael Rethmeier Qualitätsmanagement Prof. Dr.-Ing. R. Jochem Medizintechnik Prof. Dr.-Ing. E. Keeve Industrielle Informationstechnik Prof. Dr.-Ing. R. Stark Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. E. Uhlmann Industrielle Automatisierungstechnik Prof. Dr.-Ing. J. Krüger Füge- und Beschichtungstechnik Kommissarische Leitung: Prof. Dr.-Ing. R. Stark Qualitätswissenschaft Prof. Dr.-Ing. R. Jochem Mikroproduktionstechnik Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. E. Uhlmann

3 Produktionstechnisches Zentrum Daten und Fakten 1986 Bezug des PTZ durch IWF und IPK > 600 Mitarbeiter Mehr als 90 Versuchsstätten und 9 Speziallabore auf ca m² Etat von ca. 30,6 Mio. Euro im Jahr % der ehemaligen Mitarbeiter gründeten ein eigenes Unternehmen

4 Übersicht Einleitung - was bedeutet Industrie 4.0? Auf dem Weg zur Smart Factory Produkte werden intelligent Werkstattsteuerung mit cyber-physischen Systemen Cloudbasierte Steuerungen Auswirkungen auf die Produktion

5 Einleitung - was bedeutet Industrie 4.0? Auf dem Weg zur Smart Factory Produkte werden intelligent Werkstattsteuerung mit cyber-physischen Systemen Cloudbasierte Steuerungen Auswirkungen auf die Produktion

6 Was bedeutet Industrie 4.0? Evolution und Revolution in der Produktion 1769 Mechanisierung 1913 Arbeitsteilung und Massenproduktion 1969 Mikroprozessor in der Produktion Cyber-physische Systeme

7 Was bedeutet Industrie 4.0? Evolution und Revolution in der Produktion Definition der Plattform Industrie 4.0 (BITKOM, VDMA, ZVEI) vom : Der Begriff Industrie 4.0 steht für die vierte industrielle Revolution, einer neuen Stufe der Organisation und Steuerung der gesamten Wertschöpfungskette über den Lebenszyklus von Produkten. Dieser Zyklus orientiert sich an den zunehmend individualisierten Kundenwünschen und erstreckt sich von der Idee, dem Auftrag über die Entwicklung und Fertigung, die Auslieferung eines Produkts an den Endkunden bis hin zum Recycling, einschließlich der damit verbundenen Dienstleistungen. Basis ist die Verfügbarkeit aller relevanten Informationen in Echtzeit durch Vernetzung aller an der Wertschöpfung beteiligten Instanzen sowie die Fähigkeit aus den Daten den zu jedem Zeitpunkt optimalen Wertschöpfungsfluss abzuleiten. Durch die Verbindung von Menschen, Objekten und Systemen entstehen dynamische, echtzeitoptimierte und selbst organisierende, unternehmensübergreifende Wertschöpfungsnetzwerke, die sich nach unterschiedlichen Kriterien wie bspw. Kosten, Verfügbarkeit und Ressourcenverbrauch optimieren lassen.

8 BMBF Rahmenkonzept Forschung für die Produktion von morgen Verbundprojekte zum Thema Industrie 4.0 BAZMod - Bauteilgerechte Maschinenkonfiguration in der Fertigung durch Cyber- Physische Zusatzmodule CyProS - Cyber-Physische Produktionssysteme - Produktivitäts- und Flexibilitätssteigerung durch die Vernetzung intelligenter Systeme in der Fabrik ERANET-MANUNET-ARSGuide - Augmented Reality System for Guidance ERANET-MANUNET-DeLas - Development and Ramp up of automated Laser Assembly ERANET-MANUNET-MANUbuilding - Energy efficient building for industrial environment ERANET-MANUNET-Sim4SurfT - Integrated Simulation System for Laser Surface Treatment of Complex Parts

9 BMBF Rahmenkonzept Forschung für die Produktion von morgen Verbundprojekte zum Thema Industrie 4.0 IWEPRO - Intelligente selbstorganisierende Werkstattproduktion KapaflexCy - Selbstorganisierte Kapazitätsflexibilität in Human-Cyber-Physical-Systems KARISPRO - Kleinskaliges Autonomes Redundantes Intralogistik-System in der Produktion plcasso - Industrielle CloudbASierte SteuerungsplattfOrm für eine Produktion mit cyberphysischen Systemen ProSense - Hochauflösende Produktionssteuerung auf Basis kybernetischer Unterstützungssysteme und intelligenter Sensorik RobIN4.0 - Robustheit durch Integration, Interaktion, Interpretation & Intelligenz SmartTool - Intelligente Werkzeuge für die vernetzte Fertigung von morgen

10 Einleitung - was bedeutet Industrie 4.0? Auf dem Weg zur Smart Factory Produkte werden intelligent Werkstattsteuerung mit cyber-physischen Systemen Cloudbasierte Steuerungen Auswirkungen auf die Produktion

11 Auf dem Weg zur Smart Factory Produkte werden intelligent Barcode RFID Transponder egrains Heute: Produktidentifikation lesbare Informationsträger Identifikation von Produkten, Werkstücken Morgen: Produktgedächtnis Lesen und Schreiben von Informationen Traceability und Dokumentation in Produktion Übermorgen: Produktintelligenz Informationsverarbeitung in Funksensorknoten Werkstücke bringen Bearbeitungsinformation mit Objekte kommunizieren, kooperieren, entscheiden Dezentrale Intelligenz durch Agenten Flexibilität durch produktgetriebene Fertigung Fraunhofer IPK

12 Auf dem Weg zur Smart Factory Vision: Produktion mit verteilter Intelligenz Intelligente Fertigungseinrichtungen, Komponenten, Werkstücke, dezentrale, kooperative Steuerung und Organisation, Adaption an Veränderungen im Produktionsumfeld. Beteiligte Komponenten sind mit lokaler Intelligenz ausgestattet, kommunizieren aktiv miteinander, bewältigen in Kooperation eigenverantwortlich Aufgaben. Fraunhofer IPK

13 Auf dem Weg zur Smart Factory Werkstücke steuern ihren Weg durch die Fertigung Vernetzte Maschinen und Werkstücke Information an Bord Lager für Rohteile Arbeitsfortschritt am Werkstück visualisiert Funkknoten für Maschinen Werkzeuge Werkstücke Selbstorganisierende Produktion Fraunhofer IPK Sensoren

14 Einleitung - was bedeutet Industrie 4.0? Auf dem Weg zur Smart Factory Produkte werden intelligent Werkstattsteuerung mit cyber-physischen Systemen Cloudbasierte Steuerungen Auswirkungen auf die Produktion

15 Hartrehen Schleifen Waschen In Körben Prüfen Harträumen Powerhonen Waschen in Körben Prüfen Hartdrehen & Schleifen Waschen in Körben Prüfen Auf dem Weg zur Smart Factory IWEPRO - Intelligente selbstorganisierende Werkstattproduktion Werkereinbindung Gestaltung Produktionsarbeit Dezentrale Planung und Steuerung Zahnräder Gangräder OP110 OP110 Cyber-Physische Produktionsunterstützung für die Werkstattfertigung Stirnräder OP110 Kooperierende Produktionsmittel OP120 OP120 Schleifen Dynamisierung Adaptivität OP130 OP140 OP130 OP140 OP130 OP140 Ind 4.0 Interoperabilität Intelligenz

16 In Körben in Körben in Körben Auf dem Weg zur Smart Factory IWEPRO - Intelligente selbstorganisierende Werkstattproduktion Zahnräder Gangräder Stirnräder OP110 Hartrehen Schleifen OP130 Waschen OP110 Harträumen OP120 Powerhonen OP130 Waschen OP110 Hartdrehen & Schleifen OP120 Schleifen OP130 Waschen Simulieren Planen Steuern OP140 OP140 OP140 Prüfen Prüfen Prüfen Kommunikation Intelligenz Kooperation Arbeitsgestaltung Rüsten Bearbeiten Beladen Produktionsmittel Mitarbeiter Software und IT

17 Auf dem Weg zur Smart Factory IWEPRO - Intelligente selbstorganisierende Werkstattproduktion

18 Einleitung - was bedeutet Industrie 4.0? Auf dem Weg zur Smart Factory Produkte werden intelligent Werkstattsteuerung mit cyber-physischen Systemen Cloudbasierte Steuerungen Auswirkungen auf die Produktion

19 Auf dem Weg zur Smart Factory picasso - Cloudbasierte Steuerungen

20 Auf dem Weg zur Smart Factory Evolution und Revolution in der Produktion 1769 Mechanisierung 1913 Arbeitsteilung und Massenproduktion 1969 Mikroprozessor in der Produktion Cyber-physische Systeme

21 Auf dem Weg zur Smart Factory cloudbasierte Steuerungen Ausgangssituation hierarchische Steuerungsarchitektur Aufwändige Re-/Konfiguration Geringe Erweiterbarkeit, Aktualität und Zukunftssicherheit Fabriksteuerung Planung HMI HMI Fabrikebene Planungsebene Aufwändige Updates Bedienung nur über lokale Steuerung Eingeschränkte Redundanz Geringe Performance bei komplexen Algorithmen Aufwändige Datenprotokollierung und Dokumentation Sollwertvorgaben Schnittstelle Akto-rik Prozess HMI HMI HMI Inbetriebnehmer Engineeringtool Bediener Leitsteuerung Zellensteuerung Maschinensteuerung Sensorik Simulation Mobilgerät Fernwartung Instandhalter Leitebene Zellenebene Maschinenebene Keine Selbstoptimierung Sicherheit und Schutz des Prozess-Know-Hows für jede Steuerung zu lösen

22 Auf dem Weg zur Smart Factory cloudbasierte Steuerungen Ausgangssituation hierarchische Steuerungsarchitektur Klassische Steuerungsstruktur der Fabrik Hochflexibel vernetzte Steuerung der Fabrik mit Cloud-Mechanismen VRC Virtual Robot Controller MES Manufacturing Execution System SPS Speicherprogrammierbare Steuerung CNC Computerized Numerical Control VNC Virtual Numerical Control ERP Enterprise Resource Planning SCADA Supervisory Control and Data Acquisition

23 Auf dem Weg zur Smart Factory cloudbasierte Steuerungen Gemeinsamer Ressourcenpool VRC Virtual Robot Controller SPS Speicherprogrammierbare Steuerung VNC Virtual Numerical Control MES Manufacturing Execution System ERP Enterprise Resource Planning

24 Auf dem Weg zur Smart Factory cloudbasierte Steuerungen Freie Kapazitäten hochflexibel nutzen Innovation Virtualisierung streng hardwaregebundener echtzeitfähiger Steuerungsaufgaben Flexible Bereitstellung von Steuerungen Cloud-basierte Datenhaltung der Algorithmen und Prozessparameter VRC Virtual Robot Controller SPS Speicherprogrammierbare Steuerung VNC Virtual Numerical Control MES Manufacturing Execution System IF Interface Technische Herausforderungen Echtzeitfähigkeit (Steuerungstakt, Jitter) Sicherheit

25 Neue Potentiale für die Produktion - cloudbasierte Steuerungen Modularisierung und Zentralisierung Programm Interpreter Interpolator Koordinatentransformation Feininterpolator Lageregelung Geschwindigkeitsregelung Stromregelung

26 Auf dem Weg zur Smart Factory cloudbasierte Steuerungen Mehrwertdienste / APPs / Module VRC Virtual Robot Controller VNC Virtual Numerical Control MES Manufacturing Execution System IF Interface

27 Auf dem Weg zur Smart Factory cloudbasierte Steuerungen Nutzung von Cloudmechanismen für Maschinen und Robotersteuerungen Merkmal NIST Umsetzung Definition der Cloud-Merkmale picasso in picasso On-demand Self Service Broad Network Access Resource Pooling Rapid Elasticity Measured Services Die Bereitstellung der Ressourcen (z.b. Rechenleistung, Datenspeicher) läuft automatisch ab Die Services sind über einheitliche Schnittstellen im gesamten Netz verfügbar Die Ressourcen liegen in einem Pool vor, aus dem sich viele Anwender bedienen können Die Services können schnell und flexibel zur Verfügung gestellt werden, in manchen Fällen automatisch Die Ressourcennutzung kann gemessen, überwacht und entsprechend bemessen den Anwendern zur Verfügung gestellt werden - Instanziierung neuer Steuerungskerne - Mehrwertdienste - Zusätzliche Funktionsmodule - App-Konzept - Zentrale Datenhaltung - Skalierbare Rechenleistung über Prozessorkerne - Maßgeschneiderte Bereitstellung von Steuerungsfunktionen und -leistung

28 Auf dem Weg zur Smart Factory cloudbasierte Steuerungen Nutzung von Cloudmechanismen für Maschinen und Robotersteuerungen Merkmal NIST Umsetzung Definition der Cloud-Merkmale picasso in picasso Software as a Service Platform as a Service Infrastructure as a Service Private Cloud Community Cloud Nutzung von Software auf der Basis einer transparenten Bereitstellung von Ressourcen und Diensten Bereitstellung von Infrastruktur zur Ausführung kundenspezifischer Anwendungen Bereitstellung von Infrastruktur zur Auslagerung kompletter IT-Systeme Unternehmenseigene und nur von diesem Unternehmen selbst genutzte Cloud-Umgebung Cloud-Infrastruktur nur für einen speziellen Nutzerkreis zugänglich und nutzbar - Nutzung ausgewählter Steuerungsfunktionen und software als Dienst - Virtualisierung von Teilen einer Steuerung in der Cloud - Mehrwertdienste in der Cloud - Nutzung von Cloud- Technologien zunächst nur im unternehmenseigenen Netz - Angestrebte sichere Umgebung zur Verbindung von Steuerungen und Mehrwertdiensten

29 Auf dem Weg zur Smart Factory cloudbasierte Steuerungen Herausforderungen Beherrschung von Echtzeitanforderungen. Sicherheit cloud-basierter Steuerungen. Vereinheitlichung von Schnittstellen zwischen unterschiedlichen Steuerungssystemen, um die Potentiale der Cloud-Struktur optimal nutzen zu können.

30 Einleitung - was bedeutet Industrie 4.0? Auf dem Weg zur Smart Factory Produkte werden intelligent Werkstattsteuerung mit cyber-physischen Systemen Cloudbasierte Steuerungen Auswirkungen auf die Produktion

31 Auswirkungen auf die Produktion Reduktion von Komplexität durch dezentrale Intelligenz Vernetzte Intelligenz auf dezentraler Ebene -> Entkopplung von Prozessen Bauteilintelligenz und Kommunikationsfähigkeit von Bauteilen Ortung von Bauteilen ermöglicht flexiblere Logistik Höhere Transparenz dicht am Prozess durch Vernetzung mit lokaler Sensorik Kontextbezogene lokale Bereitstellung von Daten für den Nutzer Zugriff auf Daten dicht am Prozess über mobile Rechnerplattformen Bereitstellung passgenauer Software für spezifische Aufgabenstellungen über App-Konzept

32 Ausblick Auswirkungen auf die Produktion Sichere, effiziente und flexible Prozesse durch Cloud-basierte Systeme Höhere Sicherheit der gesamten Fabriksteuerung in Private Cloud als bei dezentralen Steuerungen. Möglichkeit zur Integration von Alt-Steuerungen, deren Betriebssysteme nicht mehr mit Sicherheits-Updates versorgt werden ( Legacy-Systeme ), in die Cloud. Stärkere Hardwareunabhängigkeit der Steuerungen. Daraus resultiert eine höhere Investitionssicherheit und eine längere Nutzbarkeit von Steuerungssoftware -> Investitionssicherheit Flexible Verteilung von Rechenleistungen an rechenintensive Prozesse wie z.b. komplexe Geometrieberechnungen (z.b. 5-Achsen-Interpolation) oder Sensordatenverarbeitung (z.b. für die In-Prozess-Qualitätskontrolle). Vereinfachtes Upgrade und Retrofitting alter Maschinen mit moderner Steuerungsfunktionalität über die Cloud. Vereinfachte Verkettung von Maschinen und Anlagen durch Kommunikation über gemeinsame Cloud-Speicherbereiche an Stelle heterogener Kommunikationsstrukturen.

33 Auswirkungen auf die Produktion Neue Wertschöpfungspotentiale Höhere Energieeffizienz durch Virtualisierung von Steuerungen. Reduktion von Stand-by-Verbräuchen durch flexible Nutzung der Rechenleistung durch unterschiedliche Steuerungsprozesse. Vereinfachte Anbindung von Mehrwertdiensten ( wie z.b. Simulation, Prozessmodellierung, Visualisierung, Mensch-Maschine-Schnittstelle, Programmierung). Vereinfachte Integration produktionsbezogener Apps, beispielsweise zur Datenvisualisierung über mobile Plattformen (Tablets, Smartphones) in der Fabrik.

34 Auswirkungen auf die Produktion Was bringt Industrie 4.0?»Industrie 4.0 adressiert nicht ausschließlich die Massenproduktion, sondern vor allem die Flexibilisierung der Produktion. Die intelligente Fabrik der Zukunft ist hochflexibel, hochproduktiv und ressourcenschonend. Dadurch wird die Individualisierung (Losgröße 1) zu den ökonomischen Konditionen eines Massenherstellers Realität. Der Unterschied zwischen der dritten und der vierten industriellen Revolution liegt darin, dass wir in der dritten eine starre oder flexible Automatisierung mit den bisherigen Möglichkeiten hatten und wir nun eine intelligente und wandlungsfähige Automatisierung erreichen wollen.«expertenzitate aus Studie des Fraunhofer IAO Produktionsarbeit der Zukunft Industrie 4.0»Der Trend den wir sehen, ist die Abkehr von der Massenproduktion zur Individualproduktion bis hin zur Mikroproduktion. Wir haben hier immer mehr autonome Systeme, die in der Lage sind, auch sehr kleine Losgrößen zu produzieren.«

35 Industrie 4.0 am Standort Berlin IT-Prozesse in der Fertigungs-Prozesskette der Fabrik Beispiel: Ein Produkt entsteht Modellierung & Absicherung digitaler Modelle Informationsmanagement Zustands- Erfassung & Digitalisierung Prozesserfassung & -kontrolle Vernetzung, Steuerung & Regelung Qualität garantieren Workflows, KPI, ERP Produkte entwickeln und optimieren Das Unternehmen managen Digitale Fabrik, Simulationsmodelle von Produkt, Prozess, Ressource & Fabrik Fabrik & Produktion planen und simulieren NC-Bearbeitung SPS Auftragssteuerung Materialfluss und Fördertechnik Teilefertigung mit Maschinen und Montage in Vorrichtungen mit automatisierter Anlagentechnik Teile und Anlagen Instand halten Fotos: Fraunhofer IPK (verschiedene Fotografen); BAM

36 Industrie 4.0 am Standort Berlin Derzeitige IT-bezogene Wertschöpfung in der Produktion Direkte Wertschöpfungsanteile Produktentwicklung und digitale Absicherung (CAx, DF) Produktionsplanung (ERP) Materialfluss / Logistik Maschinensteuerung / Regelung (CNC, RC, SPS, SCADA) Fertigungssteuerung (MES) Indirekte Wertschöpfungsanteile IT-Administration IT-Hosting Bereitstellung IT-Infrastruktur (Rechenleistung, Kommunikation) Software- Orchestrierung IT-Sicherheit Datenerfassung (MDE/BDE) Qualitätskontrolle/ Datenanalyse Facility Management (Energie u.a.) Fraunhofer IPK

37 Industrie 4.0 am Standort Berlin Aufbau eines Demonstrationszentrums Factory IT of the Future Stufe 1 Analyse neuer Wertschöpfungspotenziale für Berliner IT-Unternehmen durch Industrie 4.0 Bestandsaufnahme Berliner IT-Kompetenz für die Produktion Besondere Stärken und Innovationspotentiale bzgl. Industrie 4.0 Bündelung Berliner Kompetenz für die IT- Struktur der Fabrik von morgen -> Aufbau neuer IT-Wertschöpfungsnetze Industrie 4.0 Stufe 2 Aufbau eines Demonstrationsund Anwendungszentrums Factory IT of the Future Geplantes Future Control Lab als Kern Erweiterung zur erlebbaren Informationsfabrik PTZ-Versuchsfeld als Demonstrationslabor Schrittweise Erweiterung auf Standorte von Industriepartnern im Sinne eines vernetzten Demonstrationszentrums Factory-IT of the Future Fraunhofer IPK

38 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!