»Industrie 4.0«: Drahtlose Kommunikation, Lokalisierung und RFID als Basistechnologien

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1 »Industrie 4.0«: Drahtlose Kommunikation, Lokalisierung und RFID als Basistechnologien René Dünkler Quelle: Fotolia.de

2 GLIEDERUNG Begriffsverständnis Industrie 4.0 Relevante Industrie 4.0 Basistechnologien RFID Drahtlose Kommunikation Lokalisierung Testumgebungen zu Industrie 4.0 am Fraunhofer IIS Fazit 2

3 Begriffsverständnis Industrie 4.0 im historischen Kontext Ende 18. Jhdt. Beginn 20. Jhdt. 1. Industrielle Revolution durch Einführung mechanischer Produktionsanlagen mit Hilfe von Wasser- und Dampfkraft 2. Industrielle Revolution durch Einführung arbeitsteiliger Massenproduktion mit Hilfe von elektrischer Energie Beginn 70er Jahre 20. Jhdt. Heute 3. Industrielle Revolution durch Einsatz von Elektronik und IT zur weiteren Automatisierung der Produktion 4. Industrielle Revolution auf der Basis von Cyber- Physischen Systemen, Vernetzung Produkt, Maschinen Quelle: In Anlehnung an Schlick, Jochen; Stephan, Peter; Zühlke, Detlef: Produktion 2020 Auf dem Weg zur 4. industriellen Revolution. In: IM Fachzeitschrift für Information Management und Consulting 27 (2012), Ausgabe 3, S Zunehmende Komplexität 3

4 Begriffsverständnis Relevante Industrie 4.0 Basistechnologien Radiofrequenzidentifikation (RFID) Near-Field Communication (NFC) Klassische»Data Logger«Echtzeitlokalisierungssysteme (Sichere) Drahtlose Kommunikation Komplexe Telematik Vernetzte Sensoren Sichere Funkkommunikation Cyber-physische Systeme Cloud Computing Big Data Analytics 4

5 Begriffsverständnis Relevante Industrie 4.0 Basistechnologien Radiofrequenzidentifikation (RFID) Near-Field Communication (NFC) Klassische»Data Logger«Echtzeitlokalisierungssysteme (Sichere) Drahtlose Kommunikation Komplexe Telematik Vernetzte Sensoren Sichere Funkkommunikation Cyber-physische Systeme Cloud Computing Big Data Analytics 5

6 Industrie 4.0 Begriffsverständnis am Fraunhofer IIS Unser Ziel ist es, die reale und digitale Welt miteinander durch Lokalisierungs-, drahtlose Vernetzungs- und Identifikationstechnologien zu verknüpfen und einen Echtzeit-Austausch in beide Richtungen zu realisieren. Durch diese Kopplung der realen und der digitalen Welt schaffen wir transparente Prozesse. 6

7 Begriffsverständnis Relevante Industrie 4.0 Basistechnologien RFID Drahtlose Kommunikation Lokalisierung 7

8 RFID RFID Drahtlose Kommunikation Lokalisierung 8

9 RFID Anwendungsfelder und Kundennutzen Eigenschaften RFID Optimierte Pulkerfassung mittels RFID und intelligenter Antennen Kundennutzen Identifikation von Produkten und Personen im Industrie 4.0-Umfeld Vermeidung von teuren Rückrufaktionen Erleichterung des Vorort-Services im Maschinenbau Produktverfolgung, Genaue Zuordnung Anwendungsbeispiele Allgemein Produktion und Logistik Quelle: Fraunhofer IIS 9

10 RFID RFID in Faserverbundwerkstoffen Eigenschaften Integration von RFID in Faserverbundwerkstoffen Glasfaserverbundwerkstoffe und Kohlefaserstoffe Drahtlose Anbindung von eingebetteter Sensorik; Drahtlose Energieübertragung in die Bauteile Vorteile, Kundennutzen Geringe Abmessungen Erfassung und Optimierung von Produktionsabläufen Anwendungsbeispiele Fertigungsprozesses von Faserverbundwerkstoffen Luftfahrt, Windräder Quelle: Fraunhofer IIS Quelle: MEV Verlag 10

11 RFID RFID TAG auf Metall Eigenschaften Integration von RFID TAGs in Metall Kundennutzen Funktionalität auch innerhalb funktechnisch ungünstigen Umgebungen Unempfindlich gegenüber Störungen des Funksignals durch Reflektion an metallischen Gegenständen Zuverlässige und wirtschaftlich darstellbare Datenübertragung über die gesamte Lagerund Transportzeit hinweg Anwendungsbeispiel: Präzise Zuordnung von Bauteilen auf ihrem Produktionsweg Quelle: Fraunhofer IIS/Kurt Fuchs 11

12 Drahtlose Kommunikation RFID Drahtlose Kommunikation Lokalisierung 12

13 Drahtlose Kommunikation Drahtlose Vernetzung eingebetteter Systeme s-net Eigenschaften extrem stromsparendes Kommunikationsprotokoll für bidirektionale Multi- Hop-Übertragung Kundennutzen langlebige Funksysteme einfache Installation durch Selbstorganisation hot plug and play zusätzliche Erhebung & Aggregation von Umweltdaten durch Sensorik Anwendungsbeispiele Überwachung von z.b. Temperatur, Behälterfüllstand Quelle: Fraunhofer IIS 13

14 Drahtlose Kommunikation Anwendungsbeispiel: Intelligenter Behälter Eigenschaften Drahtlose Vernetzung und Überwachung im gesamten Produktionsprozess sowie bei Lagerung und Transport mit s-net Kundennutzen Erkennung von Menge/Füllstand über Sensorik, automatisierter Kanban Überwachung von Temperatur, Feuchtigkeit, Lage, usw. Reaktionsmöglichkeiten am Behälter (Prozesslogik, Assistenz Prozessstörung) Mir ist zu warm! Ich wurde vergessen! Ich bin umgefallen! Quelle: Fraunhofer IIS 14

15 Drahtlose Kommunikation Anwendungsbeispiel: Prüfstände zur Qualitätssicherung Eigenschaften Für Prüfung am Linienende teilt Werkstückträger teilt Prüfstand drahtlos Prüfaufgabe, Abmessungen etc. mit Prüfstand sucht selbstständig nach geeigneten Prüfköpfen und aktiviert diese Drahtlose Kommunikation zwischen Prüfkopf und Prüfstand Vorteile, Kundennutzen Prüfstand passt sich der Prüfaufgabe selbständig an Dynamische Lastverteilung der Prüfstände Werkstück-individuelle Justierung Quelle: SYSTEC GmbH 15

16 Drahtlose Kommunikation Anwendungsbeispiel: Drahtloses Signalisierungssystem Pick-by-local-Light Eigenschaften s-net -Technologie mit bidirektionaler Kommunikation vernetzt Signalisierungssystem an Behältern, Regalen und lokalisiert die Picker energieeffizientes s-net -Protokoll ermöglicht batteriebetriebene Geräte ohne Stromschienen Vorteile, Kundennutzen Reduzierte Suchzeiten und Fehlervermeidung bei Kommissionier- und Montageprozessen Flexibles System ermöglicht mobile Regale, temporäre Aufbauten, schnelle Lagerumgestaltung Quelle: Fraunhofer IIS Gefördert durch AiF/BMWI 16

17 Drahtlose Kommunikation MIOTY My wireless IoT Eigenschaften Bis zu 1 Mio. Sender gleichzeitig Reichweite von mehreren Kilometern 40 km Reichweite Robuste Übertragung durch Telegramsplitting Kundennutzen Übertragung von Sensordaten in großen Netzwerken Vernetzung von Personen und Dingen mit Hilfe von intelligenten Objekten Anwendungsbeispiele: Überwachung von Sensordaten im industriellen Umfeld, große Anlagen Quelle: Fraunhofer IIS 17

18 Drahtlose Kommunikation MIOTY für Industrie 4.0 Die Bestandteile von MIOTY eine Vielzahl an kostengünstigen Standardsendern eine Telemetrieplattform I AM MIOTY MIOTY Netzwerk für industrielle Anwendungen 18

19 Drahtlose Kommunikation MIOTY Roadmap Heute Vorgängertechnologie: Implementierung in Smart- Meetering- Anwendungen IoT -Telemetrie Link zwischen Erlangen und Nürnberg Integration in professionelle IoT Anwendungen 19

20 Drahtlose Kommunikation Breitbandige Datenübertragung Eigenschaften Energieeffiziente Technologielösung Miniaturisierte Signalverarbeitungsplattform Integration von digitaler Signalverarbeitung und Hochgeschwindigkeits-D-A-Umsetzung Sendeanwendungen bis 2,7 GHz Kundennutzen Sichere Übertragung mit hoher Datenrate Anwendungsbeispiele Wartungen im industriellen Umfeld Quelle: Sergey Nivens - Fotolia.com Quelle: Nataliya Hora - Fotolia 20

21 Lokalisierung RFID Drahtlose Kommunikation Lokalisierung 21

22 Lokalisierung Kundennutzen durch Ortungstechnologien Flexible Materialflusstechnik und Automatisierung Beschleunigtes Auffinden von Objekten Vermeidung von Suchaktionen und Prozessunterbrechung Automatisierung von Prozessschritten Verminderung von Fehlprozessierung Reduzierung von Handlingsprozessen Effiziente Steuerung von Prozessen Ressourcenersparnis Kosteneinsparungen Durchsatzerhöhung Transparenz in der Produktion und der Produktionsprozesse 22

23 Lokalisierung Anforderungen an die Lokalisierungstechnologien Kostengünstig bei hoher Zuverlässigkeit auch in heterogenen Umgebungen Koexistent zu etablierten Funktechnologien Leicht zu installieren, leicht zu bedienen Einmal installiert und kalibriert soll die Technologie aufwandfrei funktionieren Transparent zu den Produktionsprozessen (darf keine zusätzliche Arbeitsschritte einfügen) Geringer Wartungsaufwand, lange Batterielaufzeit Hohe Flexibilität, Kombination von verschiedenen Technologien Hybride Lokalisierungssysteme Quelle: Fotolia.com 23

24 Lokalisierung Grundprinzipien der Ortsbestimmung 24

25 Lokalisierung Grundprinzipien der Ortsbestimmung Nutzung Branchen / Anwendungen Frequenzen Verfahren Technologien Infrastrukturbasierte Funkortung Zellbasiert rgs5 Laufzeitmessung Ultraschall RFID Funk GNSS Feldstärkemessung Nachbar- Infrarot WLAN Sichtbares Licht rgs4 WSN schafts- beziehung Winkelmessung Phasenmessung Inertialsensorik 25

26 Folie 25 rgs4 rgs5 ICONS sind abgesägt Angela Raguse-Foessel; fällt raus - einziges Adjektiv/Adverb Angela Raguse-Foessel;

27 Lokalisierung Autarkes Monitoring und Tracking von Werkzeugen Qualitätssicherung in der Produktion, z.b. Zuordnung einer Verschraubung zu einem Werkstück und einer Position Erreichbar durch Kombination von Positionsdaten und Zustandsklassifikation Auf Basis von autarken, low-cost Sensoren: Beschleunigungen, Drehraten und Magnetfeld Ermittelt werden: Zurückgelegter Weg und Ausrichtung Zustände: Werkzeug in Ladestation, in Ruhe, in Bewegung, wird getragen, etc. Kombinierbar mit Funkortung 26

28 Lokalisierung Beispiele zur Ortsbestimmung: awiloc Eigenschaften Basisstationen senden eindeutig identifizier-bare Signale aus und mobile Endgeräte empfangen diese Signale je nach Abstand mit unterschiedlichen Empfangsfeldstärken. Die Empfangsfeldstärken mehrerer Basisstationen ergeben an einer Position ein charakteristisches»muster«daraus bestimmt der Lokalisierungsalgorithmus die Position Kundennutzen Robuste Lokalisierung im m-bereich Anwendungsbeispiel Gabelstaplern, Kennzahlenermittlung Quelle: Fraunhofer IIS 27

29 Lokalisierung BlackFIR adaptive Ortungstechnologien Eigenschaften Version in 868 MHz, 2.4 GHz, 5.8 GHz Indoor / outdoor Positionsgenauigkeit 1 2 m Reichweite (outdoor) m Technologie: AoA, RTT, Inertialsensorik Kundennutzen» Easy to install «Anpassbar an verschiedene Kommunikationsstandards Anwendungsbeispiel Ortung von Gabelstaplern in Produktion Quelle: Fraunhofer IIS Quelle: Fraunhofer IIS 28

30 Lokalisierung UWB Systeme Eigenschaften Ultra-Wideband-Systeme als robuste Funkortungstechnologie in anspruchsvollen Indoor-Umgebungen Basiert auf zeitlich kurzen Impulsen Vorteile, Kundennutzen Hohe Robustheit gegenüber Effekten der Mehrwegausbreitung Ungestörte Nutzung des Spektrums in Koexistenz mit anderen Funksystemen Implementierung vorhandener Chipsätze Anwendungsbeispiele Hohe Genauigkeiten für Produktion Quelle: Fraunhofer IIS 29

31 Lokalisierung Beispiel zur Ortsbestimmung: Sensorfusion Eigenschaften: Kombination von Sensorsignalen durch Schätzalgorithmen Einbindung von Zusatzinformationen wie Karten oder Datenbanken Vorteile und Kundennutzen: Erhöhung von Genauigkeit, Robustheit und Verfügbarkeit der Ortungslösung Anwenderorientierte Datenveredelung Anwendungsbeispiele: Ortung von Menschen, Fahrzeugen und Objekten inner- und außerhalb Quelle: Fraunhofer IIS 30

32 Lokalisierung s-net SmartTracking: Lokalisierung, Kommunikation, Sensorik und Anwendungslogik vereint Eigenschaften: s-net SmartTracking vereint Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik mit lokaler Anwendungs-logik und Prozesswissen auf mobilen Plattformen Vorteile und Kundennutzen: durchgängige Digitalisierung von Prozessen und Wertschöpfungsketten Anwendungsbeispiele: Verfolgung von Transportbehältern, Lokalisierung von Baugruppen im Montageprozess Quelle: Fraunhofer IIS 31

33 Lokalisierung Beispiele zur Ortsbestimmung: Arealüberwachung Eigenschaften Aufbau eines schwachmagnetischen Feldes Einbettung eines stromdurchflossenen Leiters an Boden, Türen oder Toren Ausstattung der Personen und Objekten mit intelligenten Transpondern Kundennutzen Abgrenzung und Kontrolle von Arealen mittels Geofencing, trennscharfe Detektion von Grenzüberschreitungen Anwendungsbeispiele Alarmauslösung bei Grenzüberschreitung Schutz von Mitarbeitern und Objekten Quelle: Fotolia.com Quelle: Fraunhofer IIS 32

34 Lokalisierung Anwendungsbeispiel für hybride Lokalisierungssysteme: Staplerortung und Warenortung Tracking von Flurförderfahrzeugen mit aktiver Ortungstechnologie Hohe Performance Sensorfusion von unterschiedlichen Ortungstechnologien Zuverlässig und robust Warenortung mit passiven UHF RFID-TAGs Nutzung kostengünstiger standardisierter passiver UHF RFID-TAGS Kein Batteriewechsel notwendig Waren/Paletten zum Teil ab Werk getagged Reichweite <10 Meter Quelle: Fraunhofer IIS Quelle: Fraunhofer IIS 33

35 Lokalisierung Anwendungsbeispiel für Hybride Lokalisierungssysteme: SELECT Eigenschaften Integration von Identifikations und präziser Lokalisierungsfunktionen Lokalisierung in Echtzeit im cm-bereich Identifikation, Lokalisierung und Nachverfolgung von Produkten in Logistik und Industrie 4.0 Kundennutzen Lange Batterielebensdauer durch semi-passive Transponder und ihre drahtlose Aktivierung Einfache Installation bei gleichzeitiger hohe Genauigkeit Intelligentes Funknetzwerk aus verteilten Sende-Empfängern Anwendungsbeispiele Derzeit Demonstrator in Produktionsumfeld, Fließband 34

36 Lokalisierung: Anwendungsbeispiel für hybride Lokalisierungssysteme: BlackFIR s-net Eigenschaften Technologie zur Bestimmung des Aufenthaltsorts von Anlagenteilen, Werkzeugen und von Personen in Echtzeit in industrieller Umgebung Kundennutzen Identifikation von Ersatzteilen, Halbzeugen, Endprodukten und Werkzeugen keine Suche Schnelle Erfassung von kritischen Situationen und Beurteilung Anwendungsbeispiel: Integration in Halbleiterfertigung Quelle: Bosch 35

37 Lokalisierung Anwendungsbeispiel für Hybride Lokalisierungssysteme: Holodeck 4.0 Eigenschaften Anwendungsbereich Halbleiterfertigung Genaue Positionierung in Virtual Reality- Anwendungen auf einem Areal von qm Basistechnologie: RedFIR Interaktive Nutzung und freies Bewegen in 3D- Modellen Kundennutzen und Potential von ORAT Entwicklung einer Virtual Reality-Anwendung VORTEILE maßgeschneidert nach Anforderungen des Kunden Adaption unserer VR-Technologie und Lokalisierung für kundeneigene VR-Anwendung Quelle: Fraunhofer IIS/Kurt Fuchs 36

38 Lokalisierung Anwendungsbeispiel für hybride Lokalisierungssysteme: Holodeck 4.0 Kundennutzen Anwendungsbereich Halbleiterfertigung Live-Optimierung von Produktionsprozessen Verkürzung der Produktentwicklungszeit Nachbau neuer Produktionslinien Kostenreduktion durch frühzeitige Fehlererkennung Anwendungsbereiche Produktion, Logistik Kundennutzen und Potential von ORAT VORTEILE Adaptierbar auf weitere Anwendungen: Gaming, Training, Architektur Quelle: Fraunhofer IIS/Kurt Fuchs 37

39 Testumgebungen zu Industrie 4.0 am Standort Nürnberg Test- und Anwendungszentrum L.I.N.K Testhalle und Speziallabore 1400 qm Hallen- und Laborfläche Außenbereich qm Freifläche LKW-Laderampen mit direkter Zufahrt durch die Halle und über die Freifläche zu Test- und Demonstrationszwecken von logistischen Anwendungen Sichere PKW-Fahrstrecke von 100m Länge Kontrollturm zur Steuerung der Gesamtanlage LKW- Rundkurs (durch Innenund Außenbereiche PKW-Fahrstrecke Quelle: Fraunhofer IIS 38

40 Blick ins Test- und Anwendungszentrum L.I.N.K. 39

41 Testumgebungen zu Industrie 4.0 am Standort Nürnberg Test- und Anwendungszentrum L.I.N.K Technologie Anwendung Bündelung der IoT- Leittechnologien Lokalisierung Identifikation Navigation Kommunikation am Standort Nürnberg Entwicklung und Forschung in realer Umgebung für Industrie 4.0 Durchführung komplexer Testreihen Reproduzierbare Umgebungsbedingung en Charakterisierung von Lokalisierungssystemen Studien zur Optimierung des Technologieeinsatzes Demonstrationen und Tests für Partner und Kunden zur Entwicklung innovativer Lösungen für Logistik, Industrie 4.0, Energie, Sicherheit und Mobilität 40

42 Industrie 4.0 am Standort Nürnberg Fraunhofer IIS Fachzentren im Nordostpark Technologien für IoT im Nordostpark RFID Drahtlose Kommunikation, Vernetzung Lokalisierung Anwendungen/Branchen im IoT-Umfeld: Logistik Industrie 4.0 Energie Sicherheit Mobilität Quelle: Fraunhofer IIS 41

43 Industrie 4.0 am Standort Coburg Fraunhofer-Anwendungszentrum Drahtlose Sensorik Entwicklung kundenspezifischer Anwendungen drahtloser Sensorik für Industrie 4.0, Smart City, Gebäudemanagement und Landwirtschaft Kooperation mit Hochschule Coburg Expertise in Effizienter Erfassung und Übertragung von Sensorikdaten (mit s-net, Bluetooth 2.0/LE, ZigBee etc.) Zielgruppengerechter Steuerung, Auswertung (z.b. mit MQTT), Visualisierung von Sensormessungen Sicherer Authentisierung, Identifikation und Datenspeicherung Quelle: Fraunhofer IIS 42

44 Fazit Industrie 4.0 ist DIE Zukunftsstrategie für die deutsche Wirtschaft Für diese Vision werden Basistechnologien benötigt Beispiele sind RFID Drahtlose Kommunikation Lokalisierungstechnologien Testmöglichkeiten bestehen im Test- und Anwendungszentrum L.I.N.K. Fraunhofer IIS ist kompetenter, technologieneutraler Entwicklungspartner Quelle: Fraunhofer IIS 43

45 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ihr Ansprechpartner René Dünkler Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS Nordostpark Nürnberg Quelle: Fraunhofer IIS/Kurt Fuchs 44

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