VIRTUELLE TECHNIKEN FÜR DIE FABRIK DER ZUKUNFT - EIN BEITRAG ZUM ZUKUNFTSPROJEKT INDUSTRIE 4.0

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1 VIRTUELLE TECHNIKEN FÜR DIE FABRIK DER ZUKUNFT - EIN BEITRAG ZUM ZUKUNFTSPROJEKT INDUSTRIE 4.0 SmARPro - SmARt Assistance for Humans in Production Systems Tino Langer, Johannes Stoldt Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU 1

2 EINORDNUNG INDUSTRIE 4.0 2

3 Industrie 4.0 Begriffsbestimmung Die virtuelle IT-Welt und die reale Produktionswelt wachsen immer weiter zusammen. Mit der Entwicklung sogenannter Cyber-Physical Systems (CPS), d.h. der Vernetzung von eingebetteten IT-Systemen untereinander und mit dem Internet, stehen wir nach Meinung vieler Experten und Forscher am Beginn einer vierten industriellen Revolution. Prof. Dr. Dr. Wolfgang Wahlster, Deutschen Forschungszentrums für künstliche Intelligenz (DFKI) Moderne Technologien der Informationstechnik als wichtiger Enabler für eine zukunftsfähige Produktion 3

4 Industrie 4.0 Potenziale in der Wertschöpfungskette Quelle: Kroos, ThyssenKrupp 4

5 Industrie 4.0 Überblick Themenfelder F&E-Roadmap Horizontale Integration über Wertschöpfungsnetzwerke Durchgängigkeit des Engineerings über den gesamten Lebenszyklus Vertikale Integration und vernetzte Produktionssysteme Neue soziale Infrastrukturen der Arbeit Kontinuierliche Entwicklung von Querschnittstechnologien MIGRATIONSSTRATEGIE Industrie 4.0 by DESIGN Geschäftsmodelle Wertschöpfungsnetzwerke Automatisierung von Wertschöpfungsnetzwerken Integration von virtueller und realer Welt Systems Engineering Sensordatenanalyse und Ableitung einer datenbasierten Prozesssteuerung Intelligent Flexibilität Wandelbarkeit Multimodale Anreizsysteme Technologieakzeptanz und Arbeitsgestaltung Funkkommunikation für Industrie 4.0-Szenarien Security & Safety Industrie 4.0-Plattform mit Referenzarchitekturen und Verteilte Dienste-orientierte Architektur Quelle: Bauernhansl et.al: Whitepaper Industrie 4.0,2014 5

6 Industrie 4.0 in der Produktion Daten als Kern der intelligenten Produktion in der ressourcenadaptiven Fabrik GESCHÄFTSMODELLE transparent, flexibel, nachvollziehbar. WERKSTOFFE kennen ihre spez. Eigenschaften). PROZESSE kennen ihre Parameter, passen sich an. synchronisieren Energieangebot/-verbrauch. ENERGIE/EVU kennen ihre Eigenschaften und Historie. PRODUKTE VERNETZTE DATEN kennen ihre Fähigkeiten, fertigen autonom. MASCHINEN MENSCHEN kommunizieren, interagieren, entscheiden. FABRIKBETRIEB setzt verfügbare Ressourcen optimal ein. PROZESSKETTEN bilden sich ah-hoc/ressourcenadaptiv. intuitiv, echtzeitnah, kontextbezogen INTERAKTION Simulation, prognosebasierte Absicherung. DIGITALE FABRIK operieren, adaptieren sich selbstständig. PRODUKTIONSSYSTEME Bildquellen: Fraunhofer Fraunhofer IWU IWU 6

7 FORSCHUNGSPROJEKT SmARPro SmARt Assistance for Humans in Production Systems 7

8 Forschungsprojekt SmARPro - SmARt Assistance for Humans in Production Systems BMBF Ausschreibung Virtuelle Techniken für die Fabrik der Zukunft - Ein Beitrag zum Zukunftsprojekt Industrie 4.0 Situation Steigende Komplexität von Fertigungsprozessen und Produktionsanlagen Erhöhung der Funktionalität von Maschinen und Anlagen Neue Ansätze zur Komplexitätsbeherrschung Konzepte der Industrie 4.0 Zunehmende Durchdringung der Produktionstechnik mit modernen Komponenten der Informations- und Kommunikationstechnik Wachsende Bedeutung der Ressource Daten zusätzlicher Produktionsfaktor Defizite Nutzung von Daten oft nur entsprechend des originären Erfassungsgrundes Fehlende Lösungen zur intuitiven Visualisierung kontextbezogener Informationen Daten für effizienten Betrieb von Produktionssystemen sind verfügbar, werden in Fertigungssteuerung jedoch nur mangelhaft genutzt 8

9 SmARPro - SmARt Assistance for Humans in Production Systems Konsortium und Ziele Laufzeit : bis Partner : Fraunhofer IWU, Fraunhofer IML, Bosch, FORCAM, NILES-Simmons, Hiersemann Prozessautomation, INTEC International Ziele Methoden und Konzepte zur multivalenten Datennutzung Und wofür noch? Orts-, rollen- und kontextbezogene Informationsbereitstellung zur (Re-)Integration des Mitarbeiters in die Produktion Mitarbeiter als kreativer Problemlöser Einbezug moderner Visualisierungs- und Interaktionsmöglichkeiten (Wearables) AR-basierte mobile Assistenzsysteme für den Aufbau und Betrieb intelligenter Produktions- und Logistiksysteme (Smart Factory) 9

10 SmARPro - SmARt Assistance for Humans in Production Systems Kernfragen und Gesamtsystem Kernfragen Gesamtsystem Wie werden notwendige Daten verwaltet? SmARPro Platform datentechnisches Bindeglied Wie können alle Maschinen Daten liefern? SmARPro SmartDevices befähigt Maschinen zu CPPS Wie werden Informationen bereitgestellt? SmARPro Wearables mobile Informationen Wearables und Smart Devices Standardisierte Kommunikation, kontextsensitive Darstellung Maschinendaten unternehmensweit Schnelle und zielgerichtete Entscheidungen in komplexen Szenarien Dezentrale Steuerung und Vernetzung Befähigung beliebiger Anlagen und Maschinen zu Cyber-Physical Production Systems (CPPS) Der Mensch im Mittelpunkt Mitarbeiter als steuernde/ regulierende Entscheider in vernetzten/dezentralen Produktions/Logistiksystemen 10

11 SmARPro - SmARt Assistance for Humans in Production Systems Demonstratoren Chemnitz: AR-unterstützte Produktion Lösungen für komplexe Montageanlagen und Sondermaschinenbau Dortmund: AR-unterstützte Logistik Lösungen für logistische Prozesse von Wareneingang bis -ausgang Homburg: AR-unterstütztes Werkzeughandling Lösungen für Lean Production zur transparenten Werkzeugversorgung 11

12 SmARPro - SmARt Assistance for Humans in Production Systems Systemkomponente I Die SmARPro Platform Bindeglied zwischen Device-Ebene und Auftragsebene Firmeninterne Cloud-Lösung basierend auf Linked-Data-Technologien Verwaltung: Daten von SmARPro SmartDevices, SmARPro Wearables, Dritt-Systemen Aufbereitung: Verlinkung unterschiedlicher Daten zu bedeutungsvollen Informationen Bereitstellung: Kontextbasierte Informationen SmARPro Wearables/ SmartDevices Fertigungsleiter, Planer, Maschinenbediener Kapazitäten, Prozesskette Maschineneigenschaften, Werkzeuge Transportmittel, Puffer, Ladungsträger Selbstbeschreibung Registrierung Daten- und Diensteplattform (Linked Data basiert) Datenverknüpfung zur Wissensextraktion Optimierte Rüstfolge, kurze DLZ, max. Kapazitätsauslastung, min. Energieeinsatz Zugewiesene Energiekapazität pro Schicht Plan- und Betriebsdaten aus AutoCAD, ERP, MES, Simulation, EMS, GLS Kontextbezogene Bereitstellung Daten und Diensten Komponenteninformationen Welche Maschinen werden benötigt? Wann werden diese benötigt? Dezentrale IT-Lösungen zur Entscheidungsunterstützung Steuerungsinformationen Welches Produkt soll wann gefertigt werden? Wie viel Energie wird durch Abschaltung eingespart? 12

13 SmARPro - SmARt Assistance for Humans in Production Systems Systemkomponente II Die SmARPro Wearables Tragbare Geräte aus dem Privatanwenderbereich zur Visualisierung von Informationen und Entgegennahme von Nutzereingaben Tablets Smartphones Smartwatches Smart Glasses Erweiterte Realität durch kontextbezogene Identifikation und Bereitstellung orts-, rollen-, situations- und aufgabenrichtiger Informationen Einsatz weithin bekannter und intuitiver Bedienkonzepte und Notifikationsmöglichkeiten 13

14 SmARPro - SmARt Assistance for Humans in Production Systems Systemkomponente III Die SmARPro SmartDevices Befähigung bestehender Maschinen und Anlagen zu Cyber-phyischen Systemen (CPS) durch Übernahme von Gateway-Funktion (Anbaugerät) Kleinstrechner zur Datenerfassung in der Feldebene, intelligenten Vorverarbeitung und Kommunikation mit SmARPro Platform Einsatz von Industriestandards zur Anbindung von Steuerungen Standardschnittstellen basierend auf Webtechnologien zur Übermittlung von Daten an SmARPro Platform Bietet Option für unkritische Eingriffe in Steuerung (bspw. für Auswahl von Maschinenprogramm mittels SmARPro Wearables) 14

15 Erfassung Komponenten SmARPro - SmARt Assistance for Humans in Production Systems Datenmanagement als Teil des Energie- und E³-Konzeptes BHKW Absorber Gaswarnanlage Pumpen Hybridkühler PV-Anlage Druckluftzähler Kältemaschine Wärme Druckluft Kälte Energie Modbus M-Bus Profinet 160 Messstellen 1500 Datenpunkte 1 HV 1-6 UV Energiezähler Gebäudeleittechnik Verknüpfung von Daten unterschiedlicher Bereiche zur Entscheidungsunterstützung durch kompakte und übersichtliche Informationsdarstellung Gesamtüberblick und anlagenspezifische Information kontextbezogene Aufbereitung und mobile Visualisierung 15 Elektromagnetumformung Karosseriebau Powertrain Laser/Mikrostrukturierung/PEM

16 SmARPro - SmARt Assistance for Humans in Production Systems Der Mensch in der Produktion unterstützt durch mobile-it Kontext-bezogene Daten- und Informationsdarstellung Bereitstellung von Energie-, Prozess- und Qualitätsdaten in Abhängigkeit von Rolle, Ort und Zeit Optimale Visualisierung komplexer Inhalte auf mobilen Endgeräten Mobile Assistenz zur Kontext-bezogenen Mensch- Maschine-Interaktion Fraunhofer IWU: Energy-Dashboard zur Bereitstellung komplexer Sachverhalte Entscheidungsunterstützung bei der Produktionsüberwachung und -steuerung Mobile AdHoc-Datensammlung zur Entscheidungsunterstützung Mobile Beurteilung der Energieeffizienz von Produktionsprozessen Unterstützung energiesensitiver Planung und Steuerung durch Prognosemethoden für den Energieverbrauch IWU E³-Forschungsfabrik Fraunhofer IWU: Beurteilung der Energieeffizienz durch mobile, energiesensitive Produktionsüberwachung 16

17 SmARPro - SmARt Assistance for Humans in Production Systems Der Mensch in der Produktion unterstützt durch mobile-it Anlagenspezifische Info-Boards Ortsbezogene Dashboards Integration von Gebäudeleittechnik, Energiemess- und Prozesswerten Anzeige auf mobilen Endgeräten via Web- Anwendung Drag `n Drop Rollex Montagedemonstrator Gebäudeleittechnik 17

18 VIRTUELLE TECHNIKEN FÜR DIE FABRIK DER ZUKUNFT - EIN BEITRAG ZUM ZUKUNFTSPROJEKT INDUSTRIE 4.0 SmARPro - SmARt Assistance for Humans in Production Systems Tino Langer, Johannes Stoldt Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU Kontakt: Dipl.-Inf. Tino Langer Tel: tino.langer@iwu.fraunhofer.de 18 Das Vorhaben "SmARPro SmARt Assistance for Humans in Production Systems" wird aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung im Rahmen Ausschreibung»Virtuelle Techniken für die Fabrik der Zukunft - Ein Beitrag zum Zukunftsprojekt Industrie 4.0«gefördert (Förderkennzeichen 01IM14004).