Cyber Physical Production Systems: Ohne Sensorik keine Industrie 4.0 Prof. Robert Schmitt. ITG/GMA Fachtagung, Nürnberg WZL/Fraunhofer IPT

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1 Cyber Physical Production Systems: Ohne Sensorik keine Industrie 4.0 Prof. Robert Schmitt ITG/GMA Fachtagung, Nürnberg

2 Industrielle Revolutionen der letzten 260 Jahre Überleben 1. Industrielle Revolution Agricola (1556) Erfindung der Dampfmaschine Einführung von dampfbetriebenen mechanischen Produktionsanlagen 1750 Quelle: Plattform Industrie 4.0, Spektrum der Wissenschaft Spezial: Forschung und Technik in der Renaissance, Gaswerksfreunde Augsburg e.v. Seite 1

3 Industrielle Revolutionen der letzten 260 Jahre (Lebensmittel-) Bedarf 1. Industrielle Revolution 2. Industrielle Revolution Kühlwagen (1893) Erfindung der Dampfmaschine Einführung von dampfbetriebenen mechanischen Produktionsanlagen Erfindung des Fließbandes Einführung der arbeits-teiligen Massenprodukti on mithilfe elektr. Energie Quelle: Plattform Industrie 4.0, Chicago Historical Society, quickiwiki.com Seite 2

4 Industrielle Revolutionen der letzten 260 Jahre Ölkrise & Ressourceneffizienz 1. Industrielle Revolution 2. Industrielle Revolution 3. Industrielle Revolution Massen-Individualität Erfindung der Dampfmaschine Einführung von dampfbetriebenen mechanischen Produktionsanlagen Erfindung des Fließbandes Einführung der arbeits-teiligen Massenprodukti on mithilfe elektr. Energie Einführung der ersten SPS Einsatz von Elektronik und IT zur (weiteren) Automatisierung der Produktion Quelle: Plattform Industrie 4.0, Autobild, SPS Magazin, Stuttgarter Zeitung, Hans-Peter Feddersen Seite 3

5 Industrielle Revolutionen der letzten 260 Jahre Prosumer 1. Industrielle Revolution 2. Industrielle Revolution 3. Industrielle Revolution 4. Industrielle Revolution? Cooperative Production Erfindung der Dampfmaschine Einführung von dampfbetriebenen mechanischen Produktionsanlagen Erfindung des Fließbandes Einführung der arbeits-teiligen Massenprodukti on mithilfe elektr. Energie Einführung der ersten SPS Einsatz von Elektronik und IT zur (weiteren) Automatisierung der Produktion Internet der Dinge und Dienste Einsatz von cyberphysischen Systemen heute Industrielle Revolutionen sind das Spiegelbild gesellschaftlicher Entwicklungen, Bedürfnisse und Krisen Quelle: Plattform Industrie 4.0, Druckhelden, Leoni Seite 4

6 Verbale Definition Cyber-Physische-Systeme (CPS) sind Systeme mit eingebetteter Software, integriert z.b. in: Geräte, Gebäude, Verkehrsmittel, Verkehrsleitanlangen, medizinische Prozesse Logistikprozesse oder Produktionsanlagen (CPPS) Cyber-Physische Produktionssysteme (CPPS) erfassen Daten über produktionsintegrierte Sensoren und Messsysteme in Echtzeit speichern und werten Daten zum Zwecke der Modellbildung aus interagieren aktiv durch Aktoren mit der physikalischen, menschlichen und digitalen Welt (multimodale Mensch-Maschine-Schnittstellen) und sind über digitale Kommunikationseinrichtungen untereinander sowie dem Internet der Dienste & Dinge verbunden. Quelle: Cluster of Excellence Integrative Production Technology for High-Wage Countries, Cyber-Physical-Systems acatech POSITION/Springer Verlag, Siemens Seite 5

7 Definition: Cyber-Physical-Production-Systems (CPPS) Ein CPPS verändert Rohmaterial durch eine physische Bearbeitung und benötigt übergeordnete Produktionsplanungs-Software (PPSW) zur Vorgabe einer Zielfunktion. besteht aus CPPS PPSW m 0 n 1 Ein CPPS besteht aus: Mindestens einem CPS Kann CPTS enthalten Einem PPSW Kann weitere CPPS enthalten CPS CPTS PPSW I.A.: BMBF-Forschungsprojekt CyProS - Cyber-Physische Produktionssysteme, Vorgestellt auf dem AWK2014 Seite 6

8 Cyber Physical Production Systems als Umsetzung der Industrie 4.0 Evolutionäre Entwicklung Mensch und Maschine Modelle als Grundlage Quelle: Cluster of Excellence Integrative Production Technology for High-Wage Countries Seite 8

9 Datenverarbeitung Auf dem Weg zu Modellwelten Sensorik und Messtechnik an Produkt, Prozess und Maschine ermöglichen die Entwicklung neuer Modelle bzw. gesamter Modellwelten zur Beschreibung der Realität. Vorschub pro Zahn Axiale Zustellung Radiale Zustellung Verdeckte Schichten Rauheit R A Spindeldrehzahl Eingangsparameter Netzstruktur Ausgangsparameter (Prognosewert) Was früher Weibull und Co. waren, werden in Zukunft echtzeitfähige statistische, physikalische oder analytische Modelle sein, die mit Realdaten gespeist und verbessert werden. Quelle: WZL, IPT, Mercedes, Uni Stuttgart Seite 10

10 Ein Modell ist ein Abbild der Wirklichkeit unter bestimmten Gesichtspunkten Kostüm Spielzeug Replika 1:8 Jedes Modell wird für bestimmte Frage- oder Problemstellungen entworfen und dadurch geprägt Quelle: freshdads.com, brickverse.blogspot.de, engadget.com Seite 11

11 Ein holistisches Modell eines Objektes ist das Objekt selbst. Quelle: Thilo Parg / Wikimedia Commons Seite 12

12 Menschliche Modellbildung: Hollow Face Illusion Seite 13

13 Modelle sind fester Bestandteil der Industrie 4.0. Doch was bewirkt Industrie 4.0 eigentlich in der Produktion? Seite 14

14 CPPS versprechen die Auflösung der zeitlichen (und räumlichen) Synchronisation getakteter Produktionssysteme Heute: Fest getaktete & synchronisierte Systeme genutzte Bewegung < potenzielle Bewegung Ungenutzte Taktzeit Ungenutzte Maschinenfähigkeiten Ungenutzte Taktzeiten Störungen und Stillstände Zukünftig: Industrie 4.0 Autonome Verhandlungs-mechanismen führen zur Ausnutzung der Kapazität Sensorik und präventive Instandhaltung genutzte Bewegung = potenzielle Bewegung Seite 15

15 Es gibt bereits heute zahlreiche Beispiele für Industrie 4.0 Seite 16

16 Beispiel 1: Der intelligente Spänekübel als CPS Wann ist der Kübel voll? Frag morgen nochmal nach! Der CPS-Spänekübel meldet gerade, dass er in 2 Stunden voll sein wird. Heute Industrie 4.0 Seite 17

17 Beispiel 2: Selbstoptimierende, adaptive Montage von Flugzeugsektionen Funktionalität/ Komplexität teilverstellbare Vorrichtung programmierbare Vorrichtung selbstoptimierendes Montagesystem starre Vorrichtung Zeit Bilder: Premium AEROTEC; BoxJoint; Wollnack; Exzellenzcluster Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer gefördert von der DFG Seite 18

18 Beispiel 2: Selbstoptimierende, adaptive Montage von Flugzeugsektionen Umgebungseinflüsse Cyber-Welt physische Welt Planung und Steuerung y 1 (t) Plandaten y 2 (t) y 3 (t) Platzhalter: Bauteilzustand Modelle Bauteil Informationsabgleich Prozess Maschine F, y Realdaten Messprozess in der Sektionsmontage Prozesszustand Anlagenzustand Bilder: Wollnack; Premium AEROTEC Seite 19

19 Beispiel 3: Adaptive Prozesskette zur Tip Reparatur von Turbinenschaufeln Tip Reparatur von Turbinenschaufeln CAx-Framework Optische Messtechnik Vorbereitung und spanende Bearbeitung Laserauftragschweißen und Prozessüberwachung Ok2b.wmv Wiederaufbau durch adaptives Fräsen Universelles Spansystem Seite 20

20 Beispiel 3: Adaptive Prozesskette zur Tip Reparatur von Turbinenschaufeln Schnelle Messung in der Werkzeugmaschine Messzeiten kleiner 45 Sekunden Bewegung des Sensors immer senkrecht zur Oberfläche mit konstanter Geschwindigkeit Messung und Bearbeitung in einer Aufspannung Seite 22

21 Was verbindet alle bekannten Lösungen der Industrie 4.0? Seite 29

22 Industrie 4.0 die Aachener Perspektive cyber Single source of Truth ERP- Systems PLM/Engineering- Systems IT-Globalisation Big Data Storage in the cloud Data mining, safety, security High Speed Computing Lokale Speicher 4. Industrielle Revolution Kollaborationsproduktivität - Mensch/Mensch - Mensch/Maschine - Maschine/Maschine Cognitive System physical Cooperation Business Communities Social Communities Adaptation by sensors Intuitivity, reliability IT-Openness Cost-efficiency Robustness Automation Software Hardware Seite 31

23 Industrie 4.0 die Aachener Perspektive cyber Single source of Truth ERP- Systems PLM/Engineering- Systems Wissen IT-Globalisation Big Data Storage in the cloud Data mining, safety, security High Speed Computing Lokale Speicher Simulation roboterbasierter Produktionsprozesse Simulation der Sichtverbindung Signalstabilität Simulation de Sig physical Cooperation Business Communities Social Communities Kognition Wandlungsfähigkeit Selbstorganisation und Selbstoptimierung Echtzeit Automation Software Modell der Arbeitszelle Roboter- Systeme Modell der Sichtlinien Analyse der Hardware Sichtbarkeit Unsicherhe Me Seite 32 Optimierungsstrategien

24 Zusammenfassung Technische Evolution statt Revolution Vernetzung von Mensch und Maschine Ohne Mess- und Sensortechnik keine Modelle Ohne Modelle keine Industrie 4.0 Seite 33

25 Vielen Dank! Seite 34