Vorarbeiten zu Industrie 4.0: Die Allianzen ADiWa und SemProM

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1 Promotorengruppe KOMMUNIKATION der Forschungsunion (FU), Strategieworkshop Industrie 4.0 acatech Hauptstadtbüro, Berlin 27. Juni 2011 Vorarbeiten zu Industrie 4.0: Die Allianzen ADiWa und SemProM Prof. Dr. rer. nat. Dr. h.c. mult. Wolfgang Wahlster Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH Saarbrücken/Kaiserslautern/Bremen/Berlin Tel.: (0681) /4162 Fax: (0681) /

2 Von Industrie 1.0 zu Industrie 4.0 Erster mechanischer Webstuhl Industrielle Revolution durch Einführung mechanischer Produktionsanlagen mit Hilfe von Wasser- und Dampfkraft Ende 18. Jhdt. Erstes Fließband Schlachthöfe von Cincinnati Industrielle Revolution durch Einführung arbeitsteiliger Massenproduktion mit Hilfe von elektrischer Energie Beginn 20. Jhdt. Erste Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) Modicon Industrielle Revolution durch Einsatz von Elektronik und IT zur weiteren Automatisierung der Produktion Beginn 70er Jahre 20. Jhdt heute 4. Industrielle Revolution auf der Basis von Cyber- Physischen Systemen Industrie 4.0 Industrie 3.0 Industrie 2.0 Industrie 1.0 t Grad der Komplexität

3 Industrie 4.0: Produktionsstandort bleiben durch das Internet der Dinge für die 4. industrielle Revolution

4 Industrie 4.0 Potenziale von Cyber-Physischen Systemen in der Produktion Cyber-Physische Systeme bieten das Potenzial zur Beherrschung der wettbewerbsinduzierten Komplexität in Wertschöpfungsnetzwerken. Modularisierung von Systemen und Prozessen Autonome un d Entscheidungsvorgänge Kontextadaptive Automatisierung Integration offener Netze Wertschöpfungsnetzwerk Unternehmen Arbeitsplatz Produktionsmodul Nutzenpotenziale Komplexitätsbeherrschung Wandlungsfähigkeit Beschleunigte Innovationsprozesse Ressourceneffizienz Urbane Produktion Cyber-Physische Systeme in der Produktion

5 Enge Kopplung von realen und virtuellen Welten: digital veredelte Produktionswelten Cyber-Physische Systeme (CPS) Hochauflösende Steuerungen Manuelle Dateneingabe Smart Virtuelle Welt Cards Barcode Eingebettete Aufwand für die RFID Funksensoren Datenerfassung Physische Welt Sensor- und ontologiebasierte Selbstoptimierung Präzisere Information für adaptive Prozesse Umgebungsintelligenz Hochfrequente Datensammlung Hohe Dichte von Messpunkten Nahezu Echtzeit-Daten, erweiterte Bandbreite

6 ADiWa: Vom Internet der Dinge zu intelligenten Geschäftsprozessen Unternehmen 2.0 Dynamische Geschäftsprozesse Unternehmensübergreifende Vernetzung Dynamische Unternehmensverbünde Strukturierung und Bereitstellung von Prozesswissen Vereinfachte Integration von Diensten und Inhalten Bewertung von Leistungen und Prozessen Dienstekomposition Konfigurierbare Prozesse Geschäftsregeln Interoperable Dienstleistungen Internet der Dienste Komplexe Ereignisse Intelligente Produkte Internet der Dinge

7 SemProM: Digitale Produktgedächtnisse für Industrie 4.0 Produkte wissen um ihre Entstehung und steuern ihre Herstellung durch das initiale Produktgedächtnis selbst Produktgedächtnisee erlauben eine lückenlosen Rückverfolgbarkeit für jede einzelne Produktinstanz Verwendung von Digitalen Produktgedächtnissen zum Aubau adaptiver Prozesse

8 Paradigmenwechsel: Das entstehende Produkt als aktive Systemkomponente Das Produkt steuert seine Herstellung durch proaktive M2M Kommunikation Das Produkt als Beobachter und Akteur durch eingebettete Sensorik und Aktuatorik Befüllung mit 500ml Flüssigkeit iniziieren Zwischenzeitlich 2min offen Das Produkt entscheidet autonom auf Basis übergeordneter Prozessdaten Ressourcenoptimierte Produktion möglich

9 Die Anwendung von Produktgedächtnissen erfordert semantische Technologien zur Interoperabilitätssicherung. Produktgedächtnis im geschlossenen Regelkreis Produktgedächtnis im offenen Regelkreis Ad hoc Datenformat Semantisches Datenformat

10 Industrie 4.0: Paradigmenwechsel in der Produktion bei extremer Variantenvielfalt und geringen Losgrößen individualisierter Erzeugnisse Der Rohling teilt der Fräsmaschine mit, wie er zu formen ist. Das Paket mit Blutplasma beschwert sich, wenn es nicht genügend gekühlt wird. Das Auto meldet sich, wenn ein falscher Bremsbelag eingebaut wird. Die Packung sagt dem Roboter, wie sie zu greifen ist und wohin sie abzulegen ist.

11 Das Internet der Zukunft als Basis für Industrie 4.0 Future Internet 3D-Internet Internet der Dinge Semantisches Web Internet der Dienste Multimodale Interaktionstechnologien Sicherheit Privatheit Vertrauen: Trusted Cloud Breitbandige Kommunikationsinfrastruktur NGN

12 Dualwelttechnologie: Synchronisierte Welten im 3D-Internet (2R-Technologie, Dual Reality) Reale Fabrik Visualisierung Virtuelle Fabrik Steuerung Totale Instrumentierung aller Maschinenkomponenten mit Funksensoren Drahtlose Vernetzung aller Komponenten Fernsteuerung und wartung der Fabrikation via mobilem Internet Erfordert hohe Bandbreiten wegen vieler paralleler Änderungen

13 Semantische Webdienste für Industrie 4.0: Das SOA-Fabrikmodell der Smart Factory Physikalisches Modell SOA basierte Smart Factory Funktion Befüllen Funktionsmodell Funktion Abfüllen der verschiedener Medikamente in individuellen Dosen Funktion Qualität kontrollieren Ultraschall Sensor Elektr. Stopper Induktiver Sensor Kamera RFID LSG Web Service stopper Operation: hold IP Funktion Dose Stoppen Service hold Funktion Dose detektieren Service Verzeichnis Funktion Pillen zählen Induktiver Sensor Stopper Stopping Unit Services: hold release check RFID LSG Services: read write UltraschallSensor Service: check Kamera Service: count_pills

14 Warum Semantik in der Produktion? Flexible Taktstraße mit Ringpuffern X Produkt- Wissen Fräsen Bohren Entgraten Waschen Wissen Dienste Kontext Dienste -modell Anlagen -Wissen Kann Produkt trotzdem gefertigt werden? Intelligentes Anlagenverhalten Kann zuerst andere Station durchlaufen werden? Komplexitätsbeherrschung Flexibilität und Wandlungsfähigkeit

15 Ressourcen- und auftragsoptimale Anlagensteuerung als Wettbewerbsvorteil und Merkmal zukünftiger Produktionsprozesse Ganzheitliche Entscheidungsgrundlage Berücksichtigt verteilt vorliegende Messwerte in Anlagenteilen genauso wie auftragsbezogene Anforderungen Proaktiv Eingreifen, bevor ein Einsatz von Ressourcen erfolgt Kurze Reaktionszeit Veränderungen in der Entscheidungsgrundlage werden unmittelbar umgesetzt Ressourcen Effizienz

16 Industrie 4.0: Ressourcenschonung durch kontextaktivierte M2M-Kommunikation Aktive Digitale Produktgedächtnisse Internet für Ressourceneffizienz RES COM Eingebettete Sensorik und Aktuatorik Softwaredienstagenten

17 M2M-Kommunikation schafft ein aktuelles, umfassendes und detailliertes Informationsbild von Anlage und Prozess RES COM Technologie ERP Ebene Prozessoptimierung durch Auswertung produktbezogener Ressourcenverbräuche Ethernet WLAN Kommunikationsschicht Produkte Optimierter Ressourceneinsatz durch kontextsensitive Regelung auf Prozessebene Profinet Kontrollraum MES Ebenel Kommunikationsschicht Kontroll Ebene Schritt High Resolution Management auf Maschinen-/ Geräteebene PROFIBUS UMTS Prozesse Wartung UMTS Logistik Kommunikationsschicht Energie Geräte Ebene Fertigung Kurze Reaktionszeiten durch horizontale Vernetzung aktiver Produktgedächtnisse von Anlagenkomponenten und Produkten Umfassender Informationsstand durch vertikale Vernetzung aktiver Produktgedächtnisse mit betriebswirtschaftlicher Anwendungssoftware

18 RES-COM unterstützt den Menschen bei ressourcenrelevanten Entscheidungen und begleitet ihn durch komplexe Vorgänge Maschine Zu wartendes Objekt Ist Verbrauch Sensor Benötigte Teile und Werkzeuge Wartungshistorie und Dokumente Werkzeug Beispiel: Unterstützung mobiler Servicekräfte durch kontextbezogene Information Intentionserkennung: M2M Kommunikation führt proaktiv Information zusammen, die dem kontextabhängigen Informationsbedürfnis des Benutzers entspricht Erklärung und Motivation: Eine intelligente Darstellung von Verbrauch und Einsparpotentialen unterstützt das Handeln Kontrolle proaktiven Verhaltens: Transparenz und Kontrolle des Verhaltens Aktiver Produktgedächtnisse auf Basis von Verhaltensbeschreibungen

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Design by R.O.