Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik

Transkript

1 Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik

2 Thomas Bauernhansl Michael ten Hompel Birgit Vogel-Heuser (Hrsg.) Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik Anwendung Technologien Migration

3 Herausgeber Thomas Bauernhansl Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, Universität Stuttgart, Stuttgart, Deutschland Michael ten Hompel Fraunhofer Institut für Materialfluss und Logistik IML, Universität Dortmund, Dortmund, Deutschland Birgit Vogel-Heuser Technische Universität München, Lehrstuhl für Automatisierung und Informationssysteme, München, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen National bibliographie; detaillierte bibliographische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden 2014 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Quelle Titelfoto: Fraunhofer IPA, Rainer Bez/Heike Quosdorf Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist ein Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

4 Vorwort Unmittelbar nachdem im April 2013 auf der Hannover Messe die nationale Plattform Industrie 4.0 gegründet wurde, erlebte der Begriff Industrie 4.0 einen kometenhaften Aufstieg. Ja, er wird mittlerweile geradezu inflationär verwendet. Das heißt aber leider auch, dass der Begriff verwässert. Deshalb ist es notwendig, ein Werk vorzulegen, das die Industrie 4.0-Kernelemente darstellt. Mit diesem Buch wollen wir für Orientierung rund um das Thema Industrie 4.0 sorgen und insbesondere den Nutzen von Industrie 4.0 für die Anwender herausarbeiten. Es ist aus unserer Sicht sinnvoll und wichtig, das Thema nicht nur technologiegetrieben zu betrachten, sondern auch marktgetrieben. Also haben wir uns im Interesse der produzierenden Industrie die Leitfrage gestellt Welchen wirtschaftlichen Nutzen kann Industrie 4.0 für Anwender der entsprechenden Technologien stiften?. Nach der Einführung in das Thema befasst sich der zweite Teil deshalb sehr bewusst mit Anwendungsszenarien, sogenannten Use Cases. Die Use Cases haben wir allem vorangestellt, um exponiert das Potential von Industrie 4.0 im Anwendungszusammenhang zu demonstrieren. Direkt nach einer Einführung, in der die Hauptfragestellungen analysiert und die grundlegenden Begriffe erläutert, sowie die Herausforderungen und Anforderungen an die IT aus Sicht der Automatisierungstechnik beschrieben werden, erfolgt die Darstellung der spezifischen Anwendungen aus Sicht einzelner Branchen. Der dritte Teil widmet sich den Basistechnologien und stellt die Frage: Welche Technologien enabling technologies ermöglichen Industrie 4.0?. Dabei wird der Stand der Technik innerhalb der spezifischen Basistechnologie betrachtet. Es werden die Lücken aufgezeigt im Hinblick auf die Anforderungen (zum Beispiel Sicherheit, Kommunikation, Standards, Kosten), die im Kontext Industrie 4.0 an diese Basistechnologien gestellt werden, sowie aktuelle Forschungsaktivitäten vorgestellt, die diese Lücken schließen sollen. Am Ende der Beiträge werden die Fragen beantwortet, warum die geschilderte Lösung smart ist und welche Möglichkeiten sich daraus ergeben. Migrationsszenarien und -prozesse sind Thema des vierten Teils. Er beschreibt den Veränderungsprozess hin zum Einsatz der Basistechnologien aus dem Industrie 4.0-Kontext. Nach der Beschreibung der Ausgangssituation gehen wir auf die Herausforderungen mit Blick auf Anwendungsszenarien und den Einsatz von Basistechnologien im Rahmen der Migration ein. Hier spielen der Umgang mit Geschäftsmodellen und Altsystemen eine wichtige Rolle sowie die Kompatibilität und der Umgang mit den Paradigmen der vierten industriellen Revolution also Offenheit, Echtzeitfähigkeit und Sicherheit.

5 VI Vorwort Im fünften Teil schließlich geben wir aus Sicht der Industrie und der Forschung einen Ausblick auf die Chancen der Industrie 4.0 und wie sie genutzt werden können. Mit diesem Buch wollen wir den Leserinnen und Lesern die Möglichkeit geben, für sich selbst herauszufinden, welcher zusätzliche individuelle Gestaltungsspielraum durch Industrie 4.0 möglich wird. Sie sollen erkennen: Was bringt mir das, was ist tatsächlich neu, was bedeutet Industrie 4.0 wirklich, was bedeutet es aber auch nicht? Diejenigen, die dieses Buch in die Hand nehmen, sollen einschätzen und sinnvoll entscheiden können, welche Produkte und Lösungen sie tatsächlich brauchen und welche Herausforderungen sie auch mit den bereits vorhandenen Ressourcen meistern können. Zudem können die wenigsten Unternehmen völlig ohne Zwänge auf der grünen Wiese Ihre Geschäftsmodelle und Prozesse komplett neu gestalten. Deshalb sind die möglichen Migrationspfade hinein in die vierte industrielle Revolution elementar wichtig. Dieses Buch umfasst den Stand der Dinge im Frühjahr Die Herausgeber möchten auch zukünftig einen Rahmen bieten, die Geschichte der vierten industriellen Revolution fortzuschreiben. Hierzu soll ein Handbuch Industrie 4.0 entstehen, das die vorliegenden Beiträge aufnimmt, durch weitere Beiträge und Themen ergänzt und kontinuierlich aktualisiert. Dem revolutionären Thema entsprechend, wurde hierfür eine Mischform aus Online-Publikation und Druckwerk gewählt. Hierdurch wird dem schnellen Wandel Rechnung getragen, der für die nächsten Jahre zu erwarten ist. Die erste Ausgabe des Handbuch Industrie 4.0 wird voraussichtlich 2015 im Springer-Verlag erscheinen und anschließend kontinuierlich fortgesetzt. Die Reihenfolge bei der Nennung der Herausgeber ist eine rein alphabetische. Dieses Buch ist in einem Team gleichberechtigter Partner entstanden. An dieser Stelle wollen wir auch Danke sagen: Dank an alle Autorinnen und Autoren, die an diesem Handbuch mitgearbeitet haben, an die Redaktion, an diejenigen, die Korrektur gelesen haben und an den Verlag, der sich mit hervorragender Unterstützung, vollem Engagement und Elan zu diesem Unterfangen mit einem ambitionierten Zeitrahmen bereit erklärt hat. Ganz besonderer Dank gilt unseren Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern, insbesondere Herrn Andreas Bildstein und Frau Dr. Birgit Spaeth sowie Frau Dorothea Pantförder, Frau Juliane Fischer und Frau Susanne Rösch, die durch ihren unermüdlichen Einsatz in Koordination und Organisation die Grundlage für das pünktliche Erscheinen des Buchs gelegt haben. Im Februar 2014 Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl, Prof. Dr. Michael ten Hompel, Prof. Dr.-Ing Birgit Vogel-Heuser

6 Inhaltsverzeichnis Teil 1: Einführung... 1 Die Vierte Industrielle Revolution Der Weg in ein wertschaffendes Produktionsparadigma... 5 Herausforderungen und Anforderungen aus Sicht der IT und der Automatisierungstechnik Teil 2: Anwendungsszenarien Industrie 4.0 in der praktischen Anwendung Use Case Production: Von CIM über Lean Production zu Industrie Wandlungsfähige Produktionssysteme für den Automobilbau der Zukunft Use Case Industrie 4.0-Fertigung im Siemens Elektronik Werk Amberg Agentenbasierte dynamische Rekonfiguration von vernetzten intelligenten Produktionsanlagen Evolution statt Revolution Enabling Industrie 4.0 Chancen und Nutzen für die Prozessindustrie Konzepte und Anwendungsfälle für die intelligente Fabrik

7 VIII Inhaltsverzeichnis Teil 3: Basistechnologien Produktionsautomatisierung und Cyber-Physische Systeme ibin Anthropomatik schafft revolutionäre Logistik- Lösungen Vom fahrerlosen Transportsystem zur intelligenten mobilen Automatisierungsplattform Steuerung aus der Cloud High-Performance Automation verbindet IT und Produktion Steigerung der Kollaborationsproduktivität durch cyberphysische Systeme Vertikale und Horizontale Integration Adaptive Logistiksysteme als Wegbereiter der Industrie Standardisierte horizontale und vertikale Kommunikation: Status und Ausblick Industrie 4.0 Chancen und Herausforderungen für einen Global Player Die horizontale Integration der Wertschöpfungskette in der Halbleiterindustrie Chancen und Herausforderungen

8 Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik Sicherheit (Security & Safety) IX Sichere Industrie-4.0-Plattformen auf Basis von Community- Clouds IT-Sicherheit und Cloud Computing Safety: Herausforderungen und Lösungsansätze Mensch-Maschine-Interaktion iproduction, die Mensch-Maschine-Kommunikation in der Smart Factory Unterstützung des Menschen in Cyber-Physical-Production- Systems Integration des Menschen in Szenarien der Industrie Mensch-Maschine-Interaktion Mensch-Maschine-Interaktion im Industrie 4.0-Zeitalter Data Mining und Analyse Data Mining und Analyse

9 X Inhaltsverzeichnis Teil 4: Migration SPS-Automatisierung mit den Technologien der IT-Welt verbinden Von der Automatisierungspyramide zu Unternehmenssteuerungsnetzwerken Industrie 4.0-Readiness: Migration zur Industrie 4.0-Fertigung Teil 5: Ausblick Chancen von Industrie 4.0 nutzen Logistik Industrie 4.0 Anstoß, Vision, Vorgehen Verzeichnisse Herausgeber und Autoren Sachwortverzeichnis