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F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R O F F E N E K O M M U N I K AT I O N S S Y S T E M E F O K U S
INDUSTRIALINTERNET OF THINGS
Die Industr ie steht vor großen Herausforderungen: Die Kunden ver langen neue, indiv iduel le, qual i tat iv
hochwert ige und dennoch preisgünst ige Produkte in immer kürzeren Zeitabständen. Gle ichzeit ig müssen
Waren mit knapper werdenden Ressourcen gefert igt werden und das mögl ichst nachhalt ig.
DIGITALE VERNETZUNG ÜBER DIE GESAMTE WERTSCHÖPFUNGSKETTE HINWEG
Im Rahmen der Arbeiten im IIoT-Kontext gewährleistet das
Fraunhofer FOKUS, dass »Dinge« in der Produktion intelligent
miteinander kommunizieren. Dafür werden, mit Hilfe von
programmierbaren, vernetzten Knoten, Informationen über
den digitalen Schatten bzw. virtuellen Zwilling eines physi-
schen Objektes aufbereitet und über standardisierte Schnitt-
stellen ausgetauscht. Während diese Art der Kommunikation
in allen Bereichen des industriellen Internets der Dinge
benötigt wird, liegt der Schwerpunkt im Institut auf Produktions-
anlagen der Zukunft, der so genannten Industrie 4.0.
DIGITALISIERUNG IN DER FERTIGUNG
Bereits seit über 200 Jahren wird die industrielle Produktion
von Waren optimiert und hat dabei bereits drei Paradigmen-
wechsel durchlaufen:
– Industrie 1.0: Etwa zwischen 1750 - 1900 wird die erste
Massenproduktion durch Maschinen eingeführt und durch
die Erfindung der Dampfmaschine wird die menschliche
Kraft durch Dampfkraft ersetzt.
– Industrie 2.0: Ungefähr in den Jahren 1900 - 1960 läutet
zum einen die Einführung der Elektrizität den nächsten
Paradigmenwechsel ein, zum anderen wird die Effizienz
Um diese Anforderungen zu meistern, setzen Forschung und
Wirtschaft auf die Digitalisierung der Fertigung, in der die
physische und virtuelle Welt zu einem Internet der Dinge,
Dienste und Daten zusammenwachsen. Dabei werden
Sensoren, Maschinen, Werkstücke, Transportmittel und Waren
mit eingebetteten Systemen, d. h. mit winzigen Rechnern und
Kommunikationssystemen, ausgestattet und miteinander
vernetzt. Als Industrielles Internet der Dinge (IIoT) wird hierbei
die über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg erfolgende
Digitalisierung der Produktion bezeichnet. Als Teilmenge des
Internets der Dinge (IoT) zeichnen sich IIoT-Technologien
speziell durch ein erhöhtes Maß an Sicherheit, Echtzeitfähig-
keit, Robustheit und Skalierbarkeit aus. Damit ermöglichen sie,
neben zeit- und erfolgskritischen Anwendungen in der
Produktion, auch Anwendungen aus den Bereichen des
Gebäude-, Energie- und Städtemanagements, als auch des
Transports und der Logistik.
SCHWERPUNKT INDUSTRIE 4.0
Um Unternehmen bei digitalen Innovationen zu unterstützen,
entwickelt das Fraunhofer-Institut für Offene Kommunikati-
onssysteme (FOKUS) seit über 25 Jahren anbieterunabhängige
Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) der
Zukunft. Mit einem Fokus auf standardbasierten Prototypen
für die Industrie, unterstützt das Institut seine Kunden und
Partner bei der digitalen Vernetzung.
»Jeder, der sich nicht mit dem Thema Digi-talisierung befasst, wird untergehen«
Prof. Dr. Tobias Kollmann, Professor für E-Business und
E-Entrepreneurship an der Universität Duisburg-Essen
Stufen der industriellen Revolution
80 PROZENT ALLER INDUSTRIEUNTERNEHMEN WERDEN IN DEUTSCHLAND IHRE WERTSCHÖPFUNGS- KETTE BIS 2020 DIGITALISIERT HABEN.
der Arbeit durch das Konzept der Fließbandarbeit
maßgeblich erhöht.
– Industrie 3.0: Ab ca. 1960 ermöglicht die Entwicklung
moderner Informations- und Kommunikationstechniken
(IKT) die Automatisierung der Produktion mit Hilfe pro-
grammierbarer Steuerungssysteme.
– Industrie 4.0: Um die heutigen Anforderungen zu meistern,
setzen Forschung und Wirtschaft im Zuge der vierten
industriellen Revolution auf die durchgehende Digitalisie-
rung der Fertigung. Maschinen und Werkstücke werden
untereinander und standortübergreifend vernetzt, tauschen
kontinuierlich Daten miteinander aus und programmieren
sich gegenseitig.
Ziel des Industrie 4.0-Konzepts ist ein ganzheitlicher Ansatz
unter Betrachtung der gesamten Wertschöpfungskette von
Produkten in Verbindung mit Menschen, Objekten und
Systemen. Domänenübergreifende Standards sind daher
unabdingbar. Internationale Initiativen wie das »Industrial
Internet Consortium« (IIC) mit der »Industrial Internet
Referenz Architektur« (IIRA) und in Deutschland die
Plattform Industrie 4.0 mit ihrem »Referenzarchitekturmo-
dell Industrie 4.0« (RAMI) spielen hierbei eine bedeutende
Rolle. Industrie 4.0-Konzepte definieren beispielsweise ein
Modell, das Eigenschaften von Cyber-physischen Systemen
genauer beschreibt, um reale Objekte der Produktion mit
Hilfe einer administrativen »Verwaltungsschale« mit
virtuellen Objekten und Prozessen in Form eines digitalen
Abbilds der jeweiligen Komponente zu vernetzen. Als
mögliche Standards zur Umsetzung dieser Ansätze werden
zurzeit Arbeiten aus dem oneM2M-Konsortium und der
OPC Foundation diskutiert.
IKT FÜR INDUSTRIE 4.0 ZENTRUM
Um mittelständischen und großen Unternehmen die Erprobung
relevanter Technologien zu ermöglichen und deren Mehrwert
zu evaluieren, hat das Fraunhofer FOKUS das »IKT für Industrie
4.0 Zentrum« gegründet. In einem Demonstrationszentrum
werden existierende Technologien präsentiert und bei Bedarf
in der Tiefe erklärt. In einer Entwicklungs- und Testumgebung
können darüber hinaus Interoperabilitäts-, Konformitäts-, und
Lasttests mit eigenen Komponenten durchgeführt werden.
Weiterhin werden anwendungsspezifische Demonstratoren
und Prototypen entwickelt.
OPENIOTFOG NODE
Das Zentrum bietet mit dem OpenIoTFog-Framework eine
konkrete Umsetzung dieser Arbeiten. Als standardkonformer
Prototyp einer »Verwaltungsschale« wird damit ein wichtiger
Beitrag zur Umsetzung der Industrie 4.0-Konzepte geleistet.
Die Middleware wandelt heterogene Sensorik und Aktorik in
Industrie 4.0-Komponenten um und erlaubt damit insbeson-
dere das Auslesen, die Aggregation und den herstellerunab-
hängigen Austausch von Daten. Darüber hinaus ermöglicht
der Ansatz die Steuerung über unterschiedlichste drahtge-
bundene und drahtlose Kommunikationswege, Protokolle
und Feldbussysteme. Dem Fog-Computing-Ansatz folgend
(Microclouds am Ort des Geschehens), werden des Weiteren
Anlagen durch lokale Funktionalitäten erweitert, die hohe
Anforderungen an Datenhoheit, Latenz, Echtzeitfähigkeit,
Robustheit und Autonomie setzen. Beispiele sind verteilte
Analysefunktionen zur vorausschauenden Wartung und die
Möglichkeit eines selbständigen Eingriffs in den Produktions-
ablauf durch Kommunikation mit anderen Komponenten.
Feld-/ Gerätedomain
Kontrolldomain
Business-/ Anwendungsdomain
VisualisierungAnalytics
Peer-to-PeerSPS
HMI
Aktoren & Sensoren
ERP/MES
10%
30%50%
Logische Einordnung des
OpenIoTFog-Toolkits
DR.-ING. FLORIAN SCHREINER
Dr. Florian Schreiner leitet das Internet der Dinge Transfer-
zentrum des Fraunhofer Leistungszentrums »Digitale
Vernetzung« und zusammen mit Dr. Alexander Willner das
»IKT für Industrie 4.0 Zentrum« am Fraunhofer-Institut
FOKUS in Berlin. Am selben Institut ist Dr. Schreiner stellver-
tretender Abteilungsleiter des Geschäftsbereichs »Software-
based Networks« (NGNI), bei dem er seit 2002 tätig ist.
Dr. Schreiner studierte Elektrotechnik und promovierte im
Bereich Cloudbasierter Telekommunikationsdienste an der
Technischen Universität Berlin. Seine Forschungsschwer-
punkte sind Maschine-zu-Maschine-Kommunikation, Cloud,
Edge und Fog Computing und Internet der Dinge Plattfor-
men. Dr. Schreiner setzt sich bei Fraunhofer FOKUS sehr
erfolgreich für den abteilungs- und institutsübergreifenden
interdisziplinären Dialog ein, koordiniert den Aufbau und
den Betrieb unterschiedlicher Technologiezentren und
unterhält diverse Kooperationen mit nationalen und
internationalen Forschungspartnern.
DR.-ING. ALEXANDER WILLNER
Dr. Alexander Willner leitet zusammen mit Dr. Florian
Schreiner das »IKT für Industrie 4.0 Zentrum« am Fraunhofer-
Institut FOKUS in Berlin. Am Lehrstuhl »Architekturen der
Vermittlungsknoten« an der Technischen Universität Berlin
(TUB) leitet er darüber hinaus die Forschergruppe »Industrial
Internet of Things« (IIoT). Mit seinen Gruppen arbeitet er im
Kontext der Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M)
und dem Internet der Dinge (IoT). Dr. Willner studierte an der
Georg-August-Universität Göttingen Informatik, war als
Wissenschaftler an der Universität Bonn tätig und promo-
vierte an der Technischen Universität Berlin. Seine Forschungs-
interessen liegen im Bereich der verteilten Informationssys-
teme mit Schwerpunkten auf dem Semantic Web, Linked
Open Data, Graph of Everything, Middlewaresystemen, Fog
Computing und serviceorientierten Architekturen.
Unsere Dienstleistungen
– Assessment des Industrie 4.0-Reifegrades einer
Produktionsumgebung
– Beratung bei der Konzeption und Umsetzung einer
Industrie 4.0-Strategie
– Beratung und Training zu existierenden Technologien aus
dem Industrie 4.0-Kontext
– Lizenzierung des OpenIoTFog-Toolkits zur Implementation
von Industrie 4.0-Komponenten
– Konstruktion physischer OpenIoTFog-basierter Knoten zur
experimentellen Evaluation im industriellen Umfeld
– Aufbau und Bereitstellung von Entwicklungs- und
Testumgebungen für Industrie 4.0-Anwendungen
– Entwicklung Anwendungsspezifischer Demonstratoren
– Durchführung von Interoperabilitäts-, Konformitäts-, und
Lasttests mit eigenen Komponenten
Unsere Forschungsschwerpunkte
– Prototypische Implementierung standardisierter Schnitt-
stellen für Industrie 4.0-Komponenten basierend auf den
Ergebnissen aus dem Industrial Internet Consortium (IIC),
der Plattform Industrie 4.0 und anderen Gremien
– Entwurf von Plug-&-Play-Mechanismen zur Unterstützung
einer Vielzahl von Sensoren, Aktuatoren und Feldbussys-
temen aus dem industriellen Umfeld
– Unterstützung heterogener drahtgebundener und
drahtloser Technologien zur (peer-to-peer)
Kommunikation
– Semantische Annotation von Sensordaten und formaler
Informationsaustausch zwischen Maschinen
– Topologische Platzierung von Funktionen zur lokalen
Datenverarbeitung (Edge- und Fog-Computing)
Engineering a Connected World
KONTAKT
Dr.-Ing. Florian Schreiner
Leiter IKT für Industrie 4.0 Zentrum
Telefon +49 30 3463 7174
Fax +49 30 3463 99 7174
Dr.-Ing. Alexander Willner
Leiter IKT für Industrie 4.0 Zentrum
Telefon +49 30 3463 7116
Fax +49 30 3463 99 7116
Fraunhofer FOKUS
Kaiserin-Augusta-Allee 31
10589 Berlin
www.ikt4zentrum.org
www.openiotfog.org
mfr | 1610 (Bilder: shutterstock/ Maxim Blinkov,
shutterstock/ Natalyia Hora, Christoph Roser/ Wikipedia)