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Industrie 4.0 ‐Chancen durch Vernetzung
Prof. Dr.‐Ing. Alexander Fay
29. September 2017Lübeck
Vortrag auf der 15. Fachtagung des ITG Fachausschusses 5.2 Kommunikationsnetze und Systeme: „Zukunft der Netze“
© 2017 IfA
‐Folie2
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
er Fay –Indu
strie
4.0
Industrie 4.0
Quelle: W. Wahlster: Das Internet der Dinge als Innovationstreiber
Mechanik
Elektrik
Elektronik
CPS (IuK) „Industrie 4.0 – das ist doch nichts Neues?“
© 2017 IfA
‐Folie3
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
er Fay –Indu
strie
4.0
Grundlage: IuK‐Technologien
Technische Geräte und Maschinen können mit geringen Investitionskosten ausgerüstet werden: mit Sensoren
mit Prozessoren, die Sensordaten auswerten
mit Kommunikationsmöglichkeiten zu anderen Geräten und Maschinen
zu einer übergeordneten Instanz
zu Informationsempfängern andernorts
Geräte und Maschinen werden damit zu „Cyber‐Physical Systems“
© 2017 IfA
‐Folie4
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
er Fay –Indu
strie
4.0
Was ist ein Cyber‐Physical System (CPS)?
Aktor mit Steuerung
mit Pulsmessungverbunden mit Sensoren
Per Bluetooth mit Smartphone verbunden
verbunden mit lokalenInformationsquellen
Gekoppelt mit Internet für Auswertungund Gesundheitstipps
verbunden mit Informationsquellenim InternetCyber‐
Physical
Cyber‐Physical System
Beispiel: Gesundheitsarmband
mit Vibration
mit Gyroskop
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‐Folie5
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
er Fay –Indu
strie
4.0
Grundlage: Cyber‐Physical Systems
Quelle: Umsetzungsempfehlung für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0,Abschlussbericht des Arbeitskreises Industrie 4.0, April 2013: Bild 4
© 2017 IfA
‐Folie6
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
er Fay –Indu
strie
4.0
Was ist Industrie 4.0
Aktor mit Steuerung
verbunden mit Sensoren
verbunden mit lokalenInformationsquellen
verbunden mit Informationsquellenim InternetCyber‐
Physical
Cyber‐Physical System
„In der Produktion entstehen sogenannte Cyber‐Physical Production Systems (CPPS) mit intelligenten Maschinen, Lagersystemen und Betriebsmitteln, die eigenständig Informationen austauschen, Aktionen auslösen und sich gegenseitig selbstständig steuern.“ *
* Quelle: Umsetzungsempfehlung für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0,Abschlussbericht des Arbeitskreises Industrie 4.0, April 2013
Industrie 4.0 = Cyber‐Physical Systems in der industriellen Produktion und Logistik
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‐Folie7
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
er Fay –Indu
strie
4.0
Cyber‐Physical Systems in Industrie 4.0
Aktor mit Steuerung
mit Inhaltserfassungverbunden mit Sensoren
Gekoppelt mit Lagerverwaltungssystemfür zeitige Nachbestellung
verbunden mit lokalenInformationsquellen
Gekoppelt mit Lieferanten zur rechtzeitigen Nachlieferung
verbunden mit Informationsquellenim InternetCyber‐
Physical
Cyber‐Physical System
Beispiel: Kiste mit Werkstücken
mit Anzeige
mit Ortserfassung
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‐Folie8
Prof. D
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er Fay –Indu
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4.0
Cyber‐Physical Systems in Industrie 4.0
Aktor mit Steuerung
mit Betriebsstundenzählerverbunden mit Sensoren
Gekoppelt mit Produktionsplanungs‐Software verbunden mit lokalenInformationsquellen
Gekoppelt mit Hersteller für Auswertungdes Verschleißes
verbunden mit Informationsquellenim InternetCyber‐
Physical
Cyber‐Physical System
Beispiel: Bohrmaschine (Werkzeug)
mit Anzeige der Restnutzungsdauer
mit Erschütterungsmessung
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‐Folie9
Prof. D
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er Fay –Indu
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4.0
Cyber‐Physical Systems in Industrie 4.0
Aktor mit Steuerung
mit Temperaturmessungverbunden mit Sensoren
Gekoppelt mit Wartungsplanungs‐Software verbunden mit lokalenInformationsquellen
Gekoppelt mit Hersteller für Auswertungdes Verschleißes
verbunden mit Informationsquellenim InternetCyber‐
Physical
Cyber‐Physical System
Beispiel: Motor (Maschine oder Anlage)
mit Anzeige des Wartungsbedarfs
mit Vibrationsmessung
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‐Folie10
Prof. D
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4.0
Cyber‐Physical Systems in Industrie 4.0
Beispiel für Cyber‐Physical Systems Werkstücke
Kisten mit Werkstücken
Werkzeuge
Komponenten von Maschinen und Anlagen
Maschinen und Anlagen
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‐Folie11
Prof. D
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4.0
Industrie 4.0
In der Industrie 4.0 verzahnt sich die Produktion mit modernster Informations‐ und Kommunikationstechnik.
Technische Grundlage hierfür sind intelligente, digital vernetzte Systeme, mit deren Hilfe eine weitestgehend selbstorganisierte Produktion möglich wird.
Menschen, Maschinen, Anlagen, Logistik und Produkte kommunizieren und kooperieren in der Industrie 4.0 direkt miteinander.
Basis sind VERNETZUNG und KOMMUNIKATION
Quelle: http://www.plattform‐i40.de/I40/Navigation/DE/Industrie40/WasIndustrie40/was‐ist‐industrie‐40.html
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‐Folie12
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
er Fay –Indu
strie
4.0
Industrie 4.0
Der Begriff Industrie 4.0 steht für eine neue Stufe der Organisation und Steuerung der gesamten Wertschöpfungskette über den Lebenszyklus von Produkten.
Basis ist die Verfügbarkeit aller relevanten Informationen in Echtzeit durch Vernetzung aller an der Wertschöpfung beteiligten Instanzen sowie die Fähigkeit, aus den Daten den zu jedem Zeitpunkt optimalen Wertschöpfungsfluss abzuleiten.
Quelle: Umsetzungsstrategie Industrie 4.0 ‐ Ergebnisbericht der Plattform Industrie 4.0 (April 2015)
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‐Folie13
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
er Fay –Indu
strie
4.0
Industrie 4.0 – Fokus auf Wertschöpfung
Der Begriff Industrie 4.0 steht für eine neue Stufe der Organisation und Steuerung der gesamten Wertschöpfungskette über den Lebenszyklus von Produkten.
Basis ist die Verfügbarkeit aller relevanten Informationen in Echtzeit durch Vernetzung aller an der Wertschöpfung beteiligten Instanzen sowie die Fähigkeit, aus den Daten den zu jedem Zeitpunkt optimalen Wertschöpfungsfluss abzuleiten.
Teil in der Produktion
Jetzt bearbeiten oder später?
Auf dieser Maschine oder jener?
Pläne
Verfügbarkeitenvon Ressourcen
Historie des Teils
Aktueller Zustand
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‐Folie14
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
er Fay –Indu
strie
4.0
Industrie 4.0 – Fokus auf Wertschöpfung
Der Begriff Industrie 4.0 steht für eine neue Stufe der Organisation und Steuerung der gesamten Wertschöpfungskette über den Lebenszyklus von Produkten.
Basis ist die Verfügbarkeit aller relevanten Informationen in Echtzeit durch Vernetzung aller an der Wertschöpfung beteiligten Instanzen sowie die Fähigkeit, aus den Daten den zu jedem Zeitpunkt optimalen Wertschöpfungsfluss abzuleiten.
Teil im Betrieb
Jetzt Wartung durchführen oder später?
Intern oder extern?
Pläne
Verfügbarkeitenvon Ressourcen
Historie des Teils
Aktueller Zustand
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‐Folie15
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
er Fay –Indu
strie
4.0
Industrie 4.0 – Fokus auf Wertschöpfung
Handlungsfelder:
1. Digitalisierung von Produkten und Dienstleistungen„smart products“
Teil in der Produktion
Pläne
Historie des Teils
Aktueller Zustand
Teil im Betrieb
Industrie‐4.0‐Komponente
unique ID
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‐Folie16
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
er Fay –Indu
strie
4.0
Industrie 4.0 – Fokus auf Wertschöpfung
Handlungsfelder:
1. Digitalisierung von Produkten und Dienstleistungen„smart products“
Teil in der Produktion
Pläne
Historie des Teils
Aktueller Zustand
Teil im Betrieb
Industrie‐4.0‐Komponente
unique ID
© 2017 IfA
‐Folie17
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
er Fay –Indu
strie
4.0
Industrie 4.0 – Fokus auf Wertschöpfung
Handlungsfelder:
1. Digitalisierung von Produkten und Dienstleistungen„smart products“
© 2017 IfA
‐Folie18
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
er Fay –Indu
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4.0
Industrie 4.0 – Fokus auf Wertschöpfung
Handlungsfelder:
1. Digitalisierung von Produkten und Dienstleistungen
2. Digitalisierung von Wertschöpfungsketten
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‐Folie19
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
er Fay –Indu
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4.0
Industrie 4.0 – Fokus auf Wertschöpfung
Handlungsfelder:
1. Digitalisierung von Produkten und Dienstleistungen
2. Digitalisierung von Wertschöpfungsketten
© 2017 IfA
‐Folie20
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
er Fay –Indu
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4.0
Industrie 4.0 – Fokus auf Wertschöpfung
Handlungsfelder:
1. Digitalisierung von Produkten und Dienstleistungen
2. Digitalisierung von Wertschöpfungsketten
3. Neue Geschäftsmodelle („smart services“)
© 2017 IfA
‐Folie21
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
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4.0
Industrie 4.0 – Anwendungsszenarien
Handlungsfelder:
Anwendungsszenarien der Plattform Industrie 4.0http://www.plattform‐i40.de/I40/Navigation/DE/In‐der‐Praxis/Online‐Bibliothek/online‐bibliothek.html
© 2017 IfA
‐Folie22
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
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4.0
Industrie 4.0 – Anwendungsszenarien
Anwendungsszenarien der Plattform Industrie 4.0http://www.plattform‐i40.de/I40/Navigation/DE/In‐der‐Praxis/Online‐Bibliothek/online‐bibliothek.html
© 2017 IfA
‐Folie23
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
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4.0
Industrie 4.0 Application Scenarios
Source: https://www.plattform‐i40.de/I40/Redaktion/EN/Downloads/Publikation/aspects‐of‐the‐research‐roadmap.html
© 2017 IfA
‐Folie24
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
er Fay –Indu
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4.0
OCP – Order‐Controlled Production
To fulfill individual orders, production resources are combinedaccordingly, even beyond the borders of an enterprise
Individual orders require re‐arrangement of the productionnetwork.
Disturbances require re‐arrangement.
Autonomous, self‐controlled.
© 2017 IfA
‐Folie25
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
er Fay –Indu
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4.0
Industrie 4.0 Application Scenarios
Source: https://www.plattform‐i40.de/I40/Redaktion/EN/Downloads/Publikation/aspects‐of‐the‐research‐roadmap.html
© 2017 IfA
‐Folie26
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
er Fay –Indu
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4.0
AF – Adaptable Factories
Plug & Produce – adaptable manufacturing configurations within a factory for quickly changing production capacities and capabilities.
© 2017 IfA
‐Folie27
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
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4.0
AF – Adaptable Factories
Beispiel: heutige Filtrationsanlage monolithischer Aufbau
Anpassung an wechselnde Produkte nur begrenzt möglich
Einbau einer zusätzlichen Filtereinheit dauert mind. 3 Tage
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‐Folie28
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4.0
AF – Adaptable Factories
Ergänzung dieses Filter‐Modulsbenötigt 3 Minuten.
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‐Folie29
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4.0
AF – Adaptable Factories
Ergänzung dieses Filter‐Modulsbenötigt 3 Minuten.
WAGO‐Stand auf derHannover‐Messe 2016
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4.0
AF – Adaptable Factories
Jedes Modul ist ein CPS und bietet Services an, die einem standardisierten Service‐Modell nach IEC 61512‐1 ed. 2 folgen.
© 2017 IfA
‐Folie31
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
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4.0
AF – Adaptable Factories
Die Services können von einem übergeordneten Leitsystem aufgerufen werden, entsprechend dem „Rezept“.
Übergeordnetes Leitsystem
© 2017 IfA
‐Folie32
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
er Fay –Indu
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4.0
AF – Adaptable Factories
Die Services können von einem übergeordneten Leitsystem aufgerufen werden, entsprechend dem „Rezept“.
Source: Model‐based Engineering of CPPS in the process industries. IEEE INDIN 2017, Emden, July 2017.
© 2017 IfA
‐Folie33
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
er Fay –Indu
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4.0
AF – Adaptable Factories
Die Services sind nicht unabhängig, sondern über den Prozess verkoppelt, und müssen koordiniert werden: Ein Zustand von Service 1 kann einen Zustandswechsel von Service 2
(im gleichen Modul oder in einem anderen Modul) Verhindern
Erzwingen
Ermöglichen
…
Source: Model‐based Engineering of CPPS in the process industries. IEEE INDIN 2017, Emden, July 2017.
© 2017 IfA
‐Folie34
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
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4.0
Industrie 4.0 Application Scenarios
Source: https://www.plattform‐i40.de/I40/Redaktion/EN/Downloads/Publikation/aspects‐of‐the‐research‐roadmap.html
© 2017 IfA
‐Folie35
Prof. D
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4.0
SAL – Self‐organizing Adaptive Logistics
Enables flexible production
More robustness in supply chains
© 2017 IfA
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Prof. D
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er Fay –Indu
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4.0
SAL – Self‐organizing Adaptive Logistics
Enables flexible production
More robustness in supply chains
Logistic objects form CPS. decisionpoint
disturbances
throughp
ut centrallycontrolled
self‐organized
Source: A reference system for the benchmarking of manufacturing control systems.IEEE ETFA 2011
© 2017 IfA
‐Folie37
Prof. D
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er Fay –Indu
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4.0
SAL – Self‐organizing Adaptive Logistics
Enables flexible production
More robustness in supply chains
Logistic objects form CPS.
Requirements: Increased amount of information exchange regarding the system state
Information exchange under real‐time constraints
Information exchange when objects reach decision points
decisionpoint
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‐Folie38
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
er Fay –Indu
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4.0
Industrie 4.0 Application Scenarios
Source: https://www.plattform‐i40.de/I40/Redaktion/EN/Downloads/Publikation/aspects‐of‐the‐research‐roadmap.html
© 2017 IfA
‐Folie39
Prof. D
r.‐Ing. Alexand
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VBS – Value Based Services
„Process and status data from production and product use are the raw materials for future business models and services.”
© 2017 IfA
‐Folie40
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4.0
Fazit
Informations‐ und Kommunikationstechnik halten in großem Umfang Einzug in alle Lebensbereiche
Sie ermöglichen kostengünstige Cyber‐Physical Systems (CPS)
Zahlreiche Automatisierungslösungenkönnen damit realisiert werden
Dies verändert die Wertschöpfungsketten
Zuverlässige und sichere (im Sinne von Security)Kommunikationstechnik ist dafür die Voraussetzung