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Industrie 4.0 Chancen durch Vernetzung Prof. Dr.Ing. Alexander Fay 29. September 2017 Lübeck Vortrag auf der 15. Fachtagung des ITG Fachausschusses 5.2 Kommunikationsnetze und Systeme: „Zukunft der Netze“

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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?“

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r.‐Ing. Alexand

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 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“

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r.‐Ing. Alexand

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 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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 4.0

Grundlage: Cyber‐Physical Systems

Quelle: Umsetzungsempfehlung für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0,Abschlussbericht des Arbeitskreises Industrie 4.0, April 2013: Bild 4

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 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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 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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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Industrie 4.0 – Fokus auf Wertschöpfung

Handlungsfelder:

1. Digitalisierung von Produkten und Dienstleistungen„smart products“

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Industrie 4.0 – Fokus auf Wertschöpfung

Handlungsfelder:

1. Digitalisierung von Produkten und Dienstleistungen

2. Digitalisierung von Wertschöpfungsketten

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Industrie 4.0 – Fokus auf Wertschöpfung

Handlungsfelder:

1. Digitalisierung von Produkten und Dienstleistungen

2. Digitalisierung von Wertschöpfungsketten

© 2017 IfA

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Industrie 4.0 – Fokus auf Wertschöpfung

Handlungsfelder:

1. Digitalisierung von Produkten und Dienstleistungen

2. Digitalisierung von Wertschöpfungsketten

3. Neue Geschäftsmodelle („smart services“)

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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

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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

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Industrie 4.0 Application Scenarios

Source: https://www.plattform‐i40.de/I40/Redaktion/EN/Downloads/Publikation/aspects‐of‐the‐research‐roadmap.html

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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. 

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Industrie 4.0 Application Scenarios

Source: https://www.plattform‐i40.de/I40/Redaktion/EN/Downloads/Publikation/aspects‐of‐the‐research‐roadmap.html

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AF – Adaptable Factories

Plug & Produce – adaptable manufacturing configurations within a factory for quickly changing production capacities and capabilities.

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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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AF – Adaptable Factories

Ergänzung dieses Filter‐Modulsbenötigt 3 Minuten.

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AF – Adaptable Factories

Ergänzung dieses Filter‐Modulsbenötigt 3 Minuten.

WAGO‐Stand auf derHannover‐Messe 2016

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AF – Adaptable Factories

Jedes Modul ist ein CPS und bietet Services an, die einem standardisierten Service‐Modell nach IEC 61512‐1 ed. 2 folgen.

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AF – Adaptable Factories

Die Services können von einem übergeordneten Leitsystem aufgerufen werden, entsprechend dem „Rezept“.

Übergeordnetes Leitsystem

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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.

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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.

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Industrie 4.0 Application Scenarios

Source: https://www.plattform‐i40.de/I40/Redaktion/EN/Downloads/Publikation/aspects‐of‐the‐research‐roadmap.html

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SAL – Self‐organizing Adaptive Logistics

Enables flexible production

More robustness in supply chains

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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

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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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Industrie 4.0 Application Scenarios

Source: https://www.plattform‐i40.de/I40/Redaktion/EN/Downloads/Publikation/aspects‐of‐the‐research‐roadmap.html

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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.”

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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