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2017 | Buch

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Handbuch Industrie 4.0 Bd.2

Automatisierung

herausgegeben von: Birgit Vogel-Heuser, Thomas Bauernhansl, Michael ten Hompel

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Buchreihe : Springer Reference Technik

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Mit der Neuauflage des erfolgreichen Werkes wird die Geschichte der vierten industriellen Revolution fortgeschrieben und der Dynamik Rechnung getragen, mit der diese Vision in den vergangenen zwei bis drei Jahren weiterentwickelt und verwirklicht wurde.

Experten aus Wissenschaft und Technik beleuchten verschiedene Facetten der Industrie 4.0 sowohl aus akademischer als auch aus praktischer Sicht und schaffen gleichermaßen einen Überblick über den Stand der Technik und die Vision selbst. Dies gelingt nicht zuletzt mit einer guten Mischung aus wissenschaftlichen Erkenntnissen, Praxisbeispielen und Übersichtsbeiträgen. Thematisch reicht das Spektrum von Basistechnologien (z. B. cyber-physische Systeme) über Integrations- und Migrationsansätze bis hin zu Geschäftsmodellen und Dienstleistungen. Zudem werden neben der Datensicherheit auch rechtliche Aspekte thematisiert.

Die zweite Auflage wurde bearbeitet und erweitert, erscheint nun in 4 Bänden. Dieser zweite Band beinhaltet neue und bearbeitete Beiträge zur Automatisierung.

Online ist dieses Nachschlagewerk auch über Springer Reference verfügbar.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Industrie-4.0-Anwendungsszenarien

Frontmatter

Industrie 4.0 in der praktischen Anwendung

Zusammenfassung

Kundenindividuelle Produktanforderungen resultieren seit Jahren in einer kontinuierlich steigenden Variantenvielfalt. Moderne Produktionsumgebungen sind dabei oftmals nach den Prinzipien der Lean Production organisiert, um diesen Herausforderungen zu begegnen. Hierbei wird ohne vermeidbaren IT-Einsatz Verschwendung möglichst vermieden und Effizienz gesteigert. Hierdurch ergeben sich aber nicht selten auch Medienbrüche in der Produktion. Dieser Beitrag stellt neue Potenziale zur Produktionsoptimierung durch den Einsatz von Industrie 4.0 anhand von Umsetzungen in einer Schaufensterfabrik dar.

Jochen Schlick, Peter Stephan, Matthias Loskyll, Dennis Lappe

Agentenbasierte dynamische Rekonfiguration von vernetzten intelligenten Produktionsanlagen

Evolution statt Revolution

Zusammenfassung

Viele Unternehmen und Institute beschäftigen sich aktuell mit dem Begriff Industrie 4.0 und seiner genauen Auslegung. Daraus resultierend existieren viele verschiedene Vorstellungen darüber, was unter dem Begriff genau zu verstehen ist. Die Vernetzung von bisher getrennt betrachteten Geräten, Komponenten, Anlagen oder gesamten Unternehmen unter der Nutzung von Internettechnologien ermöglicht neue, automatisierte Ansätze zur Datenintegration und Datenauswertung. Der vorliegende Beitrag beschreibt Szenarien und Technologien, anhand derer die Potenziale von Industrie 4.0 aufgezeigt werden sollen.

Dorothea Pantförder, Felix Mayer, Christian Diedrich, Peter Göhner, Michael Weyrich, Birgit Vogel-Heuser

Anwendungsbeispiele zur Integration heterogener Steuerungssysteme bei robotergestützten Industrieanlagen

Zusammenfassung

Die Preise für die Nutzung von Industrierobotern sinken. Dazu tragen auch die Entwicklungen im Bereich der Mensch-Roboter-Kooperation bei, durch die der Bedarf an starren Schutzeinrichtungen beim Robotereinsatz sinkt. In zukünftigen, flexiblen Produktionssystemen werden Roboter dementsprechend immer häufiger zum Einsatz kommen. Gleichzeitig steigt die Anzahl der Roboterhersteller und der verfügbaren Modelle. Anwender müssen dementsprechend häufiger mit verschiedenartigen Systemen arbeiten. Im Rahmen der zunehmenden Vernetzung von Geräten steigt die Anzahl und Heterogenität der bei der Integration zu berücksichtigenden Schnittstellen. Aus diesen Gründen wird gefordert, die Programmierung und Integration der Systeme zu vereinfachen; auch, da diese zunehmend für wechselnde Aufgaben und in wechselnden Umgebungen eingesetzt werden. In diesem Beitrag wird anhand von aktuellen Beispielen aus Forschung und industrieller Anwendung dargestellt, in welchen Bereichen diese Forderungen bereits umgesetzt sind und wo noch Handlungsbedarf besteht.

Christian Lehmann, J. Philipp Städter, Ulrich Berger

„Plug & Produce“ als Anwendungsfall von Industrie 4.0

Zusammenfassung

Intelligente Fabriken sind das Ziel von Forschungsinitiativen wie Industrie 4.0 oder Industrial Internet. Aktuell werden vor allem Teilaspekte solcher Gesamtsysteme erforscht, z. B. Vernetzung, Energieoptimierung oder Selbstdiagnose. In diesem Artikel wird insbesondere das „Plug & Produce“ als Ausprägung einer Selbstkonfiguration zukünftiger Automatisierungssysteme betrachtet, wobei ein Schwerpunkt auf der automatischen Konfiguration des echtzeitfähigen Kommunikationssystems liegt.

Lars Dürkop, Jürgen Jasperneite

Cyber-physische Systeme im Betrieb

Frontmatter

Steigerung der Kollaborationsproduktivität durch cyber-physische Systeme

Zusammenfassung

Die Produktionssteuerung ist das zentrale Element, um einen stabilen Produktionsprozess zu realisieren. Um steigender Marktdynamik und wachsenden Kundenanforderungen gerecht zu werden, ist es unumgänglich die zur Produktionssteuerung eingesetzten IT-Systeme auf die sich wandelnde Unternehmensumgebung anzupassen. Industrie 4.0 bietet die Grundlage für eine Verbessrung der Produktionssteuerung. Zum einen können mit Hilfe intelligenter Sensorik zusätzliche Daten aus der Produktion generiert werden. Durch eine intelligente Verarbeitung innerhalb der Sensorik stehen den IT-Systemen aggregierte Informationen zur Verfügung. Zum anderen hat der Fertigungssteuerer durch eine schnellere Verarbeitung von Daten Echtzeitinformationen zur Entscheidungsunterstützung zur Verfügung. Somit steigt die Kollaborationsproduktivität des Produktionssteuerers mit dem planenden IT-System.

Günther Schuh, Till Potente, Christina Reuter, Annika Hauptvogel

Agentenorientierte Verknüpfung existierender heterogener automatisierter Produktionsanlagen durch mobile Roboter zu einem Industrie-4.0-System

Zusammenfassung

Die Anforderungen hinsichtlich der Flexibilität steigen durch die Herstellung komplexer, auf den Endkunden individualisierter Produkte (Mass Customization). Das Kapitel zeigt die Verknüpfung von Unternehmen mit verschiedenen Kernkompetenzen im Rahmen von Industrie 4.0. Eine Agentenplattform dient als Basis für die Zusammenarbeit verschiedener Unternehmen an einem gemeinsamen Produkt sowie dessen Transport durch mobile Roboter in einem gemeinsamen Produktionsnetzwerk. Die Aspekte der modellbasierten Entwicklung des Demonstrators sowie sein Verhalten unter realitätsnahen Einsatzbedingungen ergeben wichtige Faktoren für die Weiterentwicklung der Referenzarchitektur sowie die Portierung dieser in andere Domänen.

Daniel Regulin, Birgit Vogel-Heuser

High Performance Automation verbindet IT und Produktion

Zusammenfassung

Der Artikel beschreibt Anforderungen an eine zukünftige Industrie 4.0-Produktionslandschaft: vernetzte, flexible Produktionseinheiten jeder Granularität, in denen individualisierte Produkte durch die automatische Anpassung von Produktionsmaschinen zu Massenstückzahlkosten in Losgröße eins hergestellt werden können. Dazu sind qualitäts- und präzisionsverbessernde, ressourcen- und energieschonende Produktionsverfahren nötig.

Die Anforderungen an die Automatisierungstechnik und zukünftige Entwicklung der Rechnerleistung sowie der daraus erwartete Leistungszuwachs werden beschrieben.

Der Autor erörtert die Migration industrieller Kommunikation zu hochsynchronen und schnellen Ethernet-Feldbussen und erläutert, wie dadurch mit höherer Präzision ressourcenschonend und energiesparend produziert werden kann.

Er beschreibt darüber hinaus Ansätze zu einer Ontologie, Syntax und Semantik für Produktionsanlagen und Anforderungen an eine zukünftige Systemarchitektur für die Evolution zu Industrie 4.0.

Gerd Hoppe

PC-basierte Steuerungstechnik als Basis für intelligente vernetzte Produktionssysteme

Zusammenfassung

PC-basierte Steuerungstechnik ist eine Schlüsseltechnologie zur Realisierung von Smart Factories. Neben einer hohen Rechenleistung und Performance unterstützt PC-basierte Steuerungstechnik die horizontale und vertikale Kommunikation von Systemen. Eine durchgängige, modellbasierte Entwicklung über den Produktlebenszyklus ist ebenfalls möglich. Aktuelle Entwicklungen wie Scientific Automation in Verbindung mit Many-Core-Rechnern schaffen wichtige Voraussetzungen die Intelligenz, Zuverlässigkeit und Effizienz von Produktionssystemen weiter zu steigern.

Ursula Frank, Josef Papenfort

Engineering-Aspekte in der Industrie 4.0

Frontmatter

ClipX: Auf dem Weg zur Industrialisierung des Schaltschrankbaus

Zusammenfassung

Der globale Wettbewerb stellt die Fertigung im Maschinen- und Anlagenbau vor große Herausforderungen. Hintergrund ist die Forderung nach reduzierter Lieferzeit, später Individualisierung und Fehlerfreiheit bei gleichzeitiger Zunahme der Funktionsvielfalt, die sich meist in Elektronik und Software abbildet. Damit steigt die Bedeutung des Schaltschranks innerhalb der gesamten Wertschöpfungskette. Die Branche ist jedoch geprägt von einem geringen Automationsgrad und unzureichender IT-Integration. Eine industrielle Linienfertigung kann Abhilfe schaffen und den Prozess der Schaltschrankproduktion auf die gestiegenen Anforderungen vorbereiten. Befähiger sind dabei Prinzipien aus dem Zukunftsprojekt Industrie 4.0.

Christian Großmann, Olaf Graeser, Andreas Schreiber

Integrationsplattform für anlagenmodellorientiertes Engineering

Bedarfe und Lösungsansätze

Zusammenfassung

Anlagen im Industrie 4.0 Umfeld erfordern den Fachbereiche übergreifenden Austausch von Engineering-Daten. Der Einsatz heterogener Software-Werkzeuglandschaften bestimmt jedoch heute den Engineering-Prozess automatisierter Systeme und wird dies auch noch viele Jahre tun. In der Kombination von standardisierten Datenformaten wie AutomationML und geeigneten Austausch- und Verwaltungsplattformen für Engineering-Daten lassen sich sowohl Engineering-Prozesse verbessern als auch Anlagemodelle effizient erstellen und pflegen, die das Anlagen-Engineering und den gesamte weiteren Lebenszyklus unterstützen. Dieses Kapitel diskutiert Bedarfe, Herausforderungen und Lösungsansätze sowie Stärken und Beschränkungen von gängigen Ansätzen für Integrationsmechanismen in Software-Werkzeugen anhand von Forschungsfragen, Anwendungsfällen und Bedarfen zu bruchlosen Modellen in Engineering-Phasen und durchgängigen Werkzeugketten. Wesentliches Ziel der Forschung und Entwicklung ist das Herstellen eines integrierten Anlagenmodells in einem Umfeld heterogener Datenmodelle und Software-Werkzeuge. Das Kapitel beschreibt als Beispiel eines herstellerneutralen Ansatzes das Konzept AML Integrationsplattform (AML Hub) und diskutiert Möglichkeiten, die sich daraus für eine verbesserte Beobachtung und Orchestrierung der Engineering-Prozesse ergeben.

Stefan Biffl, Richard Mordinyi, Heinrich Steininger, Dietmar Winkler

AutomationML in a Nutshell

Zusammenfassung

Die Welt der Produktionssysteme ist an einem Wendepunkt. Die wachsende Bedeutung der Kundenwünsche und die wachsende Geschwindigkeit des technischen Fortschritts haben Produktionssysteminhaber dazu gebracht, die Flexibilität von Produktionssystemen hinsichtlich Produktportfolio und Ressourcennutzung auszuweiten (Terkaj et al. 2009). Jedoch ist diese Flexibilitätserweiterung nicht kostenlos zu haben. Neue Vorgehensweisen und Methoden des Entwurfes und der Nutzung von Produktionssystemen haben sich als notwendig erwiesen, wie sie in der Industrie 4.0 Initiative anvisiert werden (Kagermann et al. 2013; Jasperneite 2012).

Industrie 4.0 fordert eine verstärkte Integration in verschiedensten Richtungen bezogen auf die Struktur und Entwurf/Erstellung/Nutzung von Produktionssystemen. So empfiehlt es eine verstärkte Integration der verschiedenen Lebenszyklusphasen eines Produktionssystems, stärkere Integration der verschiedenen Ebenen der Automatisierungspyramide von der Feldebene bis zur Unternehmenssteuerung und die Integration entlang der Entwurfskette des Produktionssystems, d. h. die Abfolge von Aktivitäten, die von Ingenieuren mit entsprechenden Entwurfswerkzeugen auszuführen sind.

Die zunehmende Flexibilität der Produktionssysteme erzwingt eine höhere Frequenz an Entwurfsaktivitäten (Neubau und Umbau). Deshalb nimmt die Bedeutung des Entwurfs im Lebenszyklus des Produktionssystems zu, dessen Anteile an Lebenszyklus und Kosten des Produktionssystems steigen. Die Integration von Ingenieuraktivitäten und ihrer beteiligten Werkzeuge entlang der Entwurfskette sollen ein Mittel sein, Zeit und Kosten des Entwurfs durch die Vermeidung von unnötigen Wiederholungen von Entwurfsaktivitäten einzusparen, eine Zunahme an Kontinuität der Entwurfswerkzeugketten sicherzustellen und eine Verbesserung der Zusammenarbeit unter den Ingenieuren (um nur einige erwartete Einflüsse zu nennen) zu erreichen.

Eine Mittel, die Integration von Entwurfsaktivitäten und Werkzeugen entlang der Entwurfsketten des Produktionssystems zu ermöglichen und außerdem die Verwendung von Entwurfsdaten innerhalb der Nutzungsphase eines Produktionssystems möglich zu machen, ist ein geeignetes Datenaustauschformat. Folgend der Industrie 4.0 Roadmap muss ein solches Datenformat entwickelt werden. In diesem Paper wird das Datenaustauschformat AutomationML betrachtet. Um eine Bewertung der Anwendbarkeit von AutomationML im Industrie 4.0 Kontext zu ermöglichen, soll der Umfang der Darstellbarkeit von Entwurfsdaten mit AutomationML detailliert untersucht werden.

Arndt Lüder, Nicole Schmidt

Qualitätssicherung in heterogenen und verteilten Entwicklungsumgebungen für industrielle Produktionssysteme

Zusammenfassung

Die Zusammenarbeit von Fachexperten in einem heterogenen Entwicklungsumfeld im Industrie 4.0 Kontext bringt neben dem verstärkten Bedarf an effizientem Datenaustausch auch Herausforderungen und neue Möglichkeiten an Fachbereiche übergreifenden Maßnahmen der Qualitätssicherung zur Verbesserung der Projekt-, Prozess- und Produktqualität mit sich. Dieses Kapitel beschreibt Bedarfe an Methoden zur Fachbereiche übergreifenden Qualitätssicherung sowohl für Ingenieure als auch für Projekt- und Qualitätsmanager und stellt Konzepte und Lösungsansätze anhand exemplarischer Industrieprototypen dar, etwa effizientes Änderungsmanagement über Fachbereichsgrenzen, Mechanismen zum effizienten und qualitätsgesicherten Datenaustausch basierend auf AutomationML Integrationslösungen, die selektive Überwachung von kritischen Projektparametern (etwa mit dem Multi-Model-Dashboard) oder übergreifende Projektbeobachtung mit dem Engineering Cockpit. Basierend auf integrierten Daten können diese Ansätze helfen, Fehler und Inkonsistenzen in Planungsdaten unterschiedlicher Fachbereiche schneller und effizienter zu finden und einen schnellen Überblick über den aktuellen Projektstatus zu erhalten.

Dietmar Winkler, Richard Mordinyi, Stefan Biffl

Integration von Automatisierungsgeräten in Industrie-4.0-Komponenten

Zusammenfassung

Industrie 4.0-Komponenten sind wesentliche Bausteine aus denen Industrie 4.0 Systeme bestehen. Sie bilden die Strukturelemente, die von den sich immer mehr flexibilisierenden Wertschöpfungsketten in der Produktion verwendet werden. Auch die I40-Komponenten müssen eine hohe Anpassungsfähigkeit aufweisen, die nicht mehr manuell sondern auch automatisiert aktiviert werden kann. Automatisierungsgeräte (AT-Geräte) sind die Systemkomponenten, die die Bindeglieder zwischen den Maschinen und Anlage und den Anwendungen der Produktion bilden. Streng hierarchische Leitsysteme werden für verschiedene Anwendungen aufgelöst und flachere Strukturen werden Eingang finden. Dazu müssen die AT-Geräte in die I40-Komponenten integriert werden. In diesem Beitrag wird gezeigt, welches Potential die bereits vorhandenen Gerätebeschreibungstechnologien und damit die installierte Basis dafür bietet.

Christian Diedrich, Matthias Riedl

Beiträge des Semantic Web zum Engineering für Industrie 4.0

Zusammenfassung

Ein wesentlicher Aspekt für die Umsetzung der Vision von Industrie 4.0 ist die Verbesserung des Engineering-Prozesses von Produktionssystemen. Dieses Kapitel untersucht, welche Beiträge Semantic Web Technologien zu Engineering-Prozessen von Industrie 4.0 einbringen können. Dazu wird ein Analyse-Framework entwickelt, in dem die hauptsächlichen Fähigkeiten von Semantic Web Technologien dargestellt werden, und werden diejenigen technischen Aufgaben diskutiert, die in Industrie 4.0 spezifischen mechatronischen Engineering Szenarien den größten Vorteil aus Verbesserungen ziehen könnten.

Dieses Framework wird einer fokussierten Review aktueller Ansätze zugrunde gelegt, die Semantic Web Technologien im Kontext des Engineerings von Produktionssystemen verwenden. So soll ein besseres Verständnis erlangt werden, welche Fähigkeiten der Technologien welche technischen Aufgaben gut unterstützen. Die Analyse zeigt, dass Semantic Web Technologien vor allem für die Integration und das Management von Unternehmensdaten in verschiedenen Aspekten des Engineerings, vom Anforderungsmanagement bis hin zur Simulation und zu Projektmanagement, verwendet werden. Durch den Fokus auf Datenintegration und Konsistenzmanagement wird das Potential der Web-orientierten Fähigkeiten des Semantic Web vorerst nicht ausgeschöpft.

Marta Sabou, Olga Kovalenko, Fajar Ekaputra, Stefan Biffl

Diagnose von Inkonsistenzen in heterogenen Engineeringdaten

Zusammenfassung

Industrie 4.0 bedeutet mehr Komplexitat – nicht zuletzt auch während des Engineerings automatisierter Produktionssysteme. Essenziell für den Erfolg von Industrie 4.0-Entwicklungsprojekten ist, dass Fehler während der Entwicklung frühzeitig erkannt und behoben werden. Solche Fehler manifestieren sich in vielen Fällen durch Inkonsistenzen in den Engineeringdaten, die oftmals sehr heterogener Natur sind. Zur Adressierung dieser Problematik analysiert dieses Kapitel die Herausforderung des Managements (d. h. der Erkennung und Behebung) von Inkonsistenzen in heterogenen Engineeringdaten und stellt einen Ansatz zur Diagnose von Inkonsistenzen vor.

Stefan Feldmann, Birgit Vogel-Heuser

Schnittstellen ermöglichen Datenintegration in der Prozessindustrie

Ansätze und Realisierung einer schnellen Standardisierung von Schnittstellen

Zusammenfassung

Industrie 4.0 setzt die Integration von Systemen und die Durchgängigkeit des Engineerings voraus. Beides erfordert standardisierte Schnittstellen. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über einen neuen, agilen Ansatz zur Standardisierung und seine Anwendung für die Prozessindustrie. Mit diesem Ansatz werden Schnittstellen zum Austausch der Engineering-Daten für PLT-Stellen (GMA-FA 6.16) und für die Integration von Automatisierungskomponenten (ad-hoc-NAMUR AK 1.12.1 mit ZVEI) erarbeitet. Vier Use Cases zeigen teilweise naheliegende, teilweise visionäre Nutzungen der Datenintegration für Industrie 4.0.

Thomas Tauchnitz

Automatische Generierung von Fertigungs-Managementsystemen

Grundlage der durchgängigen Vernetzung in der Lebensmittelindustrie

Zusammenfassung

Eine wesentliche Herausforderung von Industrie 4.0 ist die vertikale Integration der Produktionsebenen mit ihren eingebetteten Systemen. Manufacturing Execution Systeme (MES) spielen dabei ein zentrale Rolle, da sie das Bindeglied zwischen dem Enterprise Ressource Planning (ERP) System und der Produktionswelt darstellen.

Die industrielle Produktion von Lebensmitteln erfolgt in komplexen Prozessen, in denen die Transparenz aller Prozessschritte zur Beherrschung von Qualität, Effizienz und Ressourcenverbrauch notwendig ist. MES-Lösungen helfen hier Prozesse und Anlagen zu überwachen, Fehler zu erkennen und zu analysieren und komplexe Auswertungen von aggregierten Daten durchzuführen.

Dieser Beitrag beschreibt eine kostengünstige Vorgehensweise für die Vernetzung der Lebensmittelproduktion. Der Aufwand zur Implementierung und Rekonfiguration von MES-Lösungen soll dadurch reduziert werden.

Dabei wird auf MES-Beschreibungsstandard – der MES-ML -und Datenstandards der Lebensmittelindustrie (Weihenstephaner Standards) aufgesetzt. Es wurden Beschreibungsmodelle für das automatische Generieren von MES-Funktionen entwickelt, die die Anlagenkonfiguration, die ablaufenden Prozesse und die MES-Funktionalität beschreiben. Die Modellierung erfolgt in einem eigens entwickelten Werkzeug. Dieser verarbeitet die Modellierung und beschreibt das ganzheitliche MES in einer standardisierten und offenen Schnittstelle. Aus der Spezifikation werden durch Codegeneratoren automatisch MES-Lösungen parametriert. Der Beitrag erläutert die Vorgehensweise anhand eines Beispiels aus der Lebensmittelindustrie.

Stefan Flad, Benedikt Weißenberger, Xinyu Chen, Susanne Rösch, Tobias Voigt

Vertikale und horizontale Integration

Frontmatter

Standardisierte horizontale und vertikale Kommunikation

Zusammenfassung

OPC Unified Architecture (OPC UA) ist ein Interoperabilitäts-Standard, der für einen durch Authentifizierung und Verschlüsselung sicheren, zuverlässigen, plattform-, sprach- und herstellerunabhängigen Informationsaustausch steht. Der Informationsaustausch beinhaltet Prozessdaten, Alarm- und Ereignissignale, historische Daten und Kommandos.

OPC UA skaliert vom kleinsten Sensor (Umfang 10 kb) bis in die IT-Enterprise-Welt wie z. B. SAP und die Microsoft Azure Cloud. Als Norm IEC65421 ist OPC UA aktuell die einzige IEC-standardisierte SOA-Technologie auf der deutschen DKE-Normungsliste für die Umsetzung von Industrie 4.0.

OPC UA ist gelistet in der „Reference Architectural Model Industrie 4.0 (RAMI4.0)“. Das BSI untersucht aufgrund der Relevanz für die deutsche Industrie die Sicherheit von OPC UA.

Stefan Hoppe

Industrie 4.0 – Chancen und Herausforderungen für einen Global Player

Zusammenfassung

Siemens hat eine klare Position zur Vision von Industrie 4.0: Über eine Digital Enterprise Platform muss ein durchgängig digitalisierter und virtualisierter Wertschöpfungsprozess mit der realen Welt der Industrie verschmolzen werden. Nur so lassen sich die künftigen Anforderungen der Märkte erfüllen.

Erste Beispiele von Siemens-eigenen Werken und von Installationen bei seinen Kunden zeigen, dass bereits heute einiges von dem realisierbar ist, was mit der Vision als Ziel formuliert wird. Jetzt kommt es darauf an, die nächsten Schritte auf diesem Weg zu gehen. Siemens sieht sich gefordert und gut gerüstet, der Industrie die Werkzeuge und Infrastrukturen zur Verfügung zu stellen, die für die Realisierung von Industrie 4.0 benötigt werden.

Dieter Wegener

Modellbasierte Softwareagenten als Konnektoren zur Kopplung von heterogenen Cyber-Physischen Produktionssystemen

Zusammenfassung

Aufgrund der neuen Herausforderungen in der modernen Produktionstechnik in der Industrie 4.0 wird das Konzept der vernetzen Cyber-Physischen Produktionssysteme (CPPS) aktuell diskutiert. Solche CPPS-Netzwerke verbinden dabei verschiedenste Systeme, in denen verschiedene Sprachen gesprochen werden. Dieses Kapitel adressiert die modellbasierte Entwicklung von CPPS-Konnektoren, die basierend auf der Technologie der Softwareagenten zwischen den Sprachen verschiedener, in einem CPPS-Netzwerk verbundener Systeme übersetzen und vermitteln.

Daniel Schütz, Birgit Vogel-Heuser

Semantik durch Merkmale für Industrie 4.0

Zusammenfassung

Der Grad an Interaktion und Kooperation zwischen informationstechnisch gekoppelten Maschinen- und Anlagenkomponenten steigt ständig. Während Menschen vage Informationen teilweise richtig interpretieren können, weil sie Erfahrungen und Wissen einbringen, können Maschinen nur richtig agieren, wenn die Informationen eindeutig sind. Deshalb wird die semantisch eindeutige Beschreibung von Informationsmodellen immer wichtiger. Ein vielversprechender Ansatz um Semantik eindeutig und auch maschinenlesbar zu beschreiben ist, Merkmale zur Beschreibung der Eigenschaften von Komponenten zu verwenden. Diese Merkmale können mit einem Informationsmodell unterlegt werden, welches maschinell auswertbar ist. Wird dieser Ansatz in Engineering-Werkzeugen umgesetzt, so kann die Durchgängigkeit von Informationen im Lebenszyklus technischer Systeme wesentlich erhöht werden. Die methodischen Grundlagen und das prinzipielle Vorgehen werden in diesem Beitrag vorgestellt.

Christian Diedrich, Thomas Hadlich, Mario Thron

Rahmenwerk zur modellbasierten horizontalen und vertikalen Integration von Standards für Industrie 4.0

Zusammenfassung

In Anlehnung an die Umsetzungsempfehlung des deutschen Arbeitskreises zu Industrie 4.0 widmen wir uns in diesem Kapitel dem offenen Handlungsfeld der Standardisierung und Referenzarchitektur im Kontext einer modellbasierten horizontalen und vertikalen Integration. Wir zeigen, dass die Zusammenführung international etablierter Standards genutzt werden kann, um eine flexible Informationsarchitektur zu schaffen. Zu diesem Zweck präsentieren wir ein offenes, dreidimensionales Rahmenwerk von Standards für Industrie 4.0. Die erste Dimension berücksichtigt die Unterscheidung zwischen den unterschiedlichen Ebenen in einem Unternehmen, in Anlehnung an die klassische Automatisierungspyramide. Die zweite Dimension unterscheidet zwischen den internen und den externen Aspekten der horizontalen und vertikalen Integration. Die dritte Dimension differenziert zwischen der wirtschaftlichen Tätigkeit der teilnehmenden Unternehmen im Wertschöpfungsnetzwerk und den technischen Aspekten des nahtlosen Daten- und Informationsaustausches.

Alexandra Mazak, Manuel Wimmer, Christian Huemer, Gerti Kappel, Wolfgang Kastner

Datamining und Datenanalyse in der Industrie 4.0

Frontmatter

Big Smart Data – Intelligent Operations, Analysis und Process Alignment

Zusammenfassung

Viele Aspekte von Industrie 4.0 werden erst durch das Internet der Dinge ermöglicht. Daten über Produktionsleistung und ‐qualität, Betriebszustand etc. können in Echtzeit überwacht, aber auch in die Planung und Steuerung der Produktion einbezogen werden. Die Szenarien zur Nutzung dieser Daten unterscheiden sich in ihrem Integrationsgrad. Jedenfalls sind Big Data Technologien notwendig, um den vollen Nutzen aus den Daten zu gewinnen. Ein solcher Nutzen besteht in der Kopplung der Datenanalyseergebnisse aus dem Internet der Dinge, speziell real-time Analytics, mit den Geschäftsprozessen.

Harald Schöning, Marc Dorchain

Datenanalyse in der intelligenten Fabrik

Zusammenfassung

Die Mehrheit der Projekte zur Überwachung und Diagnose cyber-physischer Systeme (CPS) beruht auf von (menschlichen) Experten erstellten Modellen. Diese Modelle sind jedoch nur selten verfügbar, sind oft unvollständig, schwer zu überprüfen und zu warten. Datengetriebene Ansätze sind eine viel versprechende Alternative: Diese nutzen die großen Datenmengen die heutzutage in CPS gesammelt werden. Algorithmen verwenden die Daten, um die zur Überwachung notwendigen Modelle automatisch zu lernen. Dabei sind mehrere Herausforderungen zu bewältigen, wie zum Beispiel die Echtzeit-Datenerfassung und Speicherung, Datenanalyse, Mensch-Maschine Schnittstellen, Feedback- und Steuerungsmechanismen. In diesem Beitrag wird eine kognitive Referenzarchitektur vorgeschlagen um diese Herausforderungen in Zukunft einfacher zu lösen. Diese soll durch die Bereitstellung eines Vergleichsschemas sowohl die Wiederverwendung von Algorithmen erleichtern, als auch den wissenschaftlichen Diskurs unterstützen. Anwendungsfälle aus unterschiedlichen Branchen werden schematisch dargestellt und untermauern die Richtigkeit und den Nutzen der Architektur.

Oliver Niggemann, Gautam Biswas, John S. Kinnebrew, Hamed Khorasgani, Sören Volgmann, Andreas Bunte

Juristische Aspekte bei der Datenanalyse für Industrie 4.0

Beispiel eines Smart-Data-Austauschs in der Prozessindustrie

Zusammenfassung

Die unternehmensübergreifende integrierte Aggregation, Analyse und Auswertung großer Datenmengen verursacht vielfältige neue Rechtprobleme. Der Beitrag zeigt am Beispiel der Prozessindustrie, wie diese durch Vertragsgestaltung zwischen den Partnern gelöst werden können. Zuvor werden grundlegende Fragen der rechtlichen Einordnung von Smart Data und der Verfügungsbefugnis über sie geklärt. Als ein Ergebnis werden wesentliche Inhalte der vertraglichen Absprachen als Empfehlungen zusammengestellt.

Alexander Roßnagel, Silke Jandt, Kevin Marschall

Zusammenwirken von Mensch und Maschine in der Industrie 4.0

Frontmatter

Unterstützung des Menschen in Cyber-Physical Production Systems

Zusammenfassung

In industriellen Anlagen wird das Betriebspersonal heute mit immer mehr Daten konfrontiert. Dies liegt zum einen an der immer intelligenter werdenden Gerätetechnik in den Anlagen, aber auch an der im Zuge von Industrie 4.0 zunehmenden Vernetzung in den Unternehmen und über Unternehmensgrenzen hinweg. Der Mensch muss diese Daten auf Basis seines Wissens und seiner Erfahrung zu nutzbringenden Informationen verarbeiten. Dieser Beitrag stellt Möglichkeiten vor, wie das Betriebspersonal durch Technologien, wie 3D-Visualisierung, Augmented Reality, Social Media und nutzerorientierten Visualisierungen, bei seiner Aufgabe besser unterstützt werden kann.

Felix Mayer, Dorothea Pantförder

Gestaltung moderner Touchscreen-Interaktion für technische Anlagen

Zusammenfassung

Die Bedeutung von Touchscreen-Interaktion im industriellen Kontext wird durch neue Anwendungsfelder in der Industrie 4.0 weiter zunehmen. Für den sicheren und effizienten Einsatz von Touchscreens in technischen Anlagen müssen ergonomische Anforderungen erfüllt werden. Es werden Gestaltungsprinzipien und Empfehlungen beschrieben, die bei der Auswahl von Touchscreen-Technologie, der Gestaltung von Touchscreen-Arbeitsplätzen und der Umsetzung der Software beachtet werden müssen.

Jurek Breuninger, Severina Popova-Dlugosch

Integration des Menschen in Szenarien der Industrie 4.0

Zusammenfassung

Mit dem Ziel die Flexibilität und Wandelbarkeit von Produktionssystemen zu verbessern und sie damit den neuen wirtschaftlichen und technischen Herausforderungen anzupassen strebt die Industrie 4.0 Initiative die Integration neuer Methoden und Techniken der Informationsverarbeitung in die Automatisierungstechnik an. Dies kann nicht ohne Auswirkungen auf die an Entwurf und Nutzung von Produktionssystemen beteiligten Menschen bleiben.

Doch was sind diese Auswirkungen? Dieser Beitrag versucht auf der Basis der Untersuchung der in der Industrie 4.0 adressierten Cyber Physical Production Systems sowie eines Modells des Lebenszyklus von Produktionssystemen einige Beispiel für die Auswirkungen der Industrie 4.0 auf den Menschen zu verdeutlichen und entsprechende Schlussfolgerungen für Bildung und Forschung zu ziehen.

Arndt Lüder

Einsatz mobiler Computersysteme im Rahmen von Industrie 4.0 zur Bewältigung des demografischen Wandels

Zusammenfassung

Der Beitrag beschäftigt sich mit dem Einfluss cyber-physischer Systeme (CPS) auf die zunehmend durch Industrie 4.0 geprägte Arbeitswelt. Hierbei werden Herausforderungen und Potenziale, die durch den demografischen Wandel sowie die Einbindung von Geringqualifizierten entstehen, illustriert und diskutiert. Der Fokus des Beitrags liegt auf den Einsatzmöglichkeiten von mobilen Systemen, mit dem Schwerpunkt Wearable Computing-Lösungen, in den Bereichen Produktion und Logistik, welche die Beschäftigten im Rahmen eines Ambient Assisted Working-Ansatzes unterstützen können.

Besondere Berücksichtigung finden in diesem Rahmen Ergebnisse der am BIBA im Auftrag des BMBF durchgeführten Studie „EUNA – Empirische Untersuchung aktueller und zukünftiger Nutzungsgrade mobiler Computersysteme zur Unterstützung älterer Arbeitnehmer in Produktion und Logistik“. Es werden der Stand der Technik und die im Rahmen des Projektes durch Workshops und Experteninterviews mit Herstellern und potenziellen Anwendern in Produktion und Logistik herausgearbeiteten Anforderungen und Einsatzmöglichkeiten beschrieben. Basierend auf den im Rahmen verschiedener Projekte gesammelten Erfahrungen werden schließlich Chancen und Risiken des Einsatzes von mobilen Systemen zusammenfassend dargestellt.

Michael Teucke, Dirk Werthmann, Marco Lewandowski, Klaus-Dieter Thoben

Backmatter

Titel: Handbuch Industrie 4.0 Bd.2
herausgegeben von: Birgit Vogel-Heuser
Thomas Bauernhansl
Michael ten Hompel
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-53248-5
Print ISBN: 978-3-662-53247-8
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-53248-5

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