Handbuch Industrie 4.0

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. Industrie-4.0-Anwendungsszenarien für die Automatisierung

   1. Frontmatter

   2. Die Bedeutung der Sensorik für die vierte industrielle Revolution

      Gunther Kegel, Benedikt Rauscher, Marc-André Otto, Stefan Gehlen, Jörg Nagel, Hinrik Weber

      Zusammenfassung

      Der Beitrag grenzt zunächst das Feld der Sensorik für die industrielle Automation ab und gibt einen Überblick über die heute in der Fertigungs- und Prozessindustrie üblichen Sensoren und deren Innovationsschritte während der vorangegangenen Perioden der industriellen Entwicklung. Anschließend werden die Anforderungen an die Sensorik für die vierte industrielle Revolution anhand der Prinzipien von Referenzarchitektur RAMI 4.0 und Verwaltungsschale dargestellt. In einzelnen Unterkapiteln wird dann die Umsetzung dieser Anforderungen anhand einer Reihe von Beispielen neuer digitaler Kommunikation und neuer Sensorprinzipien dargestellt.

   3. Anwendungsbeispiele zur Integration heterogener Steuerungssysteme bei robotergestützten Industrieanlagen

      Christian Lehmann, J. Philipp Städter, Marlon Antonin Lehmann, Ulrich Berger

      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.

   4. „Plug & Produce“ als Anwendungsfall von Industrie 4.0

      Lars Dürkop, Jürgen Jasperneite

      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.

   5. Vernetzte Sonderladungsträger für die Logistik 4.0

      Johannes Zeiler, Johannes Fottner

      Zusammenfassung

      Aktuelle Forschungsarbeiten beschäftigen sich mit der digitalen Transformation von Sonderladungsträgern zu cyber-physischen Systemen. Dieser Beitrag zeigt auf, welche innovativen produkt- und datenbasierten Dienstleistungen (z. B. Tracking, Monitoring) mithilfe von modularen, intelligenten und vernetzten Behältern möglich sind. Darüber hinaus wird eine IoT-Architektur für die Umsetzung dieses Dienstleistungsangebots innerhalb einer klassischen Supply-Chain vorgestellt. Mithilfe dieser Dienstleistungen kann die Transparenz des Behälterkreislaufs erhöht und die Supply-Chain optimiert werden.

   6. Internet of Production – Steigerung des Wertschöpfungsanteils durch domänenübergreifende Kollaboration

      Günther Schuh, Jan-Philipp Prote, Marco Molitor, Sven Cremer

      Zusammenfassung

      Der Ausruf von Industrie 4.0 im Jahre 2011 hat hohe Erwartungen an die Steigerung von Produktivität und Wertschöpfung geweckt – diese sind bis heute nicht im erwarteten revolutionären Maße erfüllt worden. Eine oftmals schwierige quantitative Nutzenbewertung und die entsprechend zurückhaltende Investitionsbereitschaft haben eine oft nicht ausreichend umfangreiche Einführung und Durchdringung von Industrie 4.0 zur Folge. Mit dem Internet of Production stellt dieser Beitrag eine holistische Referenzinfrastruktur vor, die durch die Befähigung zu domänenübergreifender Kollaboration eine Steigerung des Wertschöpfungsanteils verspricht. Zur Implementierung des Internet of Production spielen neben der technischen Infrastruktur eine umfassende Vernetzung der Produktlebenszyklen sowie der Aufbau von anwendungsspezifischen und hinreichend akkuraten Digitalen Schatten eine entscheidende Rolle. Um die Produktivität bereits auf dem Weg hin zum Internet of Production schrittweise sichtbar steigern zu können, diskutiert der Beitrag eine besonders nutzenorientierte Sicht auf Industrie 4.0 und stellt hierfür unter anderem den Produktivitätsbaukasten 4.0 vor. Anhand des Beispiels Subskription als neues Geschäftsmodell wird dargestellt, wie Wertschöpfungssteigerungen und Nutzensteigerungen domänenübergreifend erfolgen können. Eine Skalierung der Produktivitätsbausteine erfolgt schließlich in einem Production System 4.0 und wird anhand fünf erfolgreicher Use-Cases aus dem Umfeld des Campus der RWTH Aachen zur schrittweisen Implementierung vorgestellt.

   7. Industrie 4.0 in der praktischen Anwendung

      Jochen Schlick, Peter Stephan, Matthias Loskyll, Dennis Lappe

      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.

   8. Integration des Menschen in Szenarien der Industrie 4.0

      Arndt Lüder

      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 die Auswirkungen 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.

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

      Michael Teucke, Aaron Heuermann, Klaus-Dieter Thoben, Michael Freitag

      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. Diese sollen die Beschäftigten im Rahmen eines Ambient Assisted Working-Ansatzes unterstützen.

      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“. Die im Rahmen des Projektes durch Workshops und Experteninterviews mit Herstellern und potenziellen Anwendern in Produktion und Logistik herausgearbeiteten Anforderungen und Einsatzmöglichkeiten werden unter Einbeziehung weiterer Quellen und für den Stand der Technik beschrieben. Basierend auf den in verschiedenen weiteren Projekten gesammelten Erfahrungen werden schließlich Chancen und Risiken des Einsatzes von mobilen Systemen zusammenfassend dargestellt.

   10. Förderlicher Entwurf cyber-physischer Produktionssysteme

       Leon Urbas, Florian Pelzer, Sebastian Lorenz, Thomas Herlitzius

       Zusammenfassung

       Durch Automatisierungs- und Modularisierungsstrategien steigern Cyber-Physische Produktionssysteme, Effektivität, Effizienz sowie Flexibilität und Adaptivität in der Produktion. Eine erhöhte Komplexität der Systeme ist die Folge. Aufgrund dieser Komplexitätssteigerung, sich häufig wandelnden Prozess- und Systemeigenschaften sowie einer zunehmenden Intransparenz der hochautomatisierten (Teil-)Systeme, reichen die aktuellen Kompetenzen der Operateure nicht mehr aus. Dennoch müssen sie in der Lage sein, kritische Situationen, in Kooperation mit dem technischen System erfolgreich zu bewältigen. Um diese Kooperation zu ermöglichen, ist ein förderliches Systemdesign notwendig, das auf den Menschen und seine Kompetenzen zugeschnitten ist. Ein solches Conducive Design verfolgt das Ziel, Operateure zu befähigen, angemessene Einschätzungen und Handlungen zu generieren und nahtlos in das CPPS einzufügen.

       Dieser Artikel widmet sich der Analyse von Herausforderungen und Möglichkeiten der Berücksichtigung der Wirkungsweise einer Mensch-Maschine-Kooperation bei der Entwicklung und im Einsatz von CPPS in der Landwirtschaft und der Prozessindustrie. Dazu werden im ersten Abschnitt die Rolle von Modularisierungs- und Automatisierungsstrategien in diesen Domänen vergleichend beschrieben. Im zweiten Abschnitt werden Eigenschaften von CPPS, Anforderungen an modulare Plattformen sowie die Rolle des Menschen in diesen Systemen erläutert. Die Betrachtung der unterschiedlichen Ausprägungen dieser Strategien wird im dritten Abschnitt zeigen, dass Conducive Design unabhängig davon ein notwendiger Faktor für das Lösen der Herausforderungen ist. Im vierten Abschnitt werden daraus Konsequenzen für die Gestaltung der Mensch-Maschine-Interaktion abgeleitet. Abschließend werden die Ergebnisse zusammengefasst und die Anforderungen an das Conducive Design von CPPS hervorgehoben.

       Gegenstand sind die Forschungsaktivitäten im Graduiertenkolleg 2323 Conducive Design of CPPS der Technischen Universität Dresden.