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Handbuch Industrie 4.0

Band 2: Automatisierung

  • 2024
  • Buch

Über dieses Buch

Mit der Neuauflage des erfolgreichen Werkes wird die Geschichte der vierten industriellen Revolution fortgeschrieben und der Dynamik Rechnung getragen, mit der die 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 dank einer ausgewogenen Mischung aus wissenschaftlichen Erkenntnissen, Praxisbeispielen und Übersichtsbeiträgen. Die Themen der Beiträge reichen von Basistechnologien (bspw. cyber-physische Systeme) über Integrations- und Migrationsansätze bis hin zu Geschäftsmodellen und Dienstleitungen für die Industrie 4.0. Zudem werden die Datensicherheit und auch rechtliche Aspekte behandelt. In der 3. Auflage werden die Themenfelder um Künstliche Intelligenz, aktuelle Mobilfunkstandards und den daraus resultierenden Potentialen für eine zukünftige Plattformökonomie erweitert. Die dritte Auflage wurde bearbeitet und erweitert, erscheint nun in 3 Bänden. Dieser zweite Band beinhaltet neue und bearbeitet Beiträge zur Automatisierung.

Online ist dieses Nachschlagewerk auch über Springer Reference verfügbar.

Inhaltsverzeichnis

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  1. Architekturen

    1. Frontmatter

    2. NAMUR Open Architecture – Der sichere Weg, neue Werte und Services aus Automatisierungsdaten zu schaffen

      Jan de Caigny, Ralf Huck
      Der Fachtext behandelt die NAMUR Open Architecture (NOA) als Lösung zur Erweiterung der traditionellen Automatisierungspyramide in der Prozessindustrie. NOA zielt darauf ab, neue Werte und Services durch die Nutzung von Automatisierungsdaten zu schaffen und die flexible Umsetzung von Industrie 4.0 Anwendungsfällen zu ermöglichen. Das Konzept basiert auf einer offenen Schnittstelle zwischen der bestehenden Kernprozesssteuerungsdomäne und einer neuen Monitoring und Optimierung Domäne. Diese Schnittstelle ermöglicht die Bereitstellung von Daten für M+O-Anwendungen parallel zu den bestehenden Automatisierungsstrukturen. Der Text betont die Notwendigkeit, die Vorteile von IT und OT zu nutzen, ohne die Stabilität und Zuverlässigkeit der bestehenden Automatisierungslösungen zu beeinträchtigen. Besondere Aufmerksamkeit wird auf die Integration von IoT-Sensoren und die Interpretation der Daten gelegt, um neue Anwendungsfälle wie die Anlageninstandhaltung und die Optimierung von Produktionsprozessen zu ermöglichen. Die Zusammenarbeit zwischen NAMUR und ZVEI sowie die Entwicklung von Demonstratoren und Use Cases werden ebenfalls detailliert beschrieben. Der Text hebt die Bedeutung der Standardisierung und der Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Industriestandards hervor, um die Digitalisierung und Industrie 4.0 erfolgreich umzusetzen.
    3. Interoperabilität und Wandelbarkeit in Cyber-Physischen-Produktionssystemen durch modulare Prozessführungs-Komponenten

      Julian Grothoff, Haitham Elfaham
      Das Kapitel untersucht die Herausforderungen und Lösungen für die Interoperabilität und Wandelbarkeit in Cyber-Physischen-Produktionssystemen (CPPS). Es wird gezeigt, wie modulare Prozessführungs-Komponenten die Anpassungsfähigkeit und Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Systemebenen verbessern können. Besonders hervorgehoben wird die Bedeutung von Standardisierung und semantischer Einheitlichkeit für die Interoperabilität. Praktische Beispiele und Fallstudien, wie das Projekt BaSys4.0, veranschaulichen die Umsetzung der vorgestellten Konzepte in der Praxis. Die Einführung von Serviceorientierten Architekturen und die Nutzung von Dienst-Schnittstellen werden als Schlüsseltechnologien für die zukünftige Entwicklung von CPPS identifiziert.
    4. Adaptive Middleware for Heterogeneous Automation Environments

      Andreas Gallasch, Rosario Maida, Birgit Vogel-Heuser, Frieder Loch
      Das Kapitel untersucht das Design und die Implementierung adaptiver Middleware für heterogene Automatisierungsumgebungen und betont die Notwendigkeit fortschrittlicher Konnektivität und Interoperabilität in modernen industriellen Umgebungen. Die Middleware basiert auf Prinzipien der Industrie 4.0 und nutzt ein digitales Zwillingsmodell, um Kommunikation und Datenaustausch zwischen verschiedenen Komponenten zu ermöglichen. Der Einsatz der Plattformen ThingWorx und KEPServerEX ermöglicht die Integration von IoT-basierten Lösungen, wodurch Echtzeit-Datenverarbeitung und adaptive Steuerungsmechanismen gewährleistet sind. Das Kapitel beleuchtet auch die Anwendung künstlicher Intelligenz und maschineller Lerntechniken zur Optimierung der Mensch-Maschine-Interaktion und des Stressmanagements und zeigt das Potenzial moderner Automatisierungssysteme zur Steigerung der industriellen Produktivität und Effizienz auf.
    5. Verwaltungsschale

      Birgit Boss, Sebastian Bader, Andreas Orzelski, Michael Hoffmeister
      Das Kapitel beleuchtet die Verwaltungsschale als zentrales Element der Industrie 4.0, die als digitaler Zwilling dient und die herstellerübergreifende Datenaustauschbarkeit ermöglicht. Die Verwaltungsschale stellt alle relevanten Informationen eines Assets bereit und verknüpft den Zustand der physischen mit der digitalen Welt. Das Kapitel erläutert die Struktur und Funktion der Verwaltungsschale, ihre verschiedenen Kategorien und die Möglichkeit der Darstellung über verschiedene Datenformate wie XML, JSON und RDF. Besonderes Augenmerk liegt auf der semantischen Beschreibung der Merkmale und die damit verbundene Interoperabilität. Weiterhin werden die Vorteile der Modularität und Erweiterbarkeit der Verwaltungsschale sowie deren Bedeutung für innovative Anwendungen wie Predictive Maintenance und autonome Systeme hervorgehoben. Ein Beispiel für die Verwaltungsschale eines Servomotors verdeutlicht die praktische Umsetzung der beschriebenen Konzepte. Das Kapitel schließt mit einem Ausblick auf zukünftige Entwicklungen und Standardisierungsaktivitäten im Bereich der Verwaltungsschale.
    6. Integration von Automatisierungsgeräten in Industrie-4.0-Komponenten

      Christian Diedrich, Matthias Riedl
      Der Beitrag beschäftigt sich mit der Integration von Automatisierungsgeräten in Industrie-4.0-Komponenten und den damit verbundenen Herausforderungen. Es wird dargelegt, wie die zunehmende Flexibilisierung der Produktion die Notwendigkeit nach einer effizienten und ressourcenschonenden Anpassung der Produktionslinien erhöht. Die Integration der Automatisierungsgeräte in verschiedenen Betriebsphasen, wie Instandhaltung und Produktionsmanagement, wird anhand von vier Szenarien verdeutlicht: Wartung, Optimierung, Reengineering und Produktwechsel. Besonders hervorgehoben wird die Rolle der Gerätebeschreibungen, die eine digitale Repräsentation der Automatisierungsgeräte ermöglichen und somit die Integration und Anpassung erleichtern. Der Beitrag zeigt auf, wie durch die Nutzung von Gerätebeschreibungen und Technologien wie FDI und OPC UA die Effizienz und Fehleranfälligkeit reduziert werden können. Abschließend wird ein Anwendungsbeispiel präsentiert, das die Praxisrelevanz der beschriebenen Lösungen verdeutlicht.
    7. Semantik durch Merkmale für Industrie 4.0

      Christian Diedrich, Thomas Hadlich, Mario Thron
      Der Beitrag behandelt die zentrale Rolle der Semantik in der Industrie 4.0 und wie sie durch Merkmale in der Informationssicht von I40-Systemen umgesetzt wird. Dabei wird die Bedeutung von semantischen Modellen und Merkmalsystemen für die Beschreibung von Betriebsmitteln und deren Eigenschaften hervorgehoben. Es wird gezeigt, wie durch eindeutige semantische Beschreibungen die Kommunikation zwischen verschiedenen Systemen und Partnern verbessert werden kann. Besonders interessant ist die Darstellung der praktischen Anwendung von Merkmalen in der Beschaffung und Planung von Anlagen sowie die Bedeutung für die durchgängige Verwendung von Informationen im gesamten Lebenszyklus von Produktionssystemen.
    8. Agentenbasierte dynamische Rekonfiguration von vernetzten intelligenten Produktionsanlagen

      Evolution statt Revolution Dorothea Pantförder, Felix Mayer, Christian Diedrich, Peter Göhner, Michael Weyrich, Birgit Vogel-Heuser
      Das Kapitel behandelt die agentenbasierte dynamische Rekonfiguration von vernetzten intelligenten Produktionsanlagen im Kontext von Industrie 4.0. Am Beispiel des Industrie 4.0-Demonstrators MyJoghurt wird gezeigt, wie eine flexible und skalierbare Produktion realisiert werden kann. Der Demonstrator umfasst die informationstechnische Kopplung und Vernetzung räumlich getrennter Produktionsanlagen, die automatisch und dynamisch Teilaufträge verteilen können. Besondere Aufmerksamkeit wird auf die Szenarien Produktion, Qualitätssicherung, Optimierung, Diagnose und Rekonfiguration gelegt, die die Herausforderungen und Lösungen für eine verteilte Produktion aufzeigen. Die agentenbasierte Kommunikationsarchitektur ermöglicht eine nahtlose Integration bestehender Anlagen und stellt sicher, dass die Anforderungen der Industrie 4.0 erfüllt werden.
    9. Agentenorientierte Verknüpfung existierender heterogener automatisierter Produktionsanlagen durch mobile Roboter zu einem Industrie-4.0-System

      Daniel Regulin, Birgit Vogel-Heuser
      Das Kapitel beleuchtet die Herausforderungen und Lösungen zur Verknüpfung existierender heterogener automatisierter Produktionsanlagen durch mobile Roboter zu einem Industrie-4.0-System. Die Motivation liegt in der Reduzierung der Losgröße und Flexibilisierung der Produktion, um im internationalen Wettbewerb zu bestehen. Ein Demonstrator auf der Messe 'Automatica 2014' zeigte die Verknüpfung verschiedener Produktionsschritte eines Werkstücks mittels unterschiedlicher Produktionsmittel und Unternehmen. Die technische Umsetzung basiert auf einem Multi-Agent-System, das die Kommunikation und Zusammenarbeit der verschiedenen Produktions- und Transportmittel ermöglicht. Besondere Aufmerksamkeit wird auf die Integration verschiedenster Plattformen und Betriebssysteme von Steuerungen gelegt, sowie auf die Bereitstellung plattformunabhängiger Software. Der Demonstrator veranschaulicht die praktische Umsetzung und die Herausforderungen bei der Implementierung eines solchen Systems in einer realen Umgebung.
    10. Einsatz einer service-orientierten Architektur zur Orchestrierung eines dezentralen Intralogistiksystems

      Jan-Philipp Schmidt, Timo Müller, Michael Weyrich
      Das Kapitel beschäftigt sich mit der Anwendung einer service-orientierten Architektur (SOA) zur Orchestrierung eines dezentralen Intralogistiksystems in flexiblen Produktionsumgebungen. Im Kontext von Industrie 4.0 werden die steigenden Anforderungen an Flexibilität und Rekonfigurierbarkeit diskutiert und verschiedene Architekturen, wie agentenbasierte und microservice-basierte Systeme, vorgestellt. Besonderes Augenmerk liegt auf der SOA, die durch ihre wohldefinierten Schnittstellen und die Möglichkeit zur dynamischen Zuordnung von Services eine hohe Flexibilität und Rekonfigurierbarkeit bietet. Die Implementierung und Evaluation der SOA in einem Labor-Maßstab zeigt die praktische Umsetzbarkeit und die Vorteile gegenüber zentralen Steuerungssystemen. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion über die zukünftigen Herausforderungen und die Notwendigkeit weiterer Standardisierung in der Automatisierungstechnik.
    11. Smart Data Architekturen

      Vertikale und horizontale Integration Emanuel Trunzer, Birgit Vogel-Heuser, Jens Folmer, Thorsten Pötter
      Das Kapitel behandelt die Herausforderungen der Datenintegration in der Produktionsindustrie im Kontext von Industrie 4.0. Es wird erläutert, wie durch innovative Systemarchitekturen und Middleware die Datenintegration und -analyse verbessert werden kann. Die Vielzahl und Heterogenität der Datenquellen sowie die Notwendigkeit der Echtzeitverarbeitung stellen erhebliche Herausforderungen dar. Der Beitrag beschreibt, wie durch die Einführung von Smart Data und Middleware-Technologien diese Herausforderungen gemeistert werden können. Anhand von Anwendungsbeispielen wird gezeigt, wie die Integration von Daten und Systemen über verschiedene Ebenen und Unternehmen hinweg erfolgen kann. Die Einführung von Technologien wie OPC UA, DDS und Kafka wird diskutiert, um die Datenintegration und -analyse zu optimieren. Der Fachtext hebt sich durch seine detaillierte technische Tiefe und die praktischen Anwendungsbeispiele aus, die einen tiefgehenden Einblick in die aktuellen Herausforderungen und Lösungen der Datenintegration in der Produktionsindustrie bieten.
    12. Smart and Adaptive Interfaces for Inclusive Factory Environments

      Frieder Loch, Christopher Brandl, Julia Czerniak, Cesare Fantuzzi, Alexander Mertens, Florian Morlok, Verena Nitsch, Lorenzo Sabattini, Valeria Villani, Birgit Vogel-Heuser
      Das Kapitel untersucht die Herausforderungen des demografischen Wandels und die Notwendigkeit einer inklusiveren Fabrikumgebung. Es stellt das INCLUSIVE-Projekt vor, das adaptive Benutzeroberflächen und Schulungssysteme für industrielle Anwendungen entwickelt. Das Projekt konzentriert sich auf die Messung von Benutzerfähigkeiten, Erfahrung und kognitiver Belastung, um Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs) entsprechend anzupassen. Es präsentiert eine technische Architektur mit Modulen zur Messung, Anpassung und Schulung und diskutiert beispielhafte Anwendungsfälle wie die Holzbearbeitungsmaschine SCM Accord 40 FX. Das Kapitel unterstreicht die Bedeutung von Echtzeitmessungen, längsschnittlichen Nutzerprofilen und adaptiven Schulungssystemen für die Schaffung eines integrativeren und effizienteren industriellen Umfelds. Es schließt mit der Betonung der potenziellen Auswirkungen dieser adaptiven Systeme auf Fertigungsprozesse und Produkte, was das Kapitel zu einer fesselnden Lektüre für Fachleute macht, die an innovativen Lösungen für integrative und adaptive Fabrikumgebungen interessiert sind.
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Titel
Handbuch Industrie 4.0
Herausgegeben von
Birgit Vogel-Heuser
Michael ten Hompel
Thomas Bauernhansl
Copyright-Jahr
2024
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-58528-3
Print ISBN
978-3-662-58527-6
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-58528-3

Informationen zur Barrierefreiheit für dieses Buch folgen in Kürze. Wir arbeiten daran, sie so schnell wie möglich verfügbar zu machen. Vielen Dank für Ihre Geduld.

    Marktübersichten

    Die im Laufe eines Jahres in der „adhäsion“ veröffentlichten Marktübersichten helfen Anwendern verschiedenster Branchen, sich einen gezielten Überblick über Lieferantenangebote zu verschaffen. 

    Bildnachweise
    MKVS GbR/© MKVS GbR, Nordson/© Nordson, ViscoTec/© ViscoTec, BCD Chemie GmbH, Merz+Benteli/© Merz+Benteli, Robatech/© Robatech, Ruderer Klebetechnik GmbH, Xometry Europe GmbH/© Xometry Europe GmbH, Atlas Copco/© Atlas Copco, Sika/© Sika, Medmix/© Medmix, Kisling AG/© Kisling AG, Dosmatix GmbH/© Dosmatix GmbH, Innotech GmbH/© Innotech GmbH, Hilger u. Kern GmbH, VDI Logo/© VDI Wissensforum GmbH, Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG/© Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG, ECHTERHAGE HOLDING GMBH&CO.KG - VSE, mta robotics AG/© mta robotics AG, Bühnen, The MathWorks Deutschland GmbH/© The MathWorks Deutschland GmbH, Spie Rodia/© Spie Rodia, Schenker Hydraulik AG/© Schenker Hydraulik AG