Handbuch Industrie 4.0 Bd.1 (eBook)

Professor Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser leitet den Lehrstuhl für Automatisierung und Informationssysteme der Technischen Universität München.Professor Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl leitet das Institut für industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb IFF der Universität Stuttgart und das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart. Er ist Mitglied im Strategiekreis Plattform Industrie 4.0 der Bundesregierung sowie stellvertretender Vorsitzender des Lenkungskreises Allianz Industrie 4.0 BW.Professor Dr. Michael ten Hompel ist Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts für Materialfluss und Logistik (gf) und des Fraunhofer ISST und Ordinarius des FLW der TU Dortmund. Zuvor gründete er das Software-Unternehmen GamBit, das er bis zum Jahr 2000 führte. Er gilt als einer der Väter des Internet der Dinge, ist Mitglied der „Logistik Hall of Fame“ und wiss. Beirat der nationalen Plattform Industrie 4.0.

Vorwort des Verlags 8
Vorwort zur 2. Auflage 10
Herausgeber und Autoren 13
Die Herausgeber 13
Die Autoren 13
Inhaltsverzeichnis 39
Mitarbeiterverzeichnis 42
Teil I: Industrie-4.0-Anwendungsszenarien 45
Use Case Production 46
1 Einleitung 46
2 Computer Integrated Manufacturing (CIM) 47
3 Lean Production 48
3.1 Beseitigung der Grundverschwendung in der Produktion 48
3.2 Perfekte fließende Prozesse, standardisierte Arbeitsabläufe 49
3.3 Definition und Einführung des SEW-Wertschöpfungssystems 51
3.3.1 Gestaltungsprinzip 1: Ordnung, Sauberkeit, Ergonomie und Sicherheit 53
3.3.2 Gestaltungsprinzip 2: Optimierung der Abläufe in den Geschäftsprozessen 53
3.3.3 Gestaltungsprinzip 3: Visuelles Management und Kommunikation 54
3.3.4 Gestaltungsprinzip 4: Ständige Verbesserung der betrieblichen Leistung 55
3.3.5 Gestaltungsprinzip 5: Arbeitsorganisation, Führung und Motivation 55
3.4 Ausbau zur Wertschöpfungs- und Prozessorientierung 56
3.5 Prozess- und wertstromorientierte Unternehmensgestaltung 57
4 Industrie 4.0 57
4.1 Smart Factory nach Industrie 4.0 - Visionslayout 59
4.2 Technologiebaukasten für die Umsetzung von Industrie 4.0 59
4.3 SEW-Schaufenster Industrie 4.0 in Graben-Neudorf 61
4.3.1 Industrie 4.0 - Praktische Anwendung in der Logistik 62
4.3.2 Industrie 4.0 - Praktische Anwendung in der Montage 62
4.3.3 Industrie 4.0 - Praktische Anwendung in der zerspanenden Fertigung 64
4.4 Industrie 4.0 und die Rolle des Menschen 64
5 Zusammenfassung 67
Literatur 67
Wandlungsfähige Produktionssysteme für den Automobilbau der Zukunft 69
1 Motivation wandlungsfähige Produktionssysteme 69
2 Flexibilität versus Wandlungsfähigkeit 70
3 Innovative Automatisierungslösungen in der Mercedes-Benz-Produktion 71
3.1 Neuartiges Anlagen- und Montagekonzept zur Hinter-achsmontage der C-Klasse durch kooperierende Roboterteams 71
3.2 Montage Zylinderkopf Diesel-Vierzylinder 73
3.3 Objektgekoppeltes Mechanisierungs-System (OGMS) 76
4 Wandlungsfähigkeit durch sensitive Robotik 76
4.1 Potenziale Leichtbauroboter und Sensitivität 78
4.2 Weltweit erste Serienproduktion mit sensitivem Roboter: Mercedes-Benz Hinterachsgetriebemontage 79
4.3 Robot Farming: von sensitiver Automatisierung zur umfassenden Mensch-Roboter-Kooperation 80
5 Forschungsfabrik ARENA2036 Wandlungsfähigkeit durch integrierte Produkt- und Produktionsgestaltung für die nächste Generatio... 80
5.1 Motivation 80
5.2 Forschungscampus ARENA2036 - Partner, Ziele 82
5.3 Forschungsinhalte 82
Literatur 86
Teil II: Cyber-physische Produktionssysteme (CPPS) 87
iBin - Anthropomatik schafft revolutionäre Logistiklösungen 88
1 Motivation 88
2 Systembeschreibung iBin 92
3 Ausblick 95
Literatur 100
Steuerung aus der Cloud 101
1 Einleitung 101
2 Defizite bisheriger Steuerungssysteme 102
3 Cloudbasierte Steuerungssysteme 105
4 Kommunikation zwischen cloudbasierter Steuerung und Maschine 108
5 Anwendung von cloudbasierter Steuerungstechnik 112
Literatur 113
Cyberphysische Systeme für die prädiktive Instandhaltung 115
1 Smarte Komponenten für die Instandhaltung 119
2 Smarte Planungssysteme für die Instandhaltung 121
3 Smarte Benutzerschnittstellen für die Instandhaltung 125
4 Fazit 130
Literatur 130
Teil III: Vertikale und horizontale Integration der Wertschöpfungskette 132
Horizontale Integration der Wertschöpfungskette in der Halbleiterindustrie 133
1 Eigenschaften von Wertschöpfungsnetzwerken in der Halbleiterindustrie 133
2 Realisierung eines integrierten Wertschöpfungsnetzwerks 136
3 Chancen und Herausforderungen der horizontalen Integration 138
4 Zusammenfassung und Ausblick 140
Literatur 141
Teil IV: Sozio-technische Systeme in der Industrie 4.0 142
Safety in der Industrie 4.0 143
1 Einleitung 143
2 Safety-Herausforderungen 144
2.1 IEC 61508 145
3 Modulare Sicherheitsnachweise für flexible Baukastensysteme 148
3.1 Modulare Fehlerbaumanalyse 149
3.2 Modulare FMEA 151
3.3 Modulare Sicherheitskonzepte und -nachweise 153
4 Laufzeitzertifizierung für die dynamische Anlagenkonfiguration 156
5 Zusammenfassung 158
Literatur 159
Weiterbildung für die Industrie 4.0 160
1 Industrie 4.0 (I4.0): Vorstellungen u. Anwendungsfelder 160
2 Szenarien und mögliche Entwicklungspfade 163
2.1 Instandhaltung 165
2.2 Montage 166
3 Ermittlung von Kompetenzanforderungen in der Industrie 4.0 168
4 Weiterbildung in der Industrie 4.0 170
Literatur 172
Verkürzte Entscheidungsfindung in der Produktion 174
1 Einführung 174
2 Existierende Ansätze zur Remoteunterstützung 176
3 Anwendungsfokus 177
3.1 Architektur 178
3.2 Prototypische Umsetzung einer mobilen Remote-Applikation 181
4 Ausblick 185
Literatur 186
Der Mensch in der Industrie - Innovative Unterstützung durch Augmented Reality 187
1 Datenflut in der Industrie 4.0 187
2 Erweiterte Realität im industriellen Einsatz 189
2.1 Ziele für den Einsatz von Augmented Reality im industriellen Umfeld 190
2.2 Industrielle Einsatzmöglichkeiten von Augmented Reality 192
2.3 Nutzen von Augmented Reality für den Menschen in der Industrie 193
2.4 Nutzen von Augmented Reality für Unternehmen 195
2.5 Best Practices für den industriellen Augmented Reality Einsatz 197
3 Das Forschungsprojekt SmARPro 198
3.1 Entwicklung einer Gesamtlösung für den Einsatz von Augmented Reality in Produktion und Logistik 199
3.2 Mehrwert der SmARPro-Lösung für Mitarbeiter und Unternehmen 202
4 Zukunftsaussichten für Augmented Reality in der Industrie 203
5 Fazit 206
Literatur 206
Teil V: Plattformen für Industrie 4.0 und IT-Sicherheit 209
Sichere Industrie-4.0-Plattformen auf Basis von Community-Clouds 210
1 Industrie 4.0: Vom Konzept zur Infrastruktur 210
2 Virtual Fort Knox - Baden-Württembergs Industrie-4.0-Plattform für die Kooperation im Maschinen- und Anlagenbau 212
3 Technische Kernelemente 214
3.1 Referenzarchitektur 215
3.2 Prototypische Umsetzung der Referenzarchitektur 217
3.3 Der Manufacturing Service Bus 220
3.4 IT-Sicherheitstechnologie 222
4 Vertrauen und Akzeptanz: Das Vertrauensmodell des VFK 223
4.1 Subjektive Wahrnehmungen als Kernelement einer technischen Plattform 223
4.2 Umsetzung 225
4.3 Sicherheitsarchitektur 226
4.4 VFK-Sicherheitsorganisation 229
4.5 Erhaltung von Vertrauen und Akzeptanz 230
5 Geschäftsmodelle für eine digitale Industrie-Infrastruktur 231
5.1 Bewertung und Überarbeitung der Geschäftsmodellvarianten 235
5.2 Bewertung des VFK-Geschäftsmodells 236
6 Ausblick 236
Literatur 237
Teil VI: Einführungsszenarien zur Industrie-4.0-Fertigung 238
SPS-Automatisierung mit den Technologien der IT-Welt verbinden 239
1 Einführung 239
2 Bedeutung von Maschinensoftware 240
2.1 Flexibilität durch offene Schnittstellen 240
2.2 Vernetzung mit der Unternehmens-IT 241
2.3 Grenzen aktueller Lösungen 241
3 Open Core Engineering 242
3.1 Elemente von Open Core Engineering 242
3.2 Open Core Interface - Brücke zwischen SPS- und IT-Automation 243
3.2.1 Individuelle Apps 244
3.2.2 Rapid Control Prototyping 245
3.2.3 Nutzung windows-basierter Anwendungen auf Produktionsebene 246
3.2.4 Entwicklung individueller Echtzeitfunktionen 246
3.2.5 Open Core Interface - Supportstruktur als Potenzial 246
4 Maschinensoftware - Potenziale für Industrie 4.0 247
Literatur 248
Von der Automatisierungspyramide zu Unternehmenssteuerungs-Netzwerken 250
1 Anforderungen an die Unternehmens-IT 252
2 Chancen und Voraussetzungen künftiger Einsatzszenarien 253
2.1 Durchgehende digitale Unternehmensprozesse 253
2.2 Integration von Top Floor und Shop Floor 254
2.3 Wertschöpfungsnetzwerke in Echtzeit 255
3 Fazit 256
Literatur 257
Migration zur Industrie- 4.0-Fertigung 258
1 Am Anfang steht die Komplexität 258
2 Ausgangssituation für Industrie 4.0-Migrationsszenarien 259
2.1 Ausgangssituation Fabrik 259
2.2 Ausgangssituation Produktions-IT 260
2.3 Ausgang.ssituation Produktionsautomatisierung 262
2.4 Ausgangssituation Informations- und Kommunikationstechnologie 263
3 Industrie 4.0-Readiness: Vorgehensmodell für die Industrie 4.0-Migration 264
3.1 Aufnahme und Analyse der zu betrachtenden Prozesse 266
3.2 Ermittlung Industrie 4.0-Readiness 267
3.3 Umsetzungsplanung 268
4 Migrationsszenarien 269
4.1 Migrationsszenario: Cloud und Apps statt Datenbank und Suite 269
4.2 Migrationsszenario: Einführen einer Tracking-Lösung 270
5 Zusammenfassung und Ausblick 272
Literatur 273
Teil VII: Digitalisierung der Wertschöpfung 274
Geschäftsmodell-Innovationen 275
1 Einleitung 275
2 Technologie- und Nutzenfelder der Industrie 4.0 277
3 Geschäftsmodellorientierung in produzierenden Unternehmen 278
3.1 Neue Erfolgslogik für Geschäftsmodelle 280
3.2 Die Macht der Daten nutzen 282
4 Entwicklung von Geschäftsmodellszenarien 284
4.1 Bewertung und Einordnung möglicher Szenarien 285
5 Geschäftsmodell-Innovation in der Praxis: Beispiel 365Farmnet 287
6 Fazit 288
Literatur 288
Sachverzeichnis 291