Handbuch Industrie 4.0 Bd.4 (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 wissenschaftlicher Beirat der nationalen Plattform Industrie 4.0.

Vorwort des Verlags 8
Vorwort zur 2. Auflage 10
Inhaltsverzeichnis 14
Die Vierte Industrielle Revolution – Der Weg in ein wertschaffendes Produktionsparadigma 22
1 Warum der industrielle Wettbewerb zunimmt und die Welt der Produktion komplex wird 22
1.1 Industrielle Revolutionen der letzten 260 Jahre 22
1.2 Beitrag der Industrie zum Erfolg von Volkswirtschaften 25
1.3 Die Nachfrageseite des Wachstums 27
1.4 Die Angebotsseite des Wachstums 28
1.5 Die Wende der Produktionsfaktoren 28
2 Wie Komplexität von der Fraktalen zur Smarten Fabrik führt 31
2.1 Komplexitätsfelder im Wertschöpfungsnetz 32
2.2 CPS als Basis der Smarten Fabrik 32
2.3 Warum wird das Konzept der Smart Factory Erfolg haben? 34
3 Wie cyber-physische Systeme die Planung und den Betrieb von Fabriken verändern 35
3.1 Planung 36
3.2 Wertschöpfungsstrukturen 38
3.3 Umsetzungsbeispiele 39
3.4 Multi-modale Mensch-Maschine-Schnittstelle 41
4 Warum Echtzeitnähe und XaaS der Schlüssel für das neue Produktions-Paradigma sind 42
4.1 Die vier Lebenszyklen der Produktion 42
4.2 Von der Automatisierungspyramide zum service-orientier-ten Netz 43
4.3 Virtual Fort Knox 44
4.4 Zwischenfazit 47
5 Wie die marktgetriebene Migration in die Vierte Industrielle Revolution erfolgreich sein kann 47
5.1 Abschätzung der Kostenpotenziale 48
5.2 Wie sollten Unternehmen vorgehen? 49
6 Fazit 50
7 Literatur 51
Herausforderungen und Anforderungen aus Sicht der IT und der Automatisierungstechnik 53
1 Einführung 53
2 Was ermöglichen CPS für Industrie 4.0? 53
3 Was müssen CPS für Industrie 4.0 können? 55
3.1 Architekturmodelle (Referenzarchitektur) 56
3.2 Kommunikation und Datendurchgängigkeit 57
3.3 Intelligente Produkte und adaptive intelligente Produktions-einheiten 58
3.4 Informationsaggregation und -aufbereitung für den Men-schen 61
4 Literatur 63
Use Case Industrie 4.0-Fertigung im Siemens Elektronikwerk Amberg 65
1 Das Elektronikwerk Amberg (EWA) 65
1.1 Vision und Strategie 66
1.2 Lösungsansätze aus Industrie 4.0 für unsere Herausforde-rungen 66
1.3 Der Mensch ist das Maß aller Dinge (Protagoras) 69
1.4 Quality first 71
2 Produktionsautomatisierung 72
2.1 Der Startpunkt der Automatisierung 72
2.2 Die vertikale Integration 73
2.3 Die durchgehende Codierung und Identifizierung 75
2.4 Autonomiebewegung beim Produkt 76
2.5 Losgröße 1 ist bei Industrie 4.0 enthalten 77
3 Mensch-Maschine-Interaktion 79
3.1 Alle Maschinen online mit EWA-Kommunikationsstandard Comesco 79
3.2 Augmented Reality, Suchen und Zuordnen ist Vergangenheit 81
4 Der automatisierte Informationsfluss am Arbeitsplatz in der Produktion 83
5 DataMining 85
5.1 Automatisierte Auswertung der laufenden Prozessdaten, das Watchdog-Prinzip 85
5.2 Mit der Maus in die Tiefe, das Drill-Down-Prinzip 86
5.3 Lückenlose Auswertung aller Prozessparameter, das Prin-zip Objektidentifikation 87
6 Lessons Learned, wir machen weiter 87
Enabling Industrie 4.0 – Chancen und Nutzen für die Prozess-industrie 90
1 Einleitung 90
2 Gründe für Industrie 4.0 in der Prozessindustrie 90
3 Anwendungsszenario „Datenaggregation in der Verfahrens-technik“ 93
4 Sicht der Gerätehersteller 93
5 Technologien und Lösungsansätze 96
5.1 Vernetzungsarchitekturen und Austauschformate 97
5.2 Data Mining für gerätespezifische und prozessübergreifen-de Diagnose 99
6 Literatur 102
Vom fahrerlosen Transportsystem zur intelligenten mobilen Auto-matisierungsplattform 103
1 Einleitung 103
2 Heutige fahrerlose Transportsysteme 103
2.1 Einsatzszenarien von fahrerlosen Transportsystemen 103
2.2 Modellvielfalt und Systemintegration 104
2.3 Navigationstechnologien 105
3 Herausforderungen für FTS im Kontext von Industrie 4.0 106
3.1 Neue Anwendungsszenarien für mobile Systeme 106
3.2 Hoher Installationsund Integrationsaufwand von mobilen Systemen 107
3.3 Bedarf an standardisierten Systemen 108
3.4 Intelligente Fahrzeuge vs. intelligente Systeme 109
4 Aktuelle Entwicklungen zu mobilen Automatisierungsplatt-formen 109
4.1 ROS als Softwareplattform 109
4.2 Standardisierte Entwicklungsplattformen 110
4.3 Flexible Navigationssysteme 111
4.4 Mobile Produktionsassistenten 113
5 Mobilität als neues Potenzial von Automatisierungs-systemen 113
5.1 Vom Transportsystem zur mobilen Applikationsplattform 113
5.2 Ausblick 114
6 Literatur 114
Adaptive Logistiksysteme als Wegbereiter der Industrie 4.0 116
1 Auf dem Weg zur adaptiven Logistik 116
2 Innovative Technologien für die Logistik von Morgen 117
2.1 Wandelbare Logistiksysteme nutzen Technologien des Internets der Dinge und Dienste 118
2.2 Umsetzung cyber-physikalischer Materialflusssysteme 122
3 Der Mensch als Akteur in cyber-physikalischen Logistiksys-temen 128
3.1 Cyber-physikalische Logistiksysteme erfordern den „Logis-t 128
3.2 Menschorientierte cyber-physikalische Logistiksysteme in der Praxis 131
4 Logistik für die Industrie 4.0 Mensch und Maschine im smarten Zusammenspiel 140
5 Literatur 140
Die horizontale Integration der Wertschöpfungskette in der Halblei-terindustrie – Chancen und Herausforderungen 143
1 Eigenschaften von Wertschöpfungsnetzwerken in der Halb-leiterindustrie 143
2 Realisierung eines integrierten Wertschöpfungsnetzwerks 146
3 Chancen und Herausforderungen der horizontalen Integra-tion 148
4 Zusammenfassung und Ausblick 151
5 Literatur 151
IT-Sicherheit und Cloud Computing 152
1 Einleitung 152
1.1 Eingebettete, vernetzte Komponenten 152
1.2 Big Data und Cloud-Computing 154
1.3 Herausforderungen für die IT-Sicherheit 155
1.4 Cloud-Computing im Kontext von Industrie 4.0 156
2 Anforderungen an Cloud-Systeme 158
2.1 Einsatz von Cloud Computing in Industrie 4.0 159
2.2 Verfügbarkeit der Dienste und Daten 165
2.3 Unversehrtheit der Daten 166
2.4 Geheimhaltung vertraulicher Daten 169
3 Lösungsansätze und Forschungsbedarfe 171
3.1 Sicherstellung der Datenintegrität durch sichere HardwareModule 173
3.2 Produktund Know-how-Schutz 174
3.3 Erhöhung der Verfügbarkeit und Integrität von Daten in derCloud 176
3.4 Beschränkung von Datenzugriffen in der Cloud 177
3.5 Suchen in verschlüsselten Datenbeständen 179
3.6 Vertrauliche, privatsphärenbewahrende Zusammenarbeit mehrerer Parteien 181
4 Zusammenfassung und Ausblick 182
5 Literatur 184
iProduction, die Mensch-Maschine-Kommunikation in der Smart Factory1 187
1 Zur Rolle des Menschen in der Produktion von morgen 187
1.1 Vollautomatisierung wird kürzeren Produktlebenszyklen nicht gerecht 189
1.2 Assoziationsfähigkeit des Menschen vs. Künstliche Intelli-genz (KI) 189
1.3 Nutzung mobiler Kommunikationstechnik im Arbeitskontext 191
1.4 Potenziale von Social Media in der Produktion 192
1.5 Möglichkeiten der Unterstützung der Mitarbeiter durch mo-bile Assistenz 194
2 Beispielszenario aus einer Smart Factory 196
3 Informationsbereitstellung für die Funktionsträger in der Produktion 200
4 Produktionsdatenintegration bei heterogenen Maschinen-parks 205
4.1 Schritt 1: Datenerfassung 205
4.2 Schritt 2: Datenzuordnung 206
4.3 Schritt 3: Daten-Interpretation 207
4.4 Transformation von Maschinendaten in Betriebszustände 211
4.5 Architekturansatz zur Meldeverküpfung 214
5 Literatur 216
Mensch-Maschine-Interaktion 217
1 Einleitung 217
2 Stand der Technik in der Mensch-Roboter-Interaktion 217
2.1 Informatorische Interaktion von Mensch und Roboter 217
2.2 Physische Interaktion von Mensch und Roboter 219
3 Technologiebedarf und offene Forschungsfragen 220
3.1 Datenmodelle für die Nutzung von Robotern in Industrie 4.0Anwendungen 220
3.2 Semantische Integration der Komponenten eines Roboter-systems 222
3.3 Erkennung von Handgesten und kinematischen Parametern des Menschen 223
3.4 Sensoren als cyber-physische Systeme 224
3.5 Sicherheit kollaborativer Roboteranlagen im Kontext von Industrie 4.0 225
3.6 Wirtschaftlichkeit 226
4 Aktuelle Forschungsansätze 226
5 Neue Anwendungsszenarien 228
6 Literatur 231
Mensch-Maschine-Interaktion im Industrie 4.0-Zeitalter 232
1 Einleitung 232
2 Repräsentationsformen einer cyber-physischen Welt 235
3 Interaktionsformen einer cyber-physischen Welt 236
4 Mobile, kontext-sensitive Benutzungsschnittstellen 238
5 Adaptive, lernende Assistenzsysteme 242
6 Entwicklungsparadigmen für I4.0-Benutzungsschnittstellen 244
7 Entwicklung herstellerund plattformübergreifender Benut-zerschnittstellen 246
8 Zusammenfassung 248
9 Literatur 249
Chancen von Industrie 4.0 nutzen 250
1 Einführung 250
2 Die vierte industrielle Revolution 251
3 Chancen für den deutschen Wirtschaftsstandort 254
3.1 Ökonomische Chancen 254
3.2 Ökologische Chancen 255
3.3 Soziale Chancen 255
4 Smart Data und Smart Services 255
5 Akzeptanz als Herausforderung 257
5.1 Sicherheit 257
5.2 Privatsphäre 258
5.3 Bedeutung von MINT 258
6 Schlussfolgerung 259
7 Literatur 260
Logistik 4.0 – Ein Ausblick auf die Planungund das Management der zukünftigen Logistik vor demHintergrund der vierten industri ellen Revolution 262
1 Einleitung 262
2 Die Vision vom Internet der Dinge in der Logistik 262
3 Planung 4.0 und die Trennung von normativer und operativerEntscheidungsebene 263
4 Supply Chain Management 4.0 oder das Dilemma der standardisiertenZukunft 265
5 Industrielles Management 4.0 – von der Selbststeuerung zurSelbstgestaltung 268
6 Mensch und Logistik 4.0 – die Vision einer „Social NetworkedIndustry“ in der Folge von Industrie 4.0 271
7 Literatur 272
Industrie 4.0 – Anstoß, Vision, Vorgehen 273
Literatur 282