Handbuch Industrie 4.0 Bd.2 (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
Herausgeber und Autoren 13
Die Herausgeber 13
Die Autoren 13
Inhaltsverzeichnis 39
Mitarbeiterverzeichnis 43
Teil I: Industrie-4.0-Anwendungsszenarien 47
Industrie 4.0 in der praktischen Anwendung 48
1 Das Internet der Dinge in der industriellen Produktion 48
1.1 Sichtweisen des Internet der Dinge 48
2 Technologieparadigmen zur Verringerung der Medienbrüche in der Fabrik 50
2.1 Das intelligente Produkt 51
2.2 Die intelligente Maschine 52
2.3 Der assistierte Bediener 53
3 Anwendungsbeispiele 54
3.1 Öffentlich geförderte Forschungsprojekte 54
3.2 Anwendungsfall Intralogistik 54
3.2.1 Motivation und Szenario 55
3.2.2 Nutzenbetrachtung 57
3.2.3 Umsetzung 57
3.3 Produktionsplanung und Eskalationsmanagement 59
3.3.1 Motivation und Szenario 59
3.3.2 Nutzenbetrachtung 61
3.3.3 Umsetzung 61
3.4 Verteilte Anlagensteuerung in der SmartFactoryKL 62
3.4.1 Motivation und Szenario 63
3.4.2 Nutzenbetrachtung 65
3.4.3 Umsetzung 65
4 Bewertung und Ausblick 66
4.1 Kerninnovation bei Industrie 4.0 spezifischer Produktionsoptimierung 66
4.2 Zentrale Rolle des Menschen 68
4.3 Notwendigkeit von Infrastruktur 69
4.4 Stufen der Fabrikprozessoptimierung durch Informationsverfügbarkeit 71
5 Zusammenfassung 72
Literatur 73
Agentenbasierte dynamische Rekonfiguration von vernetzten intelligenten Produktionsanlagen 75
1 Industrie 4.0 Demonstrator MyJoghurt 75
2 Szenarien und daraus resultierende Herausforderungen 77
2.1 Produktion: Auftragserteilung und -verteilung 78
2.2 Sicherung der Produktqualität 79
2.3 Prozessoptimierung 80
2.4 Diagnose 81
2.5 Rekonfiguration 82
3 Aufbau des Demonstrators und prinzipieller Ablauf 83
4 Agentenbasierter Kopplungsansatz der Modellfabriken 84
Literatur 87
Anwendungsbeispiele zur Integration heterogener Steuerungssysteme bei robotergestützten Industrieanlagen 89
1 Einleitung 89
2 Programmierung 91
2.1 Online-Programmierung 91
2.2 Offline-Programmierung 92
2.3 Programmieren auf Taskebene und skillbasierte Programmierung 93
3 Kommunikation und Integration von Sensoren und Aktoren 95
3.1 Sensorgeführte Positionierung von Robotersystemen im Umfeld großer Typenvielfalt 96
3.2 Einsatz von OPC UA 100
4 Fazit 100
Literatur 101
„Plug and Produce`` als Anwendungsfall von Industrie 4.0 103
1 Der Einfluss von Industrie 4.0 auf die Automation 103
2 „Plug and Produce`` für industrielle Steuerungsprozesse 106
3 „Plug and Produce`` für industrielle Echtzeitnetzwerke 110
4 Zusammenfassung 114
Literatur 114
Teil II: Cyber-physische Systeme im Betrieb 116
Steigerung der Kollaborationsproduktivität durch cyber-physische Systeme 117
1 Einleitung 117
2 Herausforderungen in der Produktionssteuerung 118
3 Kollaborationsproduktivität in cyber-physischen Systemen 121
4 Ansätze zu Industrie 4.0 im Management 122
4.1 Hochauflösende Daten aus der Produktion nutzen 123
4.2 Cloudbasierte und echtzeitfähige Simulation der Abläufe in der Produktion 125
4.3 Interaktive Visualisierungen in der Produktion 126
4.4 Schnelle Umsetzung durch Transparenz und Kommunikation 127
5 Anwendungsszenarien 130
5.1 Hochauflösende Daten aus der Produktion nutzen 130
5.2 Mensch-Maschine-Interaktion 132
Literatur 134
Agentenorientierte Verknüpfung existierender heterogener automatisierter Produktionsanlagen durch mobile Roboter zu einem Indu... 135
1 Motivation 135
1.1 Reduzierung der Losgröße und Flexibilisierung der Produktion 135
1.2 Beschreibung der verknüpften Produktion- und Transportmittel für die Demonstration einer verteilten Produktion 136
2 Konzept für die Verknüpfung der Produktions- und Transportmittel 138
2.1 Beschreibung Referenzarchitektur 139
2.2 Modellbasiertes Vorgehen in der Entwicklung eines Agentensystems 139
2.3 Management der Aufträge 147
3 Umsetzung für den Demonstrator Robot Integrated Agent Network (RIAN) 148
3.1 Implementierung der Agentenplattform 148
3.2 Implementierung der Produktions- und Transportagenten 148
3.3 Kommunikation über die Agentenplattform 149
4 Evaluation an dem RIAN-Demonstrator 150
4.1 Architektur und Portabilität der Agentenplattform 150
4.2 Lessons learned 150
4.3 Steigerung der Flexibilität 153
4.4 Akzeptanz bei den Nutzern 154
5 Überblick und Entwicklungen 157
5.1 Überblick 157
5.2 Entwicklung und Forschungsbedarf 158
Literatur 159
High Performance Automation verbindet IT und Produktion 161
1 Einordnung 161
2 Anforderungen an die zukünftige Produktion 162
3 Anforderungen an zukünftige Automatisierungstechnik 163
4 Notwendige Voraussetzungen für Industrie 4.0 163
5 High Performance Automation 165
5.1 Rechenleistung 165
5.2 Prozesskommunikation 167
5.3 Eine neue Klasse der Automatisierungstechnologie 171
6 Kommunikation - die Welt trifft sich auf dem PC 175
7 Ontologie und Taxonomie für Fertigungsschritte und Abläufe als notwendige Elemente für Industrie 4.0 178
8 Vielfältige Standards in Industrie 4.0 Umgebungen 183
9 Zusammenfassung 183
Literatur 185
PC-basierte Steuerungstechnik als Basis für intelligente vernetzte Produktionssysteme 187
1 Produktionstechnik im Wandel 187
2 PC-basierte Steuerungstechnik 189
3 Vernetzte Smart Factories 190
3.1 Anwendungsszenario - Bearbeitungszentrum 191
3.2 Horizontale und vertikale Kommunikation 192
3.3 Intelligenz durch Scientific Automation 192
3.4 Intelligente Bedienkonzepte 194
4 Performante Steuerungstechnik 195
4.1 Steuerungsarchitektur einer Smart Factory mit Many-Core-Rechner 196
4.2 Steuerungskonzepte mit Many-Core-Rechnern 197
5 Scientific Automation - its OWL-ScAut 198
5.1 Condition Monitoring 200
5.2 Robotik 202
6 Durchgängiges integratives Engineering 202
6.1 Engineering 203
6.2 Integration von Entwicklungswerkzeugen 204
6.3 Objektorientierung und Modularisierung 205
6.4 Modellbildung und Simulation 205
Literatur 207
Teil III: Engineering-Aspekte in der Industrie 4.0 208
ClipX: Auf dem Weg zur Industrialisierung des Schaltschrankbaus 209
1 Reihenklemme, Klemmenleiste und Schaltschrank - Eine Übersicht 209
1.1 Der Schaltschrank 209
1.2 Klemmenleisten und bestückte Tragschienen 210
2 Prozesskette im Schaltschrankbau 212
2.1 Planung und Entwicklung von Schaltschränken 212
2.2 Vorbereitung und Konfektionierung von Schaltschrank und Schaltschrankplatten 214
2.3 Konfektionierung von Tragschienen 214
2.4 Bestückung der Tragschienen mit elektrischen und elektronischen Komponenten 214
2.5 Erstellung von und Bestückung mit Beschriftungsmaterial 215
2.6 Bestückung mit weiterem Zubehörmaterial 215
2.7 Montage der Baumodule und Komponenten auf den Schaltschrankplatten oder im Schaltschrank 215
2.8 Konfektionierung von Drähten und Leitungen sowie Verdrahtung 215
2.9 Überprüfung des kompletten Schaltschrankaufbaus 216
2.10 Zwischenfazit 216
3 Schaltschrankbau trifft auf Industrie 4.0 217
3.1 Lösungsansätze zur Industrialisierung des Schaltschrankbaus 217
3.2 Befähiger Datendurchgängigkeit 218
3.2.1 Der digitale Artikel 218
3.2.2 Die digitale Produktbeschreibung 219
4 Umsetzungsbeispiele aus der Praxis 221
4.1 Automatisierte Produktion bestückter Tragschienen 221
4.2 Technologiedemonstrator im Spitzencluster its OWL 224
5 Fazit 225
Literatur 226
Integrationsplattform 228
1 Einführung 229
2 Anwendungsfälle 232
3 Bedarfe zu bruchlosen Modellen und durchgängigen Werkzeugketten 236
4 Herstellerneutrale Integrationsplattform 238
5 Vergleich der Lösungsansätze 243
6 Prozessunterstützung 246
7 Zusammenfassung und Ausblick 247
Literatur 249
AutomationML in a Nutshell 252
1 Einleitung 253
2 Abgedeckter Entwurfsprozess und dessen Entwurfsdaten 256
3 Anwendungsbeispiel 261
4 Grundlegende Architektur von AutomationML 262
5 Modellierung der Systemtopologie und der Systemelemente 266
6 Integration von Objektsemantik 273
7 Geometrie und Kinematik 278
8 Verhaltensmodellierung 280
9 Modellierung von Netzwerken 284
10 Integration von weiteren, externen Informationen 292
11 Anwendungsprozess 292
12 Zusammenfassung 295
Literatur 295
Qualitätssicherung 298
1 Einleitung 298
2 Projektrollen und Bedarfe 302
3 Integrierte Datenmodelle und Daten 305
4 Fokussierte Inspektionen 306
5 Beobachtung kritischer Prozess- und Projektparameter 308
6 Projektbeobachtung für Projekt- und Qualitätsmanagement 312
7 Zusammenfassung und Ausblick 314
Literatur 316
Integration von Automatisierungsgeräten in Industrie-4.0-Komponenten 318
1 Einleitung 318
2 I40 Komponenten 321
3 Modell der AT-Geräte 322
4 Informationstechnische Beschreibung für AT-Geräte - Gerätebeschreibungen 325
5 Anwendungsbeispiel 329
6 Zusammenfassung 329
Literatur 331
Beiträge des Semantic Web zum Engineering für Industrie 4.0 332
1 Einleitung 333
2 Eine kurze Einführung in das Semantic Web 335
3 Analyse-Framework 337
3.1 Technologiemerkmale des Semantic Web 338
3.2 Nutzen des Semantic Web 340
4 Die Verwendung von Semantic Web Technologien in industriellen Szenarien 342
4.1 Modellintegration 342
4.2 Konsistenzmanagement von Modellen 344
4.3 Flexibler Vergleich von Engineering-Modellen 346
4.4 Schlussfolgerungen 347
5 Beschränkungen von Semantic Web Technologien 348
6 Zusammenfassung 350
Literatur 351
Diagnose von Inkonsistenzen in heterogenen Engineeringdaten 353
1 Einleitung 353
2 Anwendungsbeispiel 355
3 Anforderungen für das Inkonsistenzmanagement 356
4 Stand der Technik 358
4.1 Modellbasierte Entwicklung von automatisierten Produktionssystemen 359
4.2 Management von Inkonsistenzen in Modellen des mechatronischen Systems 360
5 Konzept zur Diagnose von Inkonsistenzen 363
5.1 Beispielszenario anhand der Pick and Place-Unit (PPU) 364
5.2 Wissensbasiertes System zur Diagnose von Inkonsistenzen 365
6 Diskussion der Ergebnisse und Forschungsgegenstande für zukünftige Arbeiten 368
Literatur 370
Schnittstellen ermöglichen Datenintegration in der Prozessindustrie 373
1 Einführung 373
2 Ein agiler Weg zu einer schnellen Standardisierung von Schnittstellen 375
3 Anwendung des agilen Standardisierungsansatzes am Beispiel der PLT-Stelle 377
4 Standardisierung am Beispiel der Modulintegration 379
5 Use Cases zum Nutzen der Datenintegration im Umfeld von Industrie 4.0 381
Literatur 385
Automatische Generierung von Fertigungs-Managementsystemen 387
1 Einleitung und Problembeschreibung 388
2 Umfeld Lebensmittelindustrie 390
2.1 Herausforderungen der Lebensmittelindustrie 390
2.2 Anforderungen und Ausprägungen von MES in der Lebensmittelindustrie 391
3 Ansätze zur durchgängigen Vernetzung 392
3.1 MES-ML: Die Beschreibungssprache für Fertigungsmanagementsysteme 392
3.2 Weihenstephaner Standards das Informationsmodell der Lebensmittelindustrie 394
4 Anwendungsbeispiel: Der Brauprozess 396
5 Konzept zur automatischen Generierung von Fertigungsmanagementsystemen und Umsetzung in der Domäne Lebensmittelindustrie 397
5.1 Anlagenmodellierung (Technisches System) 398
5.2 Prozessmodellierung 399
5.3 MES-Modellierung 401
5.4 Spezifikationsgenerator 403
5.5 MES-Engineering 404
6 Fazit und Ausblick 404
Literatur 405
Teil IV: Vertikale und horizontale Integration 407
Standardisierte horizontale und vertikale Kommunikation 408
1 Vertikale und horizontale Integration 408
1.1 Ausgangssituation 409
1.2 Mission der OPC Foundation: Interoperabilität 411
1.3 Transport, Sicherheit, Robustheit 411
1.4 Kommunikations-Stack und Skalierbarkeit 412
1.5 Einbindung von Informationsmodellen 413
1.6 Verbreitung und Anwendungen 419
1.7 Anwendung: Vertikal - von der Produktion bis in das SAP 419
1.8 Anwendung: Horizontal - M2M zwischen Geräten der Wasserwirtschaft 421
1.9 Anwendung: Energie-Monitoring 422
1.10 Status - Ausblick 423
Weiterführende Literatur 426
Industrie 4.0 - Chancen und Herausforderungen für einen Global Player 428
1 Die Wiedergeburt der Industrie 428
1.1 Die Siemens-Version der Vision von Industrie 4.0 432
1.2 Die Digital Enterprise Platform 434
2 Kundenbeispiele 438
3 Die Siemens-Roadmap 440
Literatur 442
Modellbasierte Softwareagenten als Konnektoren zur Kopplung von heterogenen Cyber-Physischen Produktionssystemen 443
1 Einführung 443
2 Konzept der (technischen) Softwareagenten 446
3 Konzepte der Modellbasierten Entwicklung 447
4 CPPS-Konnektoren auf der Basis von Softwareagenten 449
5 Zusammenfassung und Ausblick 450
Literatur 451
Semantik durch Merkmale für Industrie 4.0 453
1 Einleitung 453
2 Was bedeutet Semantik? 455
3 Rolle der Semantik beim Informationsaustausch 458
4 Informationsmodell für Syntax und Semantik 461
4.1 Übernahme der Benennungen ins Informationsmodell 461
4.2 Informationsmodell für Merkmale 462
5 Erhöhung der Durchgängigkeit im Engineering durch merkmalbasierte Semantik 465
6 Zusammenfassung 467
Literatur 467
Rahmenwerk zur modellbasierten horizontalen und vertikalen Integration von Standards für Industrie 4.0 469
1 Einleitung 470
2 Das Open-edi Referenzmodell 471
3 Rahmenwerk zur modellbasierten horizontalen und vertikalen Integration von Standards 474
4 Identifizierte BOV- und FSV-Standards nach Open-edi 477
4.1 Die Resource Event Agent Geschäftsontologie 477
4.2 UN/CEFACT Modeling Methodology und Core Components Specification 479
4.3 Der Industriestandard ISA-95 481
4.4 Integration von Modellierungssprachen für Produktionsstätten 483
4.5 Integration von Automatisierungssystemen 485
5 Fazit und Ausblick 486
Literatur 489
Teil V: Datamining und Datenanalyse in der Industrie 4.0 491
Big Smart Data - Intelligent Operations, Analysis und Process Alignment 492
1 Einführung 492
2 Das Internet der Dinge in Industrie 4.0 493
2.1 Nutzung der Maschinendaten zur Sicherstellung der störungsfreien Produktion durch vorhersagende Wartung) 494
2.2 Echtzeitreaktion auf Produktionsdaten auf der Geschäftsebene 495
2.3 Steuerung der Produktion nach Geschäftsbedürfnis 495
2.4 Steuerung der Produktion durch Kommunikation von Maschinen untereinander 496
2.5 Beidseitige Interaktion von Geschäfts- und Produktionsebene 496
2.6 Produktdatenintegration 497
3 Big Data 498
4 Geschäftsprozesse im Kontext Industrie 4.0 499
Literatur 504
Datenanalyse in der intelligenten Fabrik 505
1 Motivation 506
2 Herausforderungen 509
3 Lösungen 510
4 Fallstudien 513
4.1 Fertigungsindustrie 513
4.2 Energieanalyse in der Prozessindustrie 513
4.3 Big Data-Analyse in Verarbeitungssystemen 515
4.4 Flugdaten in der Luftfahrt 517
4.5 Zuverlässigkeit und fehlertolerante Steuerung 519
5 Fazit 520
Literatur 521
Juristische Aspekte bei der Datenanalyse für Industrie 4.0 525
1 Smart Data-Partnerschaften in der Prozessindustrie 525
2 Rechtliche Einordnung von Industriedaten 527
2.1 Eigentum an Daten? 527
2.2 Urheberrechte an Daten 528
2.3 Leistungsschutzrecht für eine Datenbank 529
2.4 Schutz von Daten als Betriebs- und Geschäftsgeheimnisse 529
2.5 Produktsicherheitsrecht 531
3 Vertragliche Gestaltung eines Smart Data-Austauschs 533
3.1 Smart Data-Austausch als Dienstvertrag 534
3.2 Haupt- und Nebenpflichten der Dienstleister 536
3.3 Haupt- und Nebenpflichten der Auftraggeber 538
3.4 Haftungsrisiken im Dienstleistungsverhältnis 538
3.5 Vertragliche Haftungsvereinbarungen 542
3.6 Beendigung des Dienstleistungsverhältnisses zum Smart Data-Austausch 543
4 Andere Partnerschaftskonstellationen für den Smart Data-Austausch 545
4.1 Anlagenbetreiber als Initiator des Smart Data-Austauschs 545
4.2 Dritter als Initiator des Smart Data-Austauschs 547
5 Empfehlungen zur Vertragsgestaltung 549
5.1 Inhalt, Umfang und Ausgestaltung des Vertragsverhältnisses 550
5.2 Bereitstellung der Rohdaten und der Smart Data 550
5.3 Verwendungszwecke der Daten 551
5.4 Schutz von Betriebs- und Geschäftsgeheimnissen 552
5.5 Reduzierung von Haftungsrisiken 552
5.6 Zuordnung von Immaterialgüterrechten 553
6 Ergebnis 553
Literatur 555
Teil VI: Zusammenwirken von Mensch und Maschine in der Industrie 4.0 557
Unterstützung des Menschen in Cyber-Physical Production Systems 558
1 Motivation 558
2 Technologien zur Unterstützung der Mensch-Maschine-Schnittstelle 559
2.1 3D-Prozessdatenvisualisierung 560
2.2 Nutzerorientierte Prozessvisualisierung durch intelligente Anpassung an Handlungsziel und Mensch 562
2.3 Augmented Reality (AR) 564
2.4 Social Networks/Informationssysteme 565
3 Zusammenfassung und Ausblick 567
Literatur 567
Gestaltung moderner Touchscreen-Interaktion für technische Anlagen 569
1 Bedeutung von Touchscreen-Interaktion in der Industrie 4.0 569
2 Ausgangslage 571
2.1 Stand der Technik 571
2.2 Verbreitete Interaktionskonzepte 571
2.3 Normen 572
3 Vorteile und Möglichkeiten moderner Touch-Interaktion 572
3.1 Technisches Potential 572
3.2 Interaktions-Potential 573
3.3 Mobile Bedienung 573
4 Herausforderungen und Einschränkungen beim Einsatz von Touchscreen-Interaktion 574
5 Touchscreen-Gestaltung im industriellen Kontext 578
5.1 Einbau und Platzierung in technischen Anlagen 578
5.2 Grundlagen der ergonomischen Software-Interaktion 579
5.2.1 Wahrnehmungsgerechte Gestaltung 580
5.2.2 Konsistenz 581
5.2.3 Rückmeldung 581
5.2.4 Fehlerverhinderung 581
5.2.5 Effizienz 582
5.3 Grundlagen der ergonomischen Touchscreen-Interaktion 582
5.4 Moderne Touchscreen-Interaktion für technische Anlagen 585
Literatur 587
Integration des Menschen in Szenarien der Industrie 4.0 590
1 Einleitung 590
2 Der Lebenszyklus von Produktionssystemen 593
3 Interaktion von Mensch und Produktionssystem 595
3.1 Einfluss auf den Entwurfsprozess 597
3.2 Einfluss auf den Nutzungsprozess 598
4 Folgerungen 600
Literatur 601
Einsatz mobiler Computersysteme im Rahmen von Industrie 4.0 zur Bewältigung des demografischen Wandels 605
1 Einführung 606
2 Motivation: der demografische Wandel in der Arbeitswelt 607
3 Einordnung von mobilen Systemen und Wearable Computing im Kontext von Ambient Assisted Working 611
3.1 Komponenten von Wearable Computing-Systemen 613
3.2 Stand der Technik bei mobilen Systemen und Wearable Computing im Rahmen von Ambient Assisted Working 615
4 Einsatzfelder von mobilen Systemen und Wearable Computing zur Gestaltung von Ambient Assisted Working 617
4.1 Einsatz von Wearable Computing-Technologien in der Logistik und Instandhaltung 618
4.2 Einsatz funktionsangereicherter Arbeitsschutzkleidung als Teil der persönlichen Schutzausrüstung 620
4.2.1 Einsatz eines unterkleidungsintegrierten Sensorsystems in der Automobilmontage 620
4.2.2 Einsatz funktionsangereicherter Schutzbekleidung bei der Stahlherstellung 622
5 Akzeptanz mobiler Systeme und Anforderungen der Anwender 624
6 Erfolgskriterien für mobile Systeme 628
7 Fazit und Ausblick 629
8 Danksagung 630
Literatur 630
Sachverzeichnis 635