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Vertikale Integration in der Fabrikautomation. Anforderungsanalyse aus Industrie 4.0 Sicht

Bachelorarbeit 2015 107 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Wirtschaftsingenieurwesen

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Einordnung der industriellen Revolution
1.2 Wandlungstreiber der industriellen Produktion
1.3 Potenziale von Industrie 4.0
1.4 Untersuchungs- und Gestaltungsbereich
1.5 Problemstellung und Handlungsbedarf
1.6 Vorgehensweise

2 Stand der Technik
2.1 Begrifflichkeiten und Einordnung
2.1.1 Cyber-Physical Systems – Kerntechnologie der Smart Factory
2.1.2 Industrie 4.0 und die Smart Factory
2.2 Veränderung der Modellvorstellung durch CPS
2.2.1 Das Referenzarchitekturmodell RAMI 4.0
2.3 Begriffsanalyse - Industrie 4.0-Komponente

3 Anforderungen an eine Industrie 4.0-Komponente
3.1 Vom Gegenstand zur Industrie 4.0-Komponente
3.2 Security und Safety
3.3 Kommunikationsfähigkeit der Industrie 4.0-Komponente

4 Technologieanalyse
4.1 Interoperabilität zwischen Applikationen
4.2 IO-Link
4.3 Radio-Frequency Identification
4.4 Feldbussysteme
4.5 Technologietabelle

5 Integrationskonzepte für Industrie 4.0-Komponenten

6 Zusammenfassung und Fazit

7 Literaturverzeichnis

Kurzfassung

Neue Produktionssysteme sind gekennzeichnet durch höchste Individualisierbarkeit mit einem maximalen Flexibilisierungsgrad, um sich bestens auf ändernde Bedingungen der Anlagennutzung innerhalb der Produktion einzustellen und somit die effizienteste Produktionsweise zu sichern. Dieses Produktionsparadigma verlangt nach neuen Methoden und Konzepten. Mit Hilfe verschiedenster Forschungsverbände, Unternehmen und der Bundesregierung werden Technologien und Lösungen entwickelt, welche sich mit dem Zukunftsprojekt Industrie 4.0 beschäftigen.

Ziel dieser Arbeit ist es, zu Beginn die Begrifflichkeiten im Industrie 4.0 Umfeld, hinsichtlich der Architektur und Laufzeit von Automatisierungssystemen eines Produktionssystems aufzuarbeiten, zu analysieren und zu klassifizieren. Es soll herausgestellt werden, was eine Industrie 4.0-Komponente ist und wie diese sich auf den verschiedenen Ebenen der Struktur eines Produktionssystems repräsentieren kann. Darauf aufbauend werden Anforderungen an eine Industrie 4.0-Komponente, welche sich durch Integration in ein Produktionssystem ergeben, gestellt und erläutert. Insbesondere wird hierbei auf die Problembereiche der Schnittstellen, des Informationsmanagements und der self- Eigenschaften eingegangen. Die aktuell bestehenden Technologien, die eine steuerungstechnische Umsetzung einer Industrie 4.0-Komponente ermöglichen, werden aufgezeigt, beschrieben und hinsichtlich der Kombinierbarkeit mit anderen Technologien bewertet. Abschließend wird eine Technologiekombination, die für eine erste Umsetzung einer Industrie 4.0-Komponente empfohlen werden kann aufgezeigt.

Eine eindeutige, allumfassende Darstellung der Industrie 4.0-Komponente ist derzeit noch nicht existent. Diese Arbeit hilft jedoch den Zusammenhang, Aufbau und die Technologien diesbezüglich einzuordnen und vermittelt Ansätze, die zu weiteren Denkansätzen führen sollen.

Abstract

New production systems are characterized by high customizability with a maximum level of flexibility to react the best way to changing conditions of the system usage, to ensure the most efficient mode of production. This new production paradigm calls for new methods and concepts. With the assistance of various research organizations, companies and the federal government, technologies and solutions are being developed, which deal with the future project industry 4.0.

The goal of this paper is to start to analyze, classify and review concepts in the industry 4.0 environment in terms of the architecture and lifecycle of automation systems of a production system. It will be described what an industry 4.0 component is and how it can be represented on various levels of the structure of a production system. Based on this, the requirements arising from the integration of a component into a production system will be applied to an industry 4.0-component and discussed. The problem areas of the interfaces, the information management and of the self- properties will be expanded on particularly. The current technologies, which enable the operational realization of an Industry 4.0-component, will be revealed, described and evaluated concerning the possibility of combination with other technologies. In conclusion, a consolidation of results should identify a course of action recommendable for the first implementation of an industry 4.0 component, based on a combination of technologies.

An unambiguous, comprehensive depiction of an industry 4.0 component is currently non-existent. But this paper helps classifying the context, the structure and the technologies concerning this and conveys basic approaches which should lead to further, different approaches.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1-1: Die vier Stufen der industriellen Revolution [5 S. 17]

Abbildung 1-2: Produktionssystem und Produktionsfaktoren [in Anlehnung an [16]]

Abbildung 1-3: Vertikale Wertschöpfungskette [21]

Abbildung 2-1: Begriffliche Einordnung von Industrie 4.0 [in Anlehnung an [5 S. 23; 24 S. 14]]

Abbildung 2-2: Aufbau von Cyber-Physischen Systemen [37 S. 13]

Abbildung 2-3: Die Smart Factory organisiert sich selbst [in Anlehnung an [42 S. 5]]

Abbildung 2-4: Ziele der Smart Factory [15 S. 15]

Abbildung 2-5: Plug & Work Lösung für Fertigungskomponenten [in Anlehnung an [45 S. 7]]

Abbildung 2-6: Interaktion in der intelligenten Fabrik [5 S. 13]

Abbildung 2-7: Dezentrale Steuerung durch CPS [in Anlehnung an [49]]

Abbildung 2-8: Gegenüberstellung der CPS-Ebenen und dem AT-Diabolo [50 S. 39]

Abbildung 2-9: Reference Architectural Model Industrie 4.0 [56]

Abbildung 2-10: CP-Ziffernnotation [4 S. 7]

Abbildung 2-11: Ebenen einer Industrie 4.0-Komponente [9 S. 52]

Abbildung 2-12: Industrie 4.0-Komponente [in Anlehnung an [60]]

Abbildung 2-13: Abgrenzung "Office Floor" und "Shop Floor" [9 S. 51]

Abbildung 3-1: Vom Gegenstand zur Industrie 4.0-Komponente [9 S. 54]

Abbildung 3-2: Konzept des Repository [9]

Abbildung 3-3: Konzept der Verwaltungsschale [in Anlehnung an [9; 66 S. 13]]

Abbildung 3-4: Sierpinski-Dreieck

Abbildung 3-5: Schachtelbarkeit von Industrie 4.0-Komponenten [9 S. 59]

Abbildung 4-1: Übergreifende ecl@ss Semantik [80]

Abbildung 4-2: Prinzip semantischer Datenaustausch zwischen Kommunikationspartner [60 S. 82]

Abbildung 4-3: AutomationML als universelles Datenaustauschformat [82]

Abbildung 5-1: Realisierung einer Industrie 4.0 Komponente

Abbildung 5-2: Kommunikation einer Industrie 4.0-Komponente

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Technologiematrix

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Glossar

Adaptivität

Aktive und schnelle Anpassung aus eigener Substanz bei sprunghaften und unvorhersehbaren Veränderungen in der Systemumwelt. Wird häufig als Synonym zu dem Begriff der Wandelbarkeit verwendet [1 S. 298].

Anpassungsfähigkeit

Eigenschaft eines Systems, den Änderungsbedarf eigenständig zu erkennen, geeignete Alternativen werden von außen bereitgestellt Eigenschaft eines Systems, den Änderungsbedarf eigenständig zu erkennen, geeignete Alternativen werden von außen bereitgestellt [2].

Application (App)

Software, die Zusatzfunktionalität realisiert, die Nutzer auf einfache Weise, zum Beispiel durch Herunterladen, in ihre Systeme integrieren können.

Communication&Presentation (CP)-Klassifikation

Klassifikation der Kommunikations- und Identifikationsfähigkeit [3].

CPS

System, das reale (physische) Objekte und Prozesse verknüpft mit informa-tionsverarbeitenden (virtuellen) Objekten und Prozessen über offene, teilweiseglobale und jederzeit miteinander verbundene Informationsnetze [3].

Embedded System

Leistungsfähige Kleinstcomputer, welche autonom agieren und mit globalen Netzen kommunizieren können[4 S. 10].

Entität

Gegenstände, die in der Informationswelt eigene Objekte zu ihrer Verwaltung und Nutzung besitzen. [5 S. 4].

Flexibilität

Eigenschaft eines Systems, auf einen Änderungsbedarf ein entsprechend aktivierbares Änderungspotenzial im System gegenüberzustellen [2].

Industrie 4.0

Meint die technische Integration von CPS in die Produktion und die Logistik sowie die Anwendung des Internets der Dinge und Dienste in industriellen Prozessen, einschließlich der sich daraus ergebenden Konsequenzen für die Wertschöpfung, die Geschäftsmodelle sowie die nachgelagerten Dienstleistungen und die Arbeitsorganisation[6 S. 18].

Industrie 4.0-Komponente

Weltweit eindeutig identifizierbarer kommunikationsfähiger Teilnehmer bestehend aus Verwaltungsschale und Asset mit digitaler Verbindung(entspricht CP24, CP34 oder CP44) eines Industrie 4.0-Systems, der dort Dienste mit definierten QoS (Quality of Service)- Eigenschaften anbietet [3].

Interoperabilität

Fähigkeit zur aktiven, zweckgebundenen Zusammenarbeit von verschiedenen Komponenten, Systemen, Techniken oder Organisationen [7].

IT Security

Sicherheitstechnik, um die Geschäftsmodelle auf der Basis von Authentisierung, Autorisierung und Nachweisbarkeit zu gewährleisten, angereichert mit dem Wissen um die Problematik der Benutzbarkeit und der Wissensdefizite bei den Beteiligten[8 S. 2].

Manufacturing Execution System

Als Manufacturing Execution System wird ein am technischen Produktionsprozess operierendes IT-System bezeichnet. Es zeichnet sich gegenüber ähnlich wirksamen Systemen zur Produktionsplanung (sogenannte Enterprise Resource Planning Systeme) durch die direkte Anbindung an die verteilten Systeme des Prozessleitsystems aus und ermöglicht die Führung, Lenkung, Steuerung und Kontrolle der Produktion in Echtzeit. Dazu gehören klassische Datenerfassungen und Aufbereitungen wie Betriebsdatenerfassung, Maschinendatenerfassung und Personaldatenerfassung, aber auch alle anderen Prozesse, die eine zeitnahe Auswirkung auf den technischen Produktionsprozess haben[6 S. 85].

Plug&Work

Interoperation zwischen zwei oder mehr Beteiligten mit minimalem Arbeitsaufwand herstellen, ändern oder auflösen [9].

Quality of Services

Damit werden wichtige Eigenschaften der Industrie 4.0- Komponente festgelegt. Sie sind einstellbar bzw. abrufbar. Bzgl. der Anwendungen in der Automatisierungstechnik sind dies Eigenschaften wie Echtzeitfähigkeit, Ausfallsicherheit, Uhrensynchronisation, u.a. [10 S. 69].

Referenzarchitektur

Modell für eine Architekturbeschreibung (für Industrie 4.0), die allgemein genutzt wird und als zweckmäßig anerkannt ist (Referenzcharakter hat) [3].

RFID

Bezeichnet die kontaktlose Datenübertragung zwischen einem Transponder und einem Lesegerät mittels elektromagnetischer Wellen [11 S. 1].

Service

Abgegrenzter Funktionsumfang, der von einer Entität oder Organisation über Schnittstellen angeboten wird [3].

Serviceorientierte Architektur

Architekturmuster, das den Aufbau einer Anwendungslandschaft aus einzelnen fachlichen Anwendungsbausteinen beschreibt, die jeweils eine klar umrissene fachliche Aufgabe wahrnehmen [12].

Smart Grid Architecture Model

Methodik die Systemaspekte von intelligenten Stromversorgungsnetzten (Smart Grids) darstellt [13].

Smart Factory

Einzelnes oder Verbund von Unternehmen, das / der IKT zur Produktentwicklung, zum Engineering des Produktionssystems, zur Produktion, Logistik und Koordination der Schnittstellen zu den Kunden nutzt, um flexibler auf Anfragen reagieren zu können. Die Smart Factory beherrscht Komplexität, ist weniger störanfällig und steigert die Effizienz in der Produktion. In der Smart Factory kommunizieren Menschen, Maschinen und Ressourcen selbstverständlich miteinander wie in einem sozialen Netzwerk[6 S. 87].

Smart Produkt

Hergestelltes oder gefertigtes (Zwischen-)Produkt, das in einer Smart Factory die Kommunikationsfähigkeit (nach außen) zur Vernetzung und intelligente Interaktion mit anderen Produktionsteilnehmern mitbringt [3].

Soziotechnisches System

Das Zusammenwirken von Beschäftigten, Technologien (Maschinen, Anlagen, Systemen) und Arbeitsorganisation, um eine Arbeitsaufgabe auszuführen [6 S. 84].

Topologie

Mathematische Disziplin, die Lagebeziehungen zwischen Objekten beschreibt und analysiert. Es ist die Lehre von räumlichen Beziehungen zwischen Objekten [14 S. 21].

Vertikale Integration

Unter vertikaler Integration versteht man in der Produktions- und Automatisierungstechnik sowie der IT die Integration der verschiedenen IT-Systeme auf den unterschiedlichen Hierarchieebenen (beispielsweise die Aktor- und Sensorebene, Steuerungsebene, Produktionsleitebene, Manufacturing and Execution-Ebene, Unternehmensplanungsebene) zu einer durchgängigen Lösung[6 S. 24].

Verwaltungsschale

Gesamtmenge von Virtueller Repräsentation (inkl. Manifest) und Fachlicher Funktionalität in Bezug zu einem Gegenstand (Entität). Als Datenobjekt verfügbar, welches entweder im Gegenstand oder in einem Repository gespeichert und verfügbar gemacht wird [9].

Virtuelle Repräsentation

Gesamtheit aller Daten und Merkmale, welche einen assoziierten Gegenstand charakterisieren oder wichtige Informationen für (andere) Teilnehmer der Industrie 4.0 bedeuten [9].

Wandlungsfähigkeit

Wandlungsfähigkeit ist die Eigenschaft eines Systems, sich selbst effizient uns schnell an veränderte Anforderungen anpassen zu können [2].

Wertschöpfungsnetzwerk

Dezentrales polyzentrisches Netzwerk, das gekennzeichnet ist durch komplexe wechselseitige Beziehungen zwischen autonomen, rechtlich selbstständigen Akteuren. Es bildet eine Interessengemeinschaft von potenziellen Wertschöpfungspartnern, die bei Bedarf in gemeinsamen Prozessen interagieren. Die Entstehung von Wertschöpfungsnetzwerken ist auf nachhaltigen ökonomischen Mehrwert ausgerichtet. [6 S. 87].

1 Einleitung

Zukünftige Wertschöpfungsnetzwerke sind wandlungsfähiger und müssen sich an disruptive Ereignisse anpassen. Es gilt die hohe Volatilität und Dynamik, die in gesellschaftlichen, politischen und wirtschaftlichen Bereichen existent ist, innerhalb eines komplexen Produktionssystems[1] umzusetzen und damit die sich daraus ergebenden neuen Anforderungen zu meistern. Mit dem steigenden Trend zur Individualisierung und Personalisierung von Produktionsangeboten müssen die
Produktionsanlagen sich möglichst flexibel an ändernde Bedingungen anpassen und dabei die effizienteste Produktionsweise sicherstellen [15 S. 199]. Ausgehend von
diesem Standpunkt wird immer wieder über den zukunftstreibenden plakativen
Begriff der Industrie 4.0 gesprochen. Diese neuen Anforderungen haben einen enormen Einfluss auf die Architektur von Produktionssystemen und ihre
Steuerungssysteme und deren Entwurfsprozess. Die vertikale Integration in vernetzten Produktionssystemen und die horizontale Integration über Wertschöpfungsnetzwerke müssen sichergestellt sein. Eine auf Industrie 4.0-Komponenten basierende Automatisierungsarchitektur soll dieses Ziel erreichen.

1.1 Einordnung der industriellen Revolution

Mit der ersten industriellen Revolution um 1750 und dem Einsatz der ersten Arbeits- und Kraftmaschinen, ermöglicht durch die Entwicklung der Dampfmaschine, verbesserte sich die Produktivität in der Herstellung von Grundversorgungsgütern enorm. Die beschleunigte Entwicklung von Technik und Wissenschaften ging mit einer starken Bevölkerungszunahme einher [16]. Die Wohnorte verlagerten sich in die Städte es entstand eine zunehmende Massenarbeitslosigkeit, die sich auch als Pauperismus beschreiben lässt. Anschließend folgte durch die Einführung der arbeitsteiligen Massenproduktion, durch Verwendung von elektrischer Energie die zweite industrielle Revolution. Anfang der 1970er Jahre resultierte daraus die bis heute andauernde dritte Revolution. Diese zeichnet sich durch den Einsatz von Elektronik und IT aus, die weitere Automatisierungen innerhalb der Produktion ermöglichte [6 S. 17]. Der Fortschritt von Mikroelektronik, Informationstechnik und Kommunikationstechnologie schreitet weiter voran. Endgeräte werden kleiner, die Anschaffungskosten geringer und die Leistungskennzahlen steigen. Intelligente Geräte (Smart Devices) sind allgegenwärtig. Durch den Ausbau von Hochleistungsnetzen und die stärker werdende Bedeutung von mobilem Internet ist der Trend zur digitalen Gesellschaft unverkennbar. Damit steigt die Fähigkeit, Informationen in Echtzeit mit Hilfe von intelligenten Netzen (Cloud Computing) zu übertragen und zu bearbeiten. Diese Allgegenwärtigkeit des Internets und der rechnergestützten Informationsverarbeitung ist auch unter Ubiquitous Computing bekannt[6 S. 17]. Leistungsfähige Kleinstcomputer (Embedded Systems), welche autonom agieren und mit globalen Datennetzen kommunizieren können, zeigen revolutionäre Auswirkungen für die Industrie auf[4 S. 10]. Die physikalische und die virtuelle Welt wachsen zusammen. Es entstehen Cyber-Physische Systeme (CPS). Somit wäre erstmals eine Vernetzung von Ressourcen, Informationen, Objekten und Menschen in der Industrie möglich. Diese technologische Entwicklung wird als Internet der Dinge und Dienste bezeichnet [6 S. 17]. Durch vertikale Vernetzung eingebetteter Systeme innerhalb Fabriken und Unternehmen und horizontale Vernetzung von in Echtzeit steuerbaren Wertschöpfungsnetzwerken wird nun die vierte Stufe der industriellen Revolution eingeläutet[4 S. 10].

Abbildung 1-1 zeigt dies in Abhängigkeit einer steigenden Komplexität auf.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-1: Die vier Stufen der industriellen Revolution [6 S. 17]

1.2 Wandlungstreiber der industriellen Produktion

Die industrielle Produktion muss sich stetig an ändernde Kundenanforderungen, Produkte, Qualität, Lieferzeit und Preise anpassen. Dies führt zu stark schwankenden Nachfrageverläufen und immer kürzer werdenden Produktlebens- und Innovationszyklen. Um den Trend nachkommen zu können, müssen sich Produktionssysteme stetig den neuen Gegebenheiten anpassen. Durch die geforderte Flexibilität zukünftiger Produktionssysteme, werden die Anforderungen an diese immer komplexer. Nyhuis et al. definieren ein Produktionssystem wie folgt: „Unter einem Produktionssystem wird dabei ein soziotechnisches System verstanden, welches Input (z.B. Know-How, Methoden, Material, Finanzmittel, Energie) in wertschöpfenden (z.B. Fertigung oder Montage) und assoziierten Prozessen (z.B Transport) zu Output (z.B. Produkte, Kosten, Reststoffe) transformiert“ [17 S. 20]. Alle produktionsrelevanten Ressourcen, die für die Produktion eines Produktes von Nöten sind, können somit in immaterielle und materielle Inputfaktoren unterschie

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-2: Produktionssystem und Produktionsfaktoren [in Anlehnung an [17]]

Betrachtet man die Entwicklung der Ressourcenverknappung sowie die ständig steigenden Energiekosten in Deutschland, den Trend zum Individualisierten Produkt und die kürzer werdenden Produktlebens- und Innovationszyklen, erkennt man, dass es unabdingbar ist, dass Produktionssysteme sich in Zukunft flexibel auf äußere Umstände einstellen können. So ist es beispielsweise kosteneffizienter zu produzieren, wenn der Wind weht, die Sonne scheint und die Netze durch Naturstrom Überkapazitäten an elektrischer Energie bewältigen müssen. Informations- und Kommunikationstechnologien werden der Schlüssel zur ressourcenschonenden Produktion sein[18].

Zusätzlich geht mit steigenden Kundenansprüchen eine Veränderung und Anpassung des Produktionsprozesses einher. Dies führt zu einem schneller werdenden Technologiewandel. Betrachtet man den Produktionshorizont der Automobilbranche, erkennt man deutlich einen Trend zur Individualisierung der Fahrzeuge. Modellzyklen werden zunehmend kürzer. Diese Rahmenbedingungen führen zwangsläufig zu kleineren variantenbezogenen Stückzahlen[19 S. 1]. Bauernhansl et al. konstatieren, dass die Produktion an der Schwelle von der Kompliziertheit zur Komplexität steht. Zunehmende Umweltturbulenzen bei einer vielfach höheren Dynamik sind kennzeichnend für diesen Umschwung[20 S. 19]. Es wird nicht mehr möglich sein, alle Produkte und Prozesse exakt zu beschreiben, deswegen müssen Unternehmen an ihrer Flexibilität und Wandlungsfähigkeit arbeiten, um sich an wirtschaftliche Veränderungen schnell anpassen zu können [21 S. 13].

1.3 Potenziale von Industrie 4.0

Nicht nur die Digitalisierung der horizontalen und vertikalen Wertschöpfungsketten wird die Unternehmen revolutionieren, sondern auch das Produkt- und Serviceangebot, mit dem Ziel Kundenbedürfnisse besser zu erfüllen [22 S. 12]. Nach einer Studie von PwC[2], die 235 deutsche Industrieunternehmen aus fünf Branchen[3] durch das Marktforschungsinstitut TNS Emnid befragt haben, investieren deutsche Industrieunternehmen bis 2020 jährlich 40 Milliarden Euro in Industrie 4.0 Anwendungen. Die Unternehmen versprechen sich eine durchschnittliche Effizienzsteigerung in Höhe von 18%, wobei ein Drittel von noch größeren Potenzialen ausgeht[22 S. 22]. Der Digitalisierungsgrad, welcher heute in der vertikalen Wertschöpfungskette bei knapp 20% angekommen ist, wird in den nächsten fünf Jahren voraussichtlich auf 80% steigen. Durch die Digitalisierung von Prozessen und Wertschöpfungsketten können Abläufe flexibler und standardisierter realisiert werden. Wertschöpfungsketten werden zu Wertschöpfungsnetzen [23 S. 8]. Ablauforganisationen werden vernetzt und digitalisiert, damit Arbeitsfelder rationalisiert und erhöhte Produktivitätsgewinne erzielt werden können. Die wirtschaftliche Fertigung vieler Produktvarianten mit dem Ziel, in einer hochautomatisierten Fabrik der Zukunft Produkte nur ein einziges Mal zu fertigen und somit die Losgröße 1 zu erreichen, wird durch Industrie 4.0 Realität [23 S. 8]. Dass mittlerweile Maschinensysteme existieren, die diese Anforderungen erfüllen, wurde auf der HMI[4] 2015 mit der Optima gezeigt. Die Optima Maschine produziert mit Hilfe eines Multi-Carrier-Transportsystem individualisierte Parfums und erreicht somit die Losgröße 1[24]. Zusätzlich ist es durch intelligente Analysen von Produktionsdaten möglich, Ausschuss zu reduzieren und Arbeitsabläufe zu optimieren[22 S. 22]. Nach Geissbauer et al. bedeutet in oben genanntem Zusammenhang vertikale Digitalisierung: „[…] die Sicherstellung eines durchgängigen Informations- und Datenflusses vom Vertrieb über die Produktentwicklung bis hin zur Logistik“ [22 S. 21].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-3: Vertikale Wertschöpfungskette[22]

Zusätzlich wird eine jährliche Einsparung der Kosten in Höhe von 2,6% über den üblichen Kosteneinsparungen erwartet. Der Bundesverband für Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien e.V. (BITKOM) und das Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO haben sechs Branchen in der Bundesrepublik Deutschland untersucht[5], mit dem Ergebnis, dass durch die Einführung von Industrie 4.0 Technologien bis 2025 eine kumulierte Produktivitätssteigerung von 23% (ca. 78,77 Mrd. Euro) erwartet werden kann. Dieses Potenzial ergibt sich aus der Summe der erwarteten zusätzlichen Bruttowertschöpfungen dieser Branchen [25 S. 35]. Aktuell umfassen diese einen Anteil von 14% des deutschen Bruttoinlandprodukts. Die volkswirtschaftlichen Potenziale durch Industrie 4.0 wurden bei dieser Studie anhand von Experteninterviews erhoben.

1.4 Untersuchungs- und Gestaltungsbereich

Die Themenblöcke und Arbeitsbereiche rund um die Industrie 4.0 sind sehr vielfältig. Im Rahmen dieser Arbeit wird aber hauptsächlich auf die vertikale Integration in der Fabrikautomation eingegangen. Insbesondere werden Anforderungen und Integrationsmöglichkeiten innerhalb eines Produktionssystems im Hinblick auf die Industrie 4.0-Komponente untersucht. Zum Verständnis wird dem Leser anfangs ein Überblick über die Begrifflichkeiten der Industrie 4.0 vermittelt.

1.5 Problemstellung und Handlungsbedarf

Industrie 4.0 ist eng an zukunftsweisende Technologien und Lösungen geknüpft und könnte damit neuartige, flexiblere und wandlungsfähigere Produktionssysteme ermöglichen. Dabei fällt bei der näheren Betrachtung auf, dass einige Begriffe und Standards im Industrie 4.0 Umfeld nicht einheitlich definiert sind. Die Umsetzung der Modellvorstellung von Industrie 4.0 muss die Probleme, die mit den Themenbereichen Vernetzung, Einheitlichkeit, Kosten, Effizienz, Nachhaltigkeit, Umsetzbarkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit verbunden sind, lösen. Dazu müssen die Vorstellungen der unterschiedlichen Branchen auf einen gemeinsamen Nenner gebracht werden. Es gilt konkrete Konzepte und ausgereifte Ideen zu entwickeln. Denn nur wenn der Begriff Industrie 4.0 auch die Erwartungen erfüllen wird, kann die deutsche Wirtschaft auch in Zukunft ihren Wettbewerbsvorteil ausbauen.

Durch die geforderte horizontale und vertikale Integration innerhalb vernetzter Produktionssysteme müssen die semantischen und kommunikationstechnischen Anforderungen eines Industrie 4.0 typischen Produktionssystems erfüllt werden. Auf Basis von Industrie 4.0-Komponenten sollen entsprechende Automatisierungsarchitekturen in Zukunft umgesetzt werden können. Wie jedoch eine Industrie 4.0-Komponente gestaltet sein sollte, ist bisher nicht vollständig geklärt. Auf diesen Bereich wird im Rahmen dieser Bachelorarbeit näher eingegangen.

1.6 Vorgehensweise

Anfänglich soll dem Leser ein Überblick über das Thema Industrie 4.0 vermittelt werden. In Kapitel 2 wird aufgezeigt, welche Kerntechnologien sich hinter diesem Begriff verbergen und was diese bedeuten. Mit dem Ziel der Analyse und Klassifikation der gängigen Begriffe im Industrie 4.0 Umfeld, mit Blick auf die Architektur und Laufzeit von Automatisierungssystemen eines Produktionssystems, werden zunächst auf Basis einer Literaturrecherche diese Begriffe identifiziert, beschrieben und verständlich dargestellt. In Bezug auf Automatisierungssysteme werden neuartige und bereits vorhandene Modellvorstellungen erläutert und hinsichtlich Industrie 4.0 Anforderungen untersucht. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wird herausgearbeitet, was eine Industrie 4.0-Komponente ist und wie sie sich auf den verschiedenen Ebenen der Struktur eines Produktionssystems repräsentieren kann. Ergänzend hierzu werden die Anforderungen, die sich durch die Integration in ein Produktionssystem ergeben, in Kapitel 3 gesammelt und erläutert. Dabei wird auf die Schnittstellen des Informationsmanagements und der self-* Eigenschaften eingegangen, die eine umfassende Flexibilität des Produktionssystems ermöglichen. Darauf aufbauend werden in Kapitel 4 die bestehenden Technologien, die eine steuerungstechnische Umsetzung einer Industrie-4.0 Komponente erlauben, aufgezeigt und beschrieben. Zum Ende hin wird in Kapitel 5 auf Basis der vorangegangenen Ergebnisse eine Technologiekombination identifiziert, die eine erste Umsetzung einer Industrie 4.0-Komponente ermöglicht.

2 Stand der Technik

In diesem Kapitel werden Begrifflichkeiten im Umfeld der Industrie 4.0 identifiziert und beschrieben. Es soll herausgestellt werden, welche Technologien hinter dem Sammelbegriff stehen und wie Literatur und Praxis diesen aktuell definieren. Des Weiteren wird herausgestellt, was eine Industrie 4.0-Komponente ist und wie diese sich auf den verschiedenen Ebenen der Struktur eines Produktionssystems repräsentieren lässt.

2.1 Begrifflichkeiten und Einordnung

Industrie 4.0 ist ein höchst aktuelles Thema für die gesamte Industrie, doch wenn es um eine Beschreibung, Definition oder Charakterisierung des buzzword geht, erkennt man, dass diese stark in Zielrichtung und Betrachtungsbereich unterschieden werden. Somit existiert derzeit keine eindeutige Begriffsdefinition[25 S. 18]. Aus diesem Grund werden im ersten Schritt die im wissenschaftlichen und industriellen Umfeld vorzufindenden Auffassungen der Industrie 4.0 gegenübergestellt und diskutiert. Aufbauend auf diesen teilweise divergenten Begriffsauffassungen wird eine Definition abgeleitet, die dem Verständnis dieser Arbeit zugrunde liegt.

Industrie 4.0 bündelt mehrere Technologien zu einem Hauptbegriff. Kagermann et al. konstatieren: „Das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 adressiert den evolutionären technologischen Wandel des Zusammenwachsens moderner Technologien der Informationstechnik mit klassischen industriellen Prozessen zu Cyber-Physical Systems (CPS)[6] und seine revolutionären Auswirkungen auf die Industrie.“ [4 S. 10]. Das Cyber-Physische System steht somit im Zentrum der Industrie 4.0 [26 S. 22]. Das Fraunhofer Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation definiert Industrie 4.0 als „[…] die beginnende vierte industrielle Revolution nach Mechanisierung, Industrialisierung und Automatisierung […]. Zentrales Element sind vernetzte Cyber-Physische Systeme (CPS).“[26 S. 22]. Die Forschungsunion acatech ergänzt oben genannte Definitionen um das Internet der Dinge und Dienste und kommt zu folgendem Schluss: „Industrie 4.0 meint im Kern die technische Integration von CPS in die Produktion und die Logistik sowie die Anwendung des Internets der Dinge und Dienste in industriellen Prozessen, einschließlich der sich daraus ergebenden Konsequenzen für die Wertschöpfung, die Geschäftsmodelle sowie die nachgelagerten Dienstleistungen und die Arbeitsorganisation.“[6 S. 18]. Das Internet der Dinge und Dienste ermöglicht es, mithilfe der gesammelten Daten, zu jedem Zeitpunkt in der Produktion den optimalen Wertschöpfungsfluss abzuleiten. Zusätzlicher Treiber dieser Entwicklung ist das stetig steigende Aufkommen vernetzungsfähiger Geräte bis zur Erreichung des Internet of Everything, in dem Menschen, Prozesse, Daten und Dinge vollständig vernetzt sind [25 S. 17]. Innerhalb des Ergebnisberichts 2015, der Umsetzungsstrategie von den Verbänden BITKOM, VDMA und ZVEI, wurde folgende abschließende Definition gewählt, die im Rahmen dieser Arbeit wie folgt verstanden werden soll: „Der Begriff Industrie 4.0 steht für die vierte industrielle Revolution, einer neuen Stufe der Organisation und Steuerung der gesamten Wertschöpfungskette über den Lebenszyklus von Produkten. Dieser Zyklus orientiert sich an den zunehmend individualisierten Kundenwünschen und erstreckt sich von der Idee, dem Auftrag über die Entwicklung und Fertigung, die Auslieferung eines Produkts an den Endkunden bis hin zum Recycling, einschließlich der damit verbundenen Dienstleistungen. Basis ist die Verfügbarkeit aller relevanten Informationen in Echtzeit durch Vernetzung aller an der Wertschöpfung beteiligten Instanzen sowie die Fähigkeit, aus den Daten den zu jedem Zeitpunkt optimalen Wertschöpfungsfluss, abzuleiten. Durch die Verbindung von Menschen, Objekten und Systemen entstehen dynamische, echtzeitoptimierte und selbst organisierende, unternehmensübergreifende Wertschöpfungsnetzwerke, die sich nach unterschiedlichen Kriterien wie beispielsweise Kosten, Verfügbarkeit und Ressourcenverbrauch optimieren lassen.“ [10 S. 8] . Kennzeichnend für die Industrie 4.0 können folgende zwei Paradigmenwechsel nach Kelkar et al. identifiziert werden [27 S. 3]:

1. Das Intelligente Produkt bestimmt den Takt

2. Wandel zur dezentralisierten, autonomen Produktion

Industrie 4.0 lässt sich dabei in die in Abbildung 2-1 ersichtlichen Technologiefelder einordnen. Das Rückgrat der Industrie 4.0 Anwendungen bilden robuste Netze. Diese aus dem Internet bekannten Breitbandnetzwerke müssen hochgradig verfügbar sein und die Möglichkeit besitzen, hohe Datenmengen bei einer schnellen Übertragungsrate im industriellen Umfeld bereitzustellen[25 S. 21]. Da Cyber-Physische Systeme über diese kommunizieren, ist die Sicherstellung der Verfügbarkeit Thema von höchster Priorität.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-1: Begriffliche Einordnung von Industrie 4.0 [in Anlehnung an[6 S. 23; 25 S. 14]]

Durch eine zunehmende Vernetzung von Systemen rückt die Frage nach Sicherheit der Informations- und Kommunikationssysteme immer mehr in den Vordergrund. Vernetzte Systeme, welche über das Internet Informationen verarbeiten und austauschen, bieten neue Angriffspunkte für Cyberkriminalität und Industriespionage. Es gilt, sich rechtzeitig abzusichern, damit die Daten von Mitarbeitern und Unternehmen geschützt bleiben. Sabotage und Manipulation von Produktionssystemen muss verhindert werden[25 S. 22]. Kriha et al. bezeichnen hierbei IT Security als „Sicherheitstechnik, um die Geschäftsmodelle auf der Basis von Authentisierung, Autorisierung und Nachweisbarkeit zu gewährleisten, angereichert mit dem Wissen um die Problematik der Benutzbarkeit und der Wissensdefizite bei den Beteiligten“[8 S. 2].

Ein weiteres Technologiefeld beschäftigt sich mit dem Cloud Computing. Das National Institute of Standards and Technology (NIST) definiert dazu den Begriff Cloud Computing folgendermaßen: „Cloud computing is a model for enabling ubiquitous, convenient, on-demand network access to a shared pool of configurable computing resources (e.g., networks, servers, storage, applications, and services) that can be rapidly provisioned and released with minimal management effort or service provider interaction.[…]” [28]. Dabei kann eine Einteilung der Dienstleistungen in drei Ebenen erfolgen, wobei gemeinsame IT-Leistungen als Dienste (as a Service) bereitgestellt werden. Die unterste Ebene, die Infrastructure as a Service Ebene (IaaS), bildet das Tätigkeitsfeld der Spezialisten für den IT-Betrieb sowie für den IT-Dienstleister. IT-Leistungen der Basisinfrastruktur (IaaS) sind dort angesiedelt. Hierbei wird hauptsächlich auf Rechen- und Speicherleistung auf virtualisierten Servern und Netzwerkinfrastruktur-Funktionalitäten mit hohem Standardisierungsgrad und intelligentem Systemmanagement als Service bereitgestellt. Auf der mittleren Ebene befindet sich die Plattform as a Service Ebene (PaaS) als Entwicklungsumgebungs-Service. Darauf liegen IT-Leistungen für Entwicklerplattformen (PaaS). PaaS beschreibt Services der Anwendungs-Infrastruktur-Ebene, die auf Entwicklungsplattformen angeboten werden. Die oberste Ebene umfasst Anwendungen und wird als Software as a Service (SaaS) bezeichnet. Auf dieser können Applikations- oder Anwendungsservices, beispielsweise über einen Webbrowser oder einer App, genutzt werden. Diese Dienste werden als standardisierte Services von einem Dienstleister bereitgestellt, wobei Anpassungs- und Integrationsmöglichkeit meist eingeschränkt sind [29 S. 22-23; 30 S. 9-10].

Die Cloud ermöglicht es, Applikationen auszuführen, die nicht auf lokalen Rechnern installiert sind. Somit können Anwendungen zentral verwaltet und gepflegt werden. Dies bietet die Möglichkeit, neu entwickelte Methoden, Algorithmen und Apps für jeden Anwender bereitzustellen. Über die Cloud können intelligente Objekte, Produkte, Maschinen und IKT-Systeme Informationen austauschen [25 S. 21]. Zusätzlich wird durch die Verteilung der Daten und Dienste auf verschiedene physikalische Server eine hohe Verfügbarkeit gewährleistet [31 S. 402]. Bauer et al. sehen den Vorteil des Cloud Computings gegenüber herkömmlichen Server Lösungen in einem höheren Datenmengentransfer. Durch die Möglichkeit, breitere Datenmengen zu übertragen, können neue Ansätze zur Analyse, Regelung, Planung und Optimierung von Systemen erfolgen. Dieser Big Data Ansatz bietet somit eine Möglichkeit, die anfallenden Daten für die Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) für Wartungsoptimierungen (Predictive Maintenance) zu erkennen und zu nutzen[32 S. 7]. Erst durch die Einführung des Internetprotokolls der 6. Generation (IPv6) im Jahre 2012 mit 2128 Adressen existiert ein genügend großer Addressraum, um alle intelligenten Objekte eindeutig zuzuordnen.

2.1.1 Cyber-Physical Systems – Kerntechnologie der Smart Factory

Der Begriff Cyber-Physical System oder Cyber-Physische Systeme (CPS) findet seinen Ursprung in den USA und wurde sehr schnell zu einem allgegenwärtigen Begriff in Diskussionen über zukünftige technische und industrielle Trends und Herausforderungen [33 S. 1]. Ähnlich der Begriffsdefinition der Industrie 4.0 lässt sich keine eindeutige Erläuterung in der Literatur für CPS finden [33 S. 2]. Daher muss geklärt werden, welche Eigenschaften für CPS charakteristisch sind und die Bezeichnung als CPS rechtfertigen. Hierbei definierte Edward A. Lee (2008) CPS wie folgt: „Cyber-Physical Systems (CPS) are integrations of computation with physical processes. Embedded computers and networks monitor and control the physical processes, usually with feedback loops where physical processes affect computations and vice versa.” [34]. Der VDI hält sich an die Begriffserklärung, die aus der Forschungsagenda Cyber-Physical Systems hervorgeht und beschreibt CPS folgendermaßen: „Cyber-Physical Systems (CPS) sind gekennzeichnet durch eine Verknüpfung von realen (physischen) Objekten und Prozessen mit informationsverarbeitenden (virtuellen) Objekten und Prozessen über offene, teilweise globale und jederzeit miteinander verbundene Informationsnetze.“[33 S. 2; 35]. Cyber-Physische Systeme können durch die Ebene der physischen Objekte, der Daten und Modelle dieser Objekte in einer Infrastruktur und durch Datensysteme, basierend auf den ersten beiden Ebenen, beschrieben werden [36 S. 3]. Kagermann et al. ergänzen die Definition des VDI und erweitern: „CPS umfassen eingebettete Systeme, Produktions-, Logistik-, Engineering-, Koordinations- und Managementprozesse sowie Internetdienste, die mittels Sensoren unmittelbar physikalische Daten erfassen und mittels Aktoren auf physikalische Vorgänge einwirken, mittels digitaler Netze untereinander verbunden sind, weltweit verfügbare Daten und Dienste nutzen und über multimodale Mensch-Maschine-Schnittstellen verfügen. Cyber-Physical Systems sind offene soziotechnische Systeme und ermöglichen eine Reihe von neuartigen Funktionen, Diensten und Eigenschaften.“[6 S. 84]. Somit verschmelzen die physische Welt und das Internet durch Cyber-Physische Systeme, welche auch den Unterschied zur dritten Industriellen Revolution, in der informationsverarbeitende Komponenten nur mit physischen Objekten und Prozessen gekoppelt sind, darstellen.

Man könnte also annehmen, dass alle in der Industrie verwendeten Komponenten in Zukunft zu Cyber-Physischen Systemen werden. Doch es existieren auch noch einige Probleme hinsichtlich der Konnektivität und der physischen Übertragung von Informationen, die es zu lösen gilt. Ein Beispiel wäre das Problem des Netzwerkkabels, dass aus acht Kabelsträngen besteht und damit schwierig und kompliziert zu verlegen und anzuschließen ist. Die Verkabelung informationsverarbeitender Komponenten wird bei den entsprechenden Umständen (Dunkelheit, Schmutz, Platzmangel,…) mit dieser Art von Kabel kompliziert und aufwendig. Die Lösung könnte eine zwei-adrige Leitung, bei der die Energiezufuhr gesichert und die Datenübertragung gewährleistet ist, sein [37].

Nach Luck et al. (2014) ähnelt der grundsätzliche Aufbau eines CPS einem mechatronischem System. Ein CPS verfügt über Sensoren, Aktoren und eine Benutzerschnittstelle. Hinzu kommt, dass alle Aufgaben der Datenaufnahme, -verarbeitung und –ausgabe über eine Funktionsschnittstelle erfolgen. Anders als im mechatro-nischen System sind die Sensoren und Aktoren aber in das CPS eingebettet. Jeder Sensor verfügt zusätzlich zu seinen grundsätzlichen Funktionen über höherwertige Funktionen, wie Signalverarbeitung oder die IP-fähigen Kommunikationsschnittstellen. Laut Lucke et al. liegt die eigentliche Neuheit aber nicht in der ständigen Vernetzung der Komponenten des CPS mit der Informationsverarbeitung, sondern in der Nutzung des Internets, Software Services und der Verwendung von offenen und globalen Standards [38 S. 13]. Die Kommunikationsstrukturen des CPS werden hierbei zwischen horizontal und vertikal unterschieden. Somit können beispielsweise nächste Fertigungsschritte kommuniziert oder Daten über den aktuellen Bearbeitungsstatus ausgetauscht werden.

[...]


[1] Vgl. komplexes Produktionssystem [3 S. 19]

[2] PricewaterhouseCoopers

[3] Maschinen- und Anlagenbau, Automobilzulieferer, Prozessindustrie, Elektrotechnik und Elektronikindustrie, Informations- und Kommunikationsindustrie

[4] Hannover Messe Industrie

[5] Landwirtschaft, Maschinen und Anlagenbau, Kraftfahrzeugbau und –teile, elektrische Ausrüstung, chemische Industrie, Informations- und Kommunikationstechnologien

[6] Vgl. Kapitel 2.1.1

Details

Seiten
107
Jahr
2015
ISBN (eBook)
9783668355408
ISBN (Buch)
9783668355415
Dateigröße
1.7 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v345517
Institution / Hochschule
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Note
Schlagworte
Industrie 4.0 Industrie 4.0-Komponente Internet der Dinge

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Titel: Vertikale Integration in der Fabrikautomation. Anforderungsanalyse aus Industrie 4.0 Sicht