Handbuch Industrie 4.0 Bd.2 - Automatisierung

Vorwort des Verlags

Vorwort zur 2. Auflage

Herausgeber und Autoren

Die Herausgeber

Die Autoren

Inhaltsverzeichnis

Mitarbeiterverzeichnis

Teil I: Industrie-4.0-Anwendungsszenarien

Industrie 4.0 in der praktischen Anwendung

1 Das Internet der Dinge in der industriellen Produktion

1.1 Sichtweisen des Internet der Dinge

2 Technologieparadigmen zur Verringerung der Medienbrüche in der Fabrik

2.1 Das intelligente Produkt

2.2 Die intelligente Maschine

2.3 Der assistierte Bediener

3 Anwendungsbeispiele

3.1 Öffentlich geförderte Forschungsprojekte

3.2 Anwendungsfall Intralogistik

3.2.1 Motivation und Szenario

3.2.2 Nutzenbetrachtung

3.2.3 Umsetzung

3.3 Produktionsplanung und Eskalationsmanagement

3.3.1 Motivation und Szenario

3.3.2 Nutzenbetrachtung

3.3.3 Umsetzung

3.4 Verteilte Anlagensteuerung in der SmartFactoryKL

3.4.1 Motivation und Szenario

3.4.2 Nutzenbetrachtung

3.4.3 Umsetzung

4 Bewertung und Ausblick

4.1 Kerninnovation bei Industrie 4.0 spezifischer Produktionsoptimierung

4.2 Zentrale Rolle des Menschen

4.3 Notwendigkeit von Infrastruktur

4.4 Stufen der Fabrikprozessoptimierung durch Informationsverfügbarkeit

5 Zusammenfassung

Literatur

Agentenbasierte dynamische Rekonfiguration von vernetzten intelligenten Produktionsanlagen

1 Industrie 4.0 Demonstrator MyJoghurt

2 Szenarien und daraus resultierende Herausforderungen

2.1 Produktion: Auftragserteilung und -verteilung

2.2 Sicherung der Produktqualität

2.3 Prozessoptimierung

2.4 Diagnose

2.5 Rekonfiguration

3 Aufbau des Demonstrators und prinzipieller Ablauf

4 Agentenbasierter Kopplungsansatz der Modellfabriken

Literatur

Anwendungsbeispiele zur Integration heterogener Steuerungssysteme bei robotergestützten Industrieanlagen

1 Einleitung

2 Programmierung

2.1 Online-Programmierung

2.2 Offline-Programmierung

2.3 Programmieren auf Taskebene und skillbasierte Programmierung

3 Kommunikation und Integration von Sensoren und Aktoren

3.1 Sensorgeführte Positionierung von Robotersystemen im Umfeld großer Typenvielfalt

3.2 Einsatz von OPC UA

4 Fazit

Literatur

„Plug and Produce`` als Anwendungsfall von Industrie 4.0

1 Der Einfluss von Industrie 4.0 auf die Automation

2 „Plug and Produce`` für industrielle Steuerungsprozesse

3 „Plug and Produce`` für industrielle Echtzeitnetzwerke

4 Zusammenfassung

Literatur

Teil II: Cyber-physische Systeme im Betrieb

Steigerung der Kollaborationsproduktivität durch cyber-physische Systeme

1 Einleitung

2 Herausforderungen in der Produktionssteuerung

3 Kollaborationsproduktivität in cyber-physischen Systemen

4 Ansätze zu Industrie 4.0 im Management

4.1 Hochauflösende Daten aus der Produktion nutzen

4.2 Cloudbasierte und echtzeitfähige Simulation der Abläufe in der Produktion

4.3 Interaktive Visualisierungen in der Produktion

4.4 Schnelle Umsetzung durch Transparenz und Kommunikation

5 Anwendungsszenarien

5.1 Hochauflösende Daten aus der Produktion nutzen

5.2 Mensch-Maschine-Interaktion

Literatur

Agentenorientierte Verknüpfung existierender heterogener automatisierter Produktionsanlagen durch mobile Roboter zu einem Indu...

1 Motivation

1.1 Reduzierung der Losgröße und Flexibilisierung der Produktion

1.2 Beschreibung der verknüpften Produktion- und Transportmittel für die Demonstration einer verteilten Produktion

2 Konzept für die Verknüpfung der Produktions- und Transportmittel

2.1 Beschreibung Referenzarchitektur

2.2 Modellbasiertes Vorgehen in der Entwicklung eines Agentensystems

2.3 Management der Aufträge

3 Umsetzung für den Demonstrator Robot Integrated Agent Network (RIAN)

3.1 Implementierung der Agentenplattform

3.2 Implementierung der Produktions- und Transportagenten

3.3 Kommunikation über die Agentenplattform

4 Evaluation an dem RIAN-Demonstrator

4.1 Architektur und Portabilität der Agentenplattform

4.2 Lessons learned

4.3 Steigerung der Flexibilität

4.4 Akzeptanz bei den Nutzern

5 Überblick und Entwicklungen

5.1 Überblick

5.2 Entwicklung und Forschungsbedarf

Literatur

High Performance Automation verbindet IT und Produktion

1 Einordnung

2 Anforderungen an die zukünftige Produktion

3 Anforderungen an zukünftige Automatisierungstechnik

4 Notwendige Voraussetzungen für Industrie 4.0

5 High Performance Automation

5.1 Rechenleistung

5.2 Prozesskommunikation

5.3 Eine neue Klasse der Automatisierungstechnologie

6 Kommunikation - die Welt trifft sich auf dem PC

7 Ontologie und Taxonomie für Fertigungsschritte und Abläufe als notwendige Elemente für Industrie 4.0

8 Vielfältige Standards in Industrie 4.0 Umgebungen

9 Zusammenfassung

Literatur

PC-basierte Steuerungstechnik als Basis für intelligente vernetzte Produktionssysteme

1 Produktionstechnik im Wandel

2 PC-basierte Steuerungstechnik

3 Vernetzte Smart Factories

3.1 Anwendungsszenario - Bearbeitungszentrum

3.2 Horizontale und vertikale Kommunikation

3.3 Intelligenz durch Scientific Automation

3.4 Intelligente Bedienkonzepte

4 Performante Steuerungstechnik

4.1 Steuerungsarchitektur einer Smart Factory mit Many-Core-Rechner

4.2 Steuerungskonzepte mit Many-Core-Rechnern

5 Scientific Automation - its OWL-ScAut

5.1 Condition Monitoring

5.2 Robotik

6 Durchgängiges integratives Engineering

6.1 Engineering

6.2 Integration von Entwicklungswerkzeugen

6.3 Objektorientierung und Modularisierung

6.4 Modellbildung und Simulation

Literatur

Teil III: Engineering-Aspekte in der Industrie 4.0

ClipX: Auf dem Weg zur Industrialisierung des Schaltschrankbaus

1 Reihenklemme, Klemmenleiste und Schaltschrank - Eine Übersicht

1.1 Der Schaltschrank

1.2 Klemmenleisten und bestückte Tragschienen

2 Prozesskette im Schaltschrankbau

2.1 Planung und Entwicklung von Schaltschränken

2.2 Vorbereitung und Konfektionierung von Schaltschrank und Schaltschrankplatten

2.3 Konfektionierung von Tragschienen

2.4 Bestückung der Tragschienen mit elektrischen und elektronischen Komponenten

2.5 Erstellung von und Bestückung mit Beschriftungsmaterial

2.6 Bestückung mit weiterem Zubehörmaterial

2.7 Montage der Baumodule und Komponenten auf den Schaltschrankplatten oder im Schaltschrank

2.8 Konfektionierung von Drähten und Leitungen sowie Verdrahtung

2.9 Überprüfung des kompletten Schaltschrankaufbaus

2.10 Zwischenfazit

3 Schaltschrankbau trifft auf Industrie 4.0

3.1 Lösungsansätze zur Industrialisierung des Schaltschrankbaus

3.2 Befähiger Datendurchgängigkeit

3.2.1 Der digitale Artikel

3.2.2 Die digitale Produktbeschreibung

4 Umsetzungsbeispiele aus der Praxis

4.1 Automatisierte Produktion bestückter Tragschienen

4.2 Technologiedemonstrator im Spitzencluster its OWL

5 Fazit

Literatur

Integrationsplattform

1 Einführung

2 Anwendungsfälle

3 Bedarfe zu bruchlosen Modellen und durchgängigen Werkzeugketten

4 Herstellerneutrale Integrationsplattform

5 Vergleich der Lösungsansätze

6 Prozessunterstützung

7 Zusammenfassung und Ausblick

Literatur

AutomationML in a Nutshell

1 Einleitung

2 Abgedeckter Entwurfsprozess und dessen Entwurfsdaten

3 Anwendungsbeispiel

4 Grundlegende Architektur von AutomationML

5 Modellierung der Systemtopologie und der Systemelemente

6 Integration von Objektsemantik

7 Geometrie und Kinematik

8 Verhaltensmodellierung

9 Modellierung von Netzwerken

10 Integration von weiteren, externen Informationen

11 Anwendungsprozess

12 Zusammenfassung

Literatur

Qualitätssicherung

1 Einleitung

2 Projektrollen und Bedarfe

3 Integrierte Datenmodelle und Daten

4 Fokussierte Inspektionen

5 Beobachtung kritischer Prozess- und Projektparameter

6 Projektbeobachtung für Projekt- und Qualitätsmanagement

7 Zusammenfassung und Ausblick

Literatur

Integration von Automatisierungsgeräten in Industrie-4.0-Komponenten

1 Einleitung

2 I40 Komponenten

3 Modell der AT-Geräte

4 Informationstechnische Beschreibung für AT-Geräte - Gerätebeschreibungen

5 Anwendungsbeispiel

6 Zusammenfassung

Literatur

Beiträge des Semantic Web zum Engineering für Industrie 4.0

1 Einleitung

2 Eine kurze Einführung in das Semantic Web

3 Analyse-Framework

3.1 Technologiemerkmale des Semantic Web

3.2 Nutzen des Semantic Web

4 Die Verwendung von Semantic Web Technologien in industriellen Szenarien

4.1 Modellintegration

4.2 Konsistenzmanagement von Modellen

4.3 Flexibler Vergleich von Engineering-Modellen

4.4 Schlussfolgerungen

5 Beschränkungen von Semantic Web Technologien

6 Zusammenfassung

Literatur

Diagnose von Inkonsistenzen in heterogenen Engineeringdaten

1 Einleitung

2 Anwendungsbeispiel

3 Anforderungen für das Inkonsistenzmanagement

4 Stand der Technik

4.1 Modellbasierte Entwicklung von automatisierten Produktionssystemen

4.2 Management von Inkonsistenzen in Modellen des mechatronischen Systems

5 Konzept zur Diagnose von Inkonsistenzen

5.1 Beispielszenario anhand der Pick and Place-Unit (PPU)

5.2 Wissensbasiertes System zur Diagnose von Inkonsistenzen

6 Diskussion der Ergebnisse und Forschungsgegenstande für zukünftige Arbeiten

Literatur

Schnittstellen ermöglichen Datenintegration in der Prozessindustrie

1 Einführung

2 Ein agiler Weg zu einer schnellen Standardisierung von Schnittstellen

3 Anwendung des agilen Standardisierungsansatzes am Beispiel der PLT-Stelle

4 Standardisierung am Beispiel der Modulintegration

5 Use Cases zum Nutzen der Datenintegration im Umfeld von Industrie 4.0

Literatur

Automatische Generierung von Fertigungs-Managementsystemen

1 Einleitung und Problembeschreibung

2 Umfeld Lebensmittelindustrie

2.1 Herausforderungen der Lebensmittelindustrie

2.2 Anforderungen und Ausprägungen von MES in der Lebensmittelindustrie

3 Ansätze zur durchgängigen Vernetzung

3.1 MES-ML: Die Beschreibungssprache für Fertigungsmanagementsysteme

3.2 Weihenstephaner Standards das Informationsmodell der Lebensmittelindustrie

4 Anwendungsbeispiel: Der Brauprozess

5 Konzept zur automatischen Generierung von Fertigungsmanagementsystemen und Umsetzung in der Domäne Lebensmittelindustrie

5.1 Anlagenmodellierung (Technisches System)

5.2 Prozessmodellierung

5.3 MES-Modellierung

5.4 Spezifikationsgenerator

5.5 MES-Engineering

6 Fazit und Ausblick

Literatur

Teil IV: Vertikale und horizontale Integration

Standardisierte horizontale und vertikale Kommunikation

1 Vertikale und horizontale Integration

1.1 Ausgangssituation

1.2 Mission der OPC Foundation: Interoperabilität

1.3 Transport, Sicherheit, Robustheit

1.4 Kommunikations-Stack und Skalierbarkeit

1.5 Einbindung von Informationsmodellen

1.6 Verbreitung und Anwendungen

1.7 Anwendung: Vertikal - von der Produktion bis in das SAP

1.8 Anwendung: Horizontal - M2M zwischen Geräten der Wasserwirtschaft

1.9 Anwendung: Energie-Monitoring

1.10 Status - Ausblick

Weiterführende Literatur

Industrie 4.0 - Chancen und Herausforderungen für einen Global Player

1 Die Wiedergeburt der Industrie

1.1 Die Siemens-Version der Vision von Industrie 4.0

1.2 Die Digital Enterprise Platform

2 Kundenbeispiele

3 Die Siemens-Roadmap

Literatur

Modellbasierte Softwareagenten als Konnektoren zur Kopplung von heterogenen Cyber-Physischen Produktionssystemen

1 Einführung

2 Konzept der (technischen) Softwareagenten

3 Konzepte der Modellbasierten Entwicklung

4 CPPS-Konnektoren auf der Basis von Softwareagenten

5 Zusammenfassung und Ausblick

Literatur

Semantik durch Merkmale für Industrie 4.0

1 Einleitung

2 Was bedeutet Semantik?

3 Rolle der Semantik beim Informationsaustausch

4 Informationsmodell für Syntax und Semantik

4.1 Übernahme der Benennungen ins Informationsmodell

4.2 Informationsmodell für Merkmale

5 Erhöhung der Durchgängigkeit im Engineering durch merkmalbasierte Semantik

6 Zusammenfassung

Literatur

Rahmenwerk zur modellbasierten horizontalen und vertikalen Integration von Standards für Industrie 4.0

1 Einleitung

2 Das Open-edi Referenzmodell

3 Rahmenwerk zur modellbasierten horizontalen und vertikalen Integration von Standards

4 Identifizierte BOV- und FSV-Standards nach Open-edi

4.1 Die Resource Event Agent Geschäftsontologie

4.2 UN/CEFACT Modeling Methodology und Core Components Specification

4.3 Der Industriestandard ISA-95

4.4 Integration von Modellierungssprachen für Produktionsstätten

4.5 Integration von Automatisierungssystemen

5 Fazit und Ausblick

Literatur

Teil V: Datamining und Datenanalyse in der Industrie 4.0

Big Smart Data - Intelligent Operations, Analysis und Process Alignment

1 Einführung

2 Das Internet der Dinge in Industrie 4.0

2.1 Nutzung der Maschinendaten zur Sicherstellung der störungsfreien Produktion durch vorhersagende Wartung)

2.2 Echtzeitreaktion auf Produktionsdaten auf der Geschäftsebene

2.3 Steuerung der Produktion nach Geschäftsbedürfnis

2.4 Steuerung der Produktion durch Kommunikation von Maschinen untereinander

2.5 Beidseitige Interaktion von Geschäfts- und Produktionsebene

2.6 Produktdatenintegration

3 Big Data

4 Geschäftsprozesse im Kontext Industrie 4.0

Literatur

Datenanalyse in der intelligenten Fabrik

1 Motivation

2 Herausforderungen

3 Lösungen

4 Fallstudien

4.1 Fertigungsindustrie

4.2 Energieanalyse in der Prozessindustrie

4.3 Big Data-Analyse in Verarbeitungssystemen

4.4 Flugdaten in der Luftfahrt

4.5 Zuverlässigkeit und fehlertolerante Steuerung

5 Fazit

Literatur

Juristische Aspekte bei der Datenanalyse für Industrie 4.0

1 Smart Data-Partnerschaften in der Prozessindustrie

2 Rechtliche Einordnung von Industriedaten

2.1 Eigentum an Daten?

2.2 Urheberrechte an Daten

2.3 Leistungsschutzrecht für eine Datenbank

2.4 Schutz von Daten als Betriebs- und Geschäftsgeheimnisse

2.5 Produktsicherheitsrecht

3 Vertragliche Gestaltung eines Smart Data-Austauschs

3.1 Smart Data-Austausch als Dienstvertrag

3.2 Haupt- und Nebenpflichten der Dienstleister

3.3 Haupt- und Nebenpflichten der Auftraggeber

3.4 Haftungsrisiken im Dienstleistungsverhältnis

3.5 Vertragliche Haftungsvereinbarungen

3.6 Beendigung des Dienstleistungsverhältnisses zum Smart Data-Austausch

4 Andere Partnerschaftskonstellationen für den Smart Data-Austausch

4.1 Anlagenbetreiber als Initiator des Smart Data-Austauschs

4.2 Dritter als Initiator des Smart Data-Austauschs

5 Empfehlungen zur Vertragsgestaltung

5.1 Inhalt, Umfang und Ausgestaltung des Vertragsverhältnisses

5.2 Bereitstellung der Rohdaten und der Smart Data

5.3 Verwendungszwecke der Daten

5.4 Schutz von Betriebs- und Geschäftsgeheimnissen

5.5 Reduzierung von Haftungsrisiken

5.6 Zuordnung von Immaterialgüterrechten

6 Ergebnis

Literatur

Teil VI: Zusammenwirken von Mensch und Maschine in der Industrie 4.0

Unterstützung des Menschen in Cyber-Physical Production Systems

1 Motivation

2 Technologien zur Unterstützung der Mensch-Maschine-Schnittstelle

2.1 3D-Prozessdatenvisualisierung

2.2 Nutzerorientierte Prozessvisualisierung durch intelligente Anpassung an Handlungsziel und Mensch

2.3 Augmented Reality (AR)

2.4 Social Networks/Informationssysteme

3 Zusammenfassung und Ausblick

Literatur

Gestaltung moderner Touchscreen-Interaktion für technische Anlagen

1 Bedeutung von Touchscreen-Interaktion in der Industrie 4.0

2 Ausgangslage

2.1 Stand der Technik

2.2 Verbreitete Interaktionskonzepte

2.3 Normen

3 Vorteile und Möglichkeiten moderner Touch-Interaktion

3.1 Technisches Potential

3.2 Interaktions-Potential

3.3 Mobile Bedienung

4 Herausforderungen und Einschränkungen beim Einsatz von Touchscreen-Interaktion

5 Touchscreen-Gestaltung im industriellen Kontext

5.1 Einbau und Platzierung in technischen Anlagen

5.2 Grundlagen der ergonomischen Software-Interaktion

5.2.1 Wahrnehmungsgerechte Gestaltung

5.2.2 Konsistenz

5.2.3 Rückmeldung

5.2.4 Fehlerverhinderung

5.2.5 Effizienz

5.3 Grundlagen der ergonomischen Touchscreen-Interaktion

5.4 Moderne Touchscreen-Interaktion für technische Anlagen

Literatur

Integration des Menschen in Szenarien der Industrie 4.0

1 Einleitung

2 Der Lebenszyklus von Produktionssystemen

3 Interaktion von Mensch und Produktionssystem

3.1 Einfluss auf den Entwurfsprozess

3.2 Einfluss auf den Nutzungsprozess

4 Folgerungen

Literatur

Einsatz mobiler Computersysteme im Rahmen von Industrie 4.0 zur Bewältigung des demografischen Wandels

1 Einführung

2 Motivation: der demografische Wandel in der Arbeitswelt

3 Einordnung von mobilen Systemen und Wearable Computing im Kontext von Ambient Assisted Working

3.1 Komponenten von Wearable Computing-Systemen

3.2 Stand der Technik bei mobilen Systemen und Wearable Computing im Rahmen von Ambient Assisted Working

4 Einsatzfelder von mobilen Systemen und Wearable Computing zur Gestaltung von Ambient Assisted Working

4.1 Einsatz von Wearable Computing-Technologien in der Logistik und Instandhaltung

4.2 Einsatz funktionsangereicherter Arbeitsschutzkleidung als Teil der persönlichen Schutzausrüstung

4.2.1 Einsatz eines unterkleidungsintegrierten Sensorsystems in der Automobilmontage

4.2.2 Einsatz funktionsangereicherter Schutzbekleidung bei der Stahlherstellung

5 Akzeptanz mobiler Systeme und Anforderungen der Anwender

6 Erfolgskriterien für mobile Systeme

7 Fazit und Ausblick

8 Danksagung

Literatur

Sachverzeichnis