Cyber-Physische Systeme

Produzierende Unternehmen stehen stets vor der Herausforderung, qualitativ hochwertige Produkte zu erzeugen, die den strengen Anforderungen der Kunden und des Gesetzgebers genügen. Das Qualitätsergebnis muss trotz entlang der Wertschöpfungskette auftretender Schwankungen und Unregelmäßigkeiten reproduzierbar sein. Das gilt speziell für die Branche der Massivumformung, die durch ihre Abhängigkeit von den Entwicklungen in der Automobil- sowie Luft- und Raumfahrtindustrie zusätzliche Anforderungen durch den dort stattfindenden strukturellen Wandel hin zur E-Mobilität und zum Leichtbau erfährt. Um diesen Herausforderungen gewachsen zu sein, werden Lösungen benötigt, die die zunehmende Komplexität entlang der Prozesskette beherrschbar machen und zu einer erhöhten Prozessstabilität und Effizienz beitragen. Dieser Beitrag stellt einen datengetriebenen Ansatz vor, der darauf abzielt, kurzfristig auftretende Qualitätsschwankungen zu verfolgen. Prozessdaten werden dazu In-Memory ...

Die Produktion der Zukunft findet in einer Umgebung statt, in der intelligente Cyber-Physische Systeme (CPS) das technologische Fundament zur Realisierung einer effizienten und damit wettbewerbsfähigen Produktion bilden. In Verbindung mit dieser Zukunftsvision fehlt es Entscheidungsträgern aus der Industrie, insbesondere des Mittelstands, jedoch an initialen Angriffspunkten für die Implementierung von CPS und der damit verbundenen nachhaltigen Migration zur Smart Factory. Es wird eine Methodik vorgestellt, mit welcher aus unternehmensstrategischer Sicht potenzielle CPS-Einsatzfelder identifiziert werden können und eine damit verbundene Investitionsentscheidung unterstützt werden kann. Das Ziel liegt in der Befähigung eines Entscheidungsträgers zu einer strategischen Auswahl von CPS-Anwendungslösungen im Rahmen von beispielhaften Gestaltungsmöglichkeiten.

Die heutige Industrie befindet sich im Vorfeld einer wesentlichen Transformation, deren Grundlage die systemintegrierte Intelligenz darstellt. Aber wie werden diese Systeme unsere Lebens- und Arbeitsweisen in der Zukunft beeinflussen? Diese Ausgabe von Industrie 4.0 Management bietet Einblicke in mögliche Lösungsansätze aus unterschiedlichen Blickwinkeln, wie Produktionsplanung, Cyber-Physische- und Autonome Systeme oder Maschinelles Lernen.

Das Anwendungszentrum Industrie 4.0 stellt eine hybride Simulationsplattform aus cyber-physischen Systemen (CPS) und realer Automatisierungstechnik bereit. Durch die Kombination von Softwaresimulation und physischer Modellfabrik können alle Produktionselemente der Simulationsumgebung für unterschiedliche Grade an dezentraler Steuerung konfiguriert und reale Industriekomponenten problemlos eingebunden werden. Vorteil ist die plastische Demonstration der Interaktion von CPS in der Fabrik. Unterschiedliche Produktionsprozesse können individuell auf Potenziale untersucht und der Nutzen von Industrie 4.0-Technologien wirkungsvoll aufgezeigt werden. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Bestimmung des für den Prozess am besten geeigneten Grads an dezentraler Produktionssteuerung. Des Weiteren erfolgt die Nutzung der Simulationsumgebung als cyber-physische Forschungsplattform. Sie bietet ein Werkzeug für Forschungsthemen im Rahmen des Produktionsmanagements als auch der Automatisierung.

Industrie 4.0 steht für Lösungen zur Steuerung und Organisation der gesamten Wertschöpfungskette durch eine intensive, informationstechnische Vernetzung von Menschen und Maschinen im Lebenszyklus personalisierter Produkte. Das „Applikationszentrum Industrie 4.0“ des Fraunhofer IPA stellt eine Umgebung dar, um gemeinsam mit der Industrie Cyber-Physische Systeme im Produktionsumfeld zu erforschen, weiterzuentwickeln und Demonstratoren auszuarbeiten. Gleichfalls treibt das Leuchtturmprojekt additive Produktions- und echtzeitnahe Simulationstechnologien voran und integriert sie in ein industrielles Produktionsumfeld.

Die Zukunftsfähigkeit des Industriestandorts Deutschland ist eng mit den Erwartungen, die sich hinter dem Schlagwort Industrie 4.0 verbergen, verbunden. Bei der damit einhergehenden Entwicklung neuer Methoden und Werkzeuge bilden Forschungseinrichtungen eine treibende Kraft. „Wenn du die Absicht hast, dich zu erneuern, tu es jeden Tag“ (Konfuzius). Das Institut für Informationsmanagement im Ingenieurwesen (IMI) am Karlsruher Institut für Technologie verbindet dies durch die Forschungsgebiete Lifecycle Engineering, Knowledge Engineering und Smart Immersive Environments. Die Forschung ist auf die informationstechnische Sicht von Industrie 4.0 ausgelegt. Dies bildet die Basis der vierten industriellen Revolution. Mit der Gründung des „Industrie 4.0 Collaboration Lab“ ist mit Industriepartnern zudem ein wichtiger Grundstein gelegt worden, um auch konkrete Probleme aus der Industrie aufzugreifen und handfeste Lösungen zu entwickeln.

Intelligente und autonome Roboter sind für die Entwicklung der Industrie 4.0 von essentieller Bedeutung. Sie werden als direkte Interaktionspartner gemeinsam mit dem Mensch Aufgaben lösen und Arbeiten verrichten, die wesentlich komplexer als die heutigen Aufgaben typischer Industrieroboter sind. Dabei müssen sie sich in einer unübersichtlichen und unvorhersehbaren Umwelt zurechtfinden und auf Ereignisse sofort reagieren können. Um diese Umwelt erfassen zu können und Handlungen zu planen, ist die Echtzeitverarbeitung komplexer Sensorinformationen notwendig. Herkömmliche Rechnerarchitekturen stellen sich hierbei als unzureichend heraus. Daher werden am DFKI RIC Hardware-Beschleuniger für die Robotik auf Basis des Datenflussparadigmas entwickelt.

Die Ansätze von Industrie 4.0 versprechen eine Veränderung der Produktionsorganisation und -technologie. Die darin geforderte IT-Vernetzung und Flexibilisierung der Produktion ändert den Wertschöpfungsprozess elementar. Dabei ergeben sich eine Reihe neuer Anforderungen zu dessen Absicherung. Besonders für den Produktionsstandort Deutschland spielt die Einhaltung von Qualitätsanforderungen eine zentrale Rolle. Um Ausschuss und Stillstandzeiten zu vermeiden, ist das systematische Testen der korrekten Funktionsfähigkeit von Produktionsanlagen vor Inbetriebnahme schon heute etabliert. Das Testen während des Engineerings und der Inbetriebnahme wird wegen der Dynamisierung der Produktion zukünftig nicht mehr ausreichen. Die Fähigkeit zur Absicherung der Produktion von morgen nimmt eine Schlüsselrolle ein, um die Wirtschaftlichkeit und somit die Akzeptanz für Industrie 4.0 zu steigern.

Deutschland hat bekanntermaßen einen sehr leistungsstarken Industriesektor, dessen Produkte weltweit nachgefragt werden. Diese Stärke lässt sich aus der guten Kooperation zwischen international agierenden Konzernen und einem breiten Spektrum mittelständischer Unternehmen herleiten. Dabei nimmt das produzierende Gewerbe rund 50 % der deutschen Exporte ein. Die wesentlichen Erfolgsfaktoren sind dabei die hohen Qualifikationen der Arbeitskräfte, die weltweit bekannte hochgradige Qualität der Produkte, das dynamische Innovationssystem und die hohe Produktivität der Unternehmen. Allerdings stehen diese Unternehmen vor einer Vielzahl von Herausforderungen. Dazu zählt neben dem steigenden internationalen Wettbewerbsdruck die Notwendigkeit von kontinuierlichen Innovationen, um den Wettbewerbsvorsprung zu verteidigen. Zudem werden die Wertschöpfungsnetze immer komplexer und die Märkte volatiler [1]. Vor dem Hintergrund dieser Entwicklungen spielen flexible Produktionssysteme eine ...

Die verstärkte Verbreitung Cyber-Physischer Systeme (CPS) im Produktions- und Fertigungsbereich erhöht die Anforderung an dessen funktionale Sicherheit und Zuverlässigkeit. Die Instandhaltung hat die Aufgabe, die Verfügbarkeit der Betriebsmittel zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage, mit welcher Arbeitsorganisation und Instandhaltungsphilosophie diese unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten erreicht werden kann. Es wird daher untersucht, welche von vier organisationstypischen Varianten kurz-, mittel- und langfristig zu präferieren sind. Der relative Vergleich wird unter Berücksichtigung unterschiedlicher Organisationsausprägungen an der Zielerreichung vorgenommen. Das gewählte Zielbündel berücksichtigt für CPS typische Effektivitäts- und Effizienzdimensionen.