Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik: Anwendung · Technologien · Migration

639 Pages·2014·48.842 MB·German

by  Thomas Bauernhansl, Michael ten Hompel, Birgit Vogel-Heuser (eds.)

Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung
und Logistik
Thomas Bauernhansl · Michael ten Hompel ·
Birgit Vogel-Heuser
(Hrsg.)
Industrie 4.0 in Produktion,
Automatisierung und
Logistik
Anwendung · Technologien · Migration
Herausgeber
Thomas Bauernhansl
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und
Automatisierung, Universität Stuttgart,
Stuttgart, Deutschland
Michael ten Hompel
Fraunhofer Institut für Materialfluss und Logistik –
IML, Universität Dortmund,
Dortmund, Deutschland
Birgit Vogel-Heuser
Technische Universität München,
Lehrstuhl für Automatisierung und Informationssysteme,
München, Deutschland
ISBN 978-3-658-04681-1 ISBN 978-3-658-04682-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-04682-8
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Vorwort
Unmittelbar nachdem im April 2013 auf der Hannover Messe die nationale
Plattform Industrie 4.0 gegründet wurde, erlebte der Begriff Industrie 4.0 einen
kometenhaften Aufstieg. Ja, er wird mittlerweile geradezu inflationär verwendet.
Das heißt aber leider auch, dass der Begriff verwässert. Deshalb ist es notwendig,
ein Werk vorzulegen, das die Industrie 4.0-Kernelemente darstellt.
Mit diesem Buch wollen wir für Orientierung rund um das Thema Industrie 4.0
sorgen und insbesondere den Nutzen von Industrie 4.0 für die Anwender
herausarbeiten. Es ist aus unserer Sicht sinnvoll und wichtig, das Thema nicht nur
technologiegetrieben zu betrachten, sondern auch marktgetrieben. Also haben wir
uns – im Interesse der produzierenden Industrie – die Leitfrage gestellt „Welchen
wirtschaftlichen Nutzen kann Industrie 4.0 für Anwender der entsprechenden
Technologien stiften?“.
Nach der Einführung in das Thema befasst sich der zweite Teil deshalb sehr
bewusst mit Anwendungsszenarien, sogenannten Use Cases. Die Use Cases haben
wir allem vorangestellt, um exponiert das Potential von Industrie 4.0 im
Anwendungszusammenhang zu demonstrieren. Direkt nach einer Einführung, in
der die Hauptfragestellungen analysiert und die grundlegenden Begriffe erläutert,
sowie die Herausforderungen und Anforderungen an die IT aus Sicht der
Automatisierungstechnik beschrieben werden, erfolgt die Darstellung der
spezifischen Anwendungen aus Sicht einzelner Branchen.
Der dritte Teil widmet sich den Basistechnologien und stellt die Frage: „Welche
Technologien – enabling technologies – ermöglichen Industrie 4.0?“. Dabei wird
der Stand der Technik innerhalb der spezifischen Basistechnologie betrachtet. Es
werden die Lücken aufgezeigt im Hinblick auf die Anforderungen (zum Beispiel
Sicherheit, Kommunikation, Standards, Kosten), die im Kontext Industrie 4.0 an
diese Basistechnologien gestellt werden, sowie aktuelle Forschungsaktivitäten
vorgestellt, die diese Lücken schließen sollen. Am Ende der Beiträge werden die
Fragen beantwortet, warum die geschilderte Lösung ‚smart‘ ist und welche
Möglichkeiten sich daraus ergeben.
Migrationsszenarien und -prozesse sind Thema des vierten Teils. Er beschreibt den
Veränderungsprozess hin zum Einsatz der Basistechnologien aus dem Industrie
4.0-Kontext. Nach der Beschreibung der Ausgangssituation gehen wir auf die
Herausforderungen mit Blick auf Anwendungsszenarien und den Einsatz von
Basistechnologien im Rahmen der Migration ein. Hier spielen der Umgang mit
Geschäftsmodellen und Altsystemen eine wichtige Rolle sowie die Kompatibilität
und der Umgang mit den Paradigmen der vierten industriellen Revolution – also
Offenheit, Echtzeitfähigkeit und Sicherheit.
VI Vorwort
Im fünften Teil schließlich geben wir aus Sicht der Industrie und der Forschung
einen Ausblick auf die Chancen der Industrie 4.0 und wie sie genutzt werden
können.
Mit diesem Buch wollen wir den Leserinnen und Lesern die Möglichkeit geben, für
sich selbst herauszufinden, welcher zusätzliche individuelle Gestaltungsspielraum
durch Industrie 4.0 möglich wird. Sie sollen erkennen: „Was bringt mir das, was ist
tatsächlich neu, was bedeutet Industrie 4.0 wirklich, was bedeutet es aber auch
nicht?“ Diejenigen, die dieses Buch in die Hand nehmen, sollen einschätzen und
sinnvoll entscheiden können, welche Produkte und Lösungen sie tatsächlich
brauchen und welche Herausforderungen sie auch mit den bereits vorhandenen
Ressourcen meistern können. Zudem können die wenigsten Unternehmen völlig
ohne Zwänge auf der grünen Wiese Ihre Geschäftsmodelle und Prozesse komplett
neu gestalten. Deshalb sind die möglichen Migrationspfade hinein in die vierte
industrielle Revolution elementar wichtig.
Dieses Buch umfasst den Stand der Dinge im Frühjahr 2014. Die Herausgeber
möchten auch zukünftig einen Rahmen bieten, die Geschichte der vierten
industriellen Revolution fortzuschreiben. Hierzu soll ein Handbuch Industrie 4.0
entstehen, das die vorliegenden Beiträge aufnimmt, durch weitere Beiträge und
Themen ergänzt und kontinuierlich aktualisiert. Dem revolutionären Thema
entsprechend, wurde hierfür eine Mischform aus Online-Publikation und
Druckwerk gewählt. Hierdurch wird dem schnellen Wandel Rechnung getragen,
der für die nächsten Jahre zu erwarten ist. Die erste Ausgabe des Handbuch
Industrie 4.0 wird voraussichtlich 2015 im Springer-Verlag erscheinen und
anschließend kontinuierlich fortgesetzt.
Die Reihenfolge bei der Nennung der Herausgeber ist eine rein alphabetische.
Dieses Buch ist in einem Team gleichberechtigter Partner entstanden.
An dieser Stelle wollen wir auch Danke sagen: Dank an alle Autorinnen und
Autoren, die an diesem Handbuch mitgearbeitet haben, an die Redaktion, an
diejenigen, die Korrektur gelesen haben und an den Verlag, der sich mit
hervorragender Unterstützung, vollem Engagement und Elan zu diesem
Unterfangen mit einem ambitionierten Zeitrahmen bereit erklärt hat.
Ganz besonderer Dank gilt unseren Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern,
insbesondere Herrn Andreas Bildstein und Frau Dr. Birgit Spaeth sowie Frau
Dorothea Pantförder, Frau Juliane Fischer und Frau Susanne Rösch, die durch
ihren unermüdlichen Einsatz in Koordination und Organisation die Grundlage für
das pünktliche Erscheinen des Buchs gelegt haben.
Im Februar 2014
Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl, Prof. Dr. Michael ten Hompel, Prof. Dr.-Ing
Birgit Vogel-Heuser
Inhaltsverzeichnis
Teil 1: Einführung ................................................................... 1
Die Vierte Industrielle Revolution – Der Weg in ein
wertschaffendes Produktionsparadigma ............................................... 5
Herausforderungen und Anforderungen aus Sicht der IT und
der Automatisierungstechnik ................................................................ 37
Teil 2: Anwendungsszenarien ............................................. 49
Industrie 4.0 in der praktischen Anwendung ..................................... 57
Use Case Production: Von CIM über Lean Production zu
Industrie 4.0 ............................................................................................... 85
Wandlungsfähige Produktionssysteme für den Automobilbau
der Zukunft ............................................................................................. 103
Use Case Industrie 4.0-Fertigung im Siemens Elektronik
Werk Amberg .......................................................................................... 121
Agentenbasierte dynamische Rekonfiguration von vernetzten
intelligenten Produktionsanlagen – Evolution statt
Revolution ............................................................................................... 145
Enabling Industrie 4.0 – Chancen und Nutzen für die
Prozessindustrie ..................................................................................... 159
Konzepte und Anwendungsfälle für die intelligente Fabrik ........ 173
VIII Inhaltsverzeichnis
Teil 3: Basistechnologien .................................................. 191
Produktionsautomatisierung und Cyber-Physische Systeme
iBin – Anthropomatik schafft revolutionäre Logistik-
Lösungen .................................................................................................. 207
Vom fahrerlosen Transportsystem zur intelligenten mobilen
Automatisierungsplattform ................................................................. 221
Steuerung aus der Cloud ...................................................................... 235
High-Performance Automation verbindet IT und Produktion ..... 249
Steigerung der Kollaborationsproduktivität durch cyber-
physische Systeme ................................................................................. 277
Vertikale und Horizontale Integration
Adaptive Logistiksysteme als Wegbereiter der Industrie 4.0 ........ 297
Standardisierte horizontale und vertikale Kommunikation:
Status und Ausblick .............................................................................. 325
Industrie 4.0 – Chancen und Herausforderungen für einen
Global Player .......................................................................................... 343
Die horizontale Integration der Wertschöpfungskette in der
Halbleiterindustrie – Chancen und Herausforderungen ............... 359
Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik IX
Sicherheit (Security & Safety)
Sichere Industrie-4.0-Plattformen auf Basis von Community-
Clouds ....................................................................................................... 369
IT-Sicherheit und Cloud Computing ................................................. 397
Safety: Herausforderungen und Lösungsansätze ............................ 433
Mensch-Maschine-Interaktion
iProduction, die Mensch-Maschine-Kommunikation in der
Smart Factory ........................................................................................... 451
Unterstützung des Menschen in Cyber-Physical-Production-
Systems ..................................................................................................... 481
Integration des Menschen in Szenarien der Industrie 4.0 ............. 493
Mensch-Maschine-Interaktion ............................................................ 509
Mensch-Maschine-Interaktion im Industrie 4.0-Zeitalter .............. 525
Data Mining und Analyse
Data Mining und Analyse .................................................................... 543
X Inhaltsverzeichnis
Teil 4: Migration .................................................................. 555
SPS-Automatisierung mit den Technologien der IT-Welt
verbinden ................................................................................................. 559
Von der Automatisierungspyramide zu Unternehmens-
steuerungsnetzwerken .......................................................................... 571
Industrie 4.0-Readiness: Migration zur Industrie 4.0-Fertigung .. 581
Teil 5: Ausblick ................................................................... 599
Chancen von Industrie 4.0 nutzen ...................................................... 603
Logistik 4.0 ............................................................................................... 615
Industrie 4.0 – Anstoß, Vision, Vorgehen ......................................... 625
Verzeichnisse ..................................................................... 635
Herausgeber und Autoren .................................................................... 637
Sachwortverzeichnis .............................................................................. 647