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Imagination at work

Industrie 4.0 Referenzarchitektur und Standardisierung

Thomas SchulzRheinische Fachhochschule Köln, 18. Juni 2015

Agenda

2

Was ist Industrie 4.0

Plattform Industrie 4.0

Referenzarchitektur und Standardisierung

Zusammenfassung

Was ist Industrie 4.0

4

198019131880 2020

Zeit

Wel

tbru

tto

inla

nd

spro

du

kt (

BIP

/KK

P)

694 Mrd. $ /Jahr

2 753Mrd. $ /Jahr

20 042Mrd. $ /Jahr

90 000Mrd. $ /Jahr(geschätzt)

Industrieschafft Wohlstand

Quelle: AMPERE 2013 Nr. 1

DatenspeicherungDollar je 1 GB Speicherplatz

anhaltende Dynamik durch neue Technologien und sinkende Kosten

Kosten Rechenleistung und Datenspeicherung

5

Entwicklungs-und Produktions-kostensenkungals Hauptreiber

100.000100.000

19801980 20002000 20102010

0,01 0,01

10.00010.000

1.0001.000

100100

PR

EIS

IN

DO

LLA

R~0

RechenleistungDollar/MIPS (Millionen Instruktionen pro Sekunde)

ZEITSTRAHL

19901990

1010

11

0,10,1

Quellen: (1) "MIPS Equivalents". Carnegie Melon University. http://www.frc.ri.cmu.edu/users/hpm/book97/ch3/processor.list.txt(2) "Cost of Hard Drive Storage Space". Nova Scotia's Electric Gleaner. <http://ns1758.ca/winch/winchest.html>

Perspektive der IP-Netzwerk-Technologie

6

7.36.9 7.6

50 Milliarden

“Smart Objects”

5050

20102010 20152015 20202020

00

4040

3030

2020

1010

GE

RÄ

TE

IN M

ILLI

AR

DE

N

25

Wendepunkt

ZEITSTRAHL

Einwohnerweltweit

Quellen:: (1) Cisco, Harbor Research, www.futuristspeaker.com (2) Statistika, Weltbevölkerung, http://de.statista.com

Rasante Umsetzung der digitalen Infrastruktur

Wachstum des mobilenDatenverkehrszwischen2013 und2019

Perspektive des mobilen Datenverkehrs

7Quelle: Ericsson Mobility Report, June 2014, www.ericsson.com

Hauptreiber istdie ansteigendeAnzahl der Smartphones

2020

20132013 20162016 20192019

00

1515

1010

55

EX

TR

A-B

YT

ES

PR

O M

ON

AT

10X

Mobile PC´s andtablets

Mobilephones

ZEITSTRAHL

Die vier Stufen derIndustriellen Revolution

8

DurchEinführung

arbeitsteiliger Massenproduktion

mithilfe vonelektrischer

Energie

durch Einsatz von

Elektronik und IT zur weiteren

Automatisierungder Produktion

der Aufstieg von verteilten Informations-

netzen

durch Einführung

mechanischer Produktionsanlagen

mithilfe vonWasser- und Dampfkraft

auf Basis von Cyber-

Physical Systems(CPS)

Internet, Big Data,

ErweiterteAnalyse-

methoden,Integration in

Maschinen, Anlagen und

Fuhrparks

Beginn der 70er Jahre

Beginn des20. Jahrhunderts

Ende des18. Jahrhundert

heute

1.

3.4.

Zeit

Gra

d d

er K

om

ple

xitä

t

2.

Quelle: DFKI 2011

Industrie 4.0

Die Technologie, die der vierten industriellen Revolution zum Durchbruch

verhelfen wird, heißt Cyber-Physische Systeme. Sie bilden die Grundlage

für das Internet der Dinge, das im Rahmen von Industrie 4.0 mit dem

Internet der Dienste kombiniert wird. (1)

9Quellen: (1) Was ist Industrie 4.0? Lutz Pössneck, www.silicon.de (2) Bundesministerium für Bildung und Forschung, www.bmbf.de/de/9072.php

Das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 zielt

darauf ab, die deutsche Industrie in die

Lage zu versetzen, für die Zukunft der

Produktion gerüstet zu sein. (2)

Cyber-Physische Systeme (CPS)

“Cyber-Physische Systeme (CPS) adressieren die enge Verbindung

eingebetteter Systeme zur Überwachung und Steuerung physikalischer

Vorgänge mittels Sensoren und Aktuatoren über Kommunikations-

einrichtungen mit den globalen digitalen Netzen (dem „Cyberspace“).“

Ein CPS enthält mindestens

folgende Elemente:

• Eine Verarbeitungseinheit (CPU)

• Einen Datenspeicher

• Ein physisches System

• Ein Kommunikationsinterface

10Source: Cyber-Physical system : Innovation durch Software – Intensive eingebettete Systeme, Manfred Broy, 2010.

Internet der Dinge - Internet of things (IoT)

Der Begriff „Internet der Dinge“ und die Vision wurde bereits 1999 am

Massachusetts Institute of Technology (MIT) von Kevin Ashton geprägt.(1)

.

11Quelle: (1) ITWissen, www.itwissen.info, 9. Dezember 2014

Im Internet der Dinge kann jedes mit

Intelligenz ausgestattete Objekt an der

Kommunikation teilnehmen. Die

Datenspeicherung und Datenverarbeitung

kann dabei lokal oder in Cloud-basierten

Infrastrukturen erfolgen.

Daten sind der Rohstoff der Zukunft

12

Smart Factory Kommuni-kation und Erfassen der Daten

Smart Devices

speichernund analysieren

Big Data

Smart Data

Visualisierenund

steuern

RtOI

Optimierungund

prediktiveDiagnostik

APC PublicCloud

PrivateCloud

Plattform Industrie 4.0

Industrie 4.0 Herausforderungen

Eine erste Herausforderung besteht darin, die etablierten

„Weltbilder“ der Disziplinen

• Produktionstechnik, Maschinenbau, Verfahrenstechnik,

• Automatisierungstechnik,

• Informatik und Internet

zusammenzubringen und eine gemeinsame Sichtweise zu entwickeln.

Leitgedanke ist die Gestaltung des anstehenden digitalen Strukturwandels in der Industrie.

14

Quelle: Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0, acatech, 2013

Gründung Plattform Industrie 4.0

BITKOMBundesverband Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien e.V.www.bitkom.org

VDMAVerband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V.www.vdma.org

ZVEIZentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V.www.zvei.org

15

www.plattform-i40.de

Struktur der Plattform Industrie 4.0

16

Quelle: BMWi Bundesministrium für Wirtschaft und Energie, Pressemitteilung 16. März 2015

Plattform Industrie 4.0Digitale Agenda für Deutschland

17

Plattform Industrie 4.0

AG 1 Referenzarchitektur, Standardisierung und Normung AG 2 Forschung und InnovationAG 3 Sicherheit vernetzter Systeme AG 4 Rechtliche RahmenbedingungenAG 5 Arbeit, Aus- und Weiterbildung

Fokusprojet I4.0 GMA FA 7.21 I4.0FA 7.20 Cyber-Physical SystemsFA 7.22 Arbeistwelt I4.0FA 7.23 Geschäfts-modelle mit I4.0

Kompetenzbereich I4.0AK Cyber-Physcal Systems AK I4.0 Markt und StrategieAK I4.0 Interopera-bilität

Führungskreis I4.0Spiegelgruppen wie AG´s der PlattformSG 1 ...SG 2 ...SG 3 ...SG 4 ...

VDMA-Forum I4.0Handlungsfelder ForschungStandardisierungIT-Sicherheit Mensch & ArbeitProduktionsorga-nisation & Geschäftsmodelle

DIN/DKE Steuerkreis Normung I4.0Deutsche Normungs-Roadmap I4.0Normungs-Roadmap IT-Sicherheit

Plattform Industrie 4.0 Handlungsstränge AG 1

Branchenübergreifende Referenzarchitekturen

für Industrie 4.0

• Bausteine und deren Beziehungen für eine mögliche Referenzarchitektur

identifizieren

• Definieren der Granularität der Bausteine (i4.0-Komponente)

• Mögliche Anordnung und Position der Bausteine in einer

Referenzarchitektur

18

Plattform Industrie 4.0 Handlungsstränge AG 1

Model-basierte Entwicklungsplattform für Industrie 4.0

• Identifikation von von Kernmodellen

• Beschreiben einer durchgängigen, digitalen Repräsentanz und die

Nutzbarmachung über Dienste

• Konzept des Identitätsmanagements

• Smart Factory: Kompetenzen der IT-Branche und der Fertigungsbrachen

zusammenführen

19

Quelle: Umsetzungsstrategie Industrie 4.0 – Ergebnisbericht, Plattform Industrie 4.0, 2015

Industrie 4.0Ergebnisbericht der drei Kernbereiche

(1) Forschung und Innovation

(2) Referenzarchitektur, Standardisierung, Normung

• Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI4.0)

• Referenzmodell für die Industrie 4.0-Komponente

• Standardisierung und Normung

(3) Sicherheit vernetzter Systeme

• Security-by-Design für Industrie 4.0

• Identitätsmanagement

• Standards und Vorgaben

20

Referenzarchitektur und Standardisierung

Größte Herausforderungen zur Umsetzung von Industrie 4.0

22

Quelle: Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0, acatech, 2013

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Standardisierung

Prozess-/Arbeitsorganisation

Verfügbare Produkte

Neue Geschäftsmodelle

Security-Know-how-Schutz

Forschung

Aus- Weiterbildung

Verfügbare Fachkräfte

Rechtliche Rahmenbedingungen

Ergebnisse der Tendenzbefragung

Standardisierung

Standardisierung und Normung als Innovationstreiber

Normen und Standards• sichere Grundlage für die technische Beschaffung

• Sicherstellung der Interoperabilität im Anwendungsfall

• Zukunftssichere Grundlage für die Produktentwicklung

• Unterstützen die Kommunikation durch einheitliche Begriffe und Konzepte

23

Quelle: Die Deutsche Normungsroadmap Industrie 4.0, VDE, 2013

Systemarchitektur

Architektur

Grundlegende Konzepte oder Eigenschaften eines Softwaresystems in

seinem Arbeitsumfeld, dargestellt durch seine Komponeneten und deren

Zusammenspiel basierend auf den Design- und Entwicklungsprinzipien

Architektur-Framework

Grundlagen, Strukturen und Praktiken einer Architekturbeschreibung

etabliert innerhalb einer Anwendunsgdomäne und/oder Gemeinschaft einer

Interessensgruppe

24Quelle: ISO/IEC/IEEE 42010:2011: Systems and software engineering — Architecture description is an international standard for architecture descriptions of systems and software

Systemarchitektur

Technologieneutrales Architekturkonzept• Referenzmodell für die Gesamtarchitektur

25

Schwerpunkte• Serviceorientierung

• Autonomie

• Adaptivität

• Kooperationsfähigkeit

Quelle: Die Deutsche Normungsroadmap Industrie 4.0, VDE, 2013

Referenzmodelle technischer Systeme und Prozesse

Referenzmodelle

• Produktidentifikation, Produktverfolgung und Lebenszyklus-Dokumentation

• Integrative Beschreibung von Produktions- und Geschäftsprozessen

• Beschreibung von Anlagen und Produktionsnetzwerken

• Beschreibung technischer Prozesse

• Beschreibung technischer Geräte

26

Quelle: Die Deutsche Normungsroadmap Industrie 4.0, VDE, 2013

Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0)

27

Quelle: Umsetzungsstrategie Industrie 4.0 – Ergebnisbericht, Plattform Industrie 4.0, 2015

Interoperabilität zwischen Systemen

28

TECHNISCHE INTEROPERABILITÄT

geeignete Netzinfrastruktur zur Gewährleistung der Transaktionssicherheit der Informationsflüsse

� Netzwerkprotokolle

SYNTAKTISCHEINTEROPERABILITÄT

Datentenintegration durch Nutzung gemeinsamer zentraler oder verteilter

Datenbestände � Funktionelle Integration

SEMANTISCHE INTEROPERABILITÄT

Nutzung gleicher Bezugssysteme und

Vokabularien � Thesauri � Klassifikationen� Nomenklaturen

Bestehende Modelle zur Systemarchitektur

IEC TR 62794 Referenzmodell zur Repräsentation von

Produktionsstätten (Digitale Fabrik)

� Gerätemodell

� Merkmalslisten

29

IEC 62264Integration von Unternehmens-

führungs- und Leitsystemen

� Unternehmensmodell

� Anlagenmodell

� Funktionsmodell

IEC 61512Chargenorientierte Fahrweise

� Anlagenmodell

� Prozessmodell

Quelle: Die Deutsche Normungsroadmap Industrie 4.0, VDE, 2013

OBJEKTE UND SEGMENTE

Personalmodell, Anlagenmodell, Materialmodell

IEC 62264 – Modelle und Terminologie

MODELL DER ANLAGENHIERACHIE

Ausrüstungen, die mit der Produktionssteuerung in

Verbindung stehen

30Quelle: DIN EN 62264-1:2014-07 Integration von Unternehmensführungs- und Leitsystemen Teil 1: Modelle und Terminologie

FUNKTIONSMODELL

Detaillierte Darstellung eines abstrakten Modells der

Steuerungsfunktionen und Aktivitäten

INFORMATIONS-AUSTAUSCH

Gemeinsamen Terminologie für den

Informationsaustausch

Objekte und Segmente

31

Personalmodell

Materialmodell

Anlagenmodell

• Gegenstand: Menschliche Arbeitsleistung• Ziel: Verhalten und Ursachen• Kontinuierliche Prozessverbesserung (KPV)

• Gegenstand: Materialeigenschaften• Ziel: Werte und Ergebnisse• Verbesserung der Bestandsqualität• Total Quality Management (TQM)

• Gegenstand: Anlageneffizienz• Ziel: Sollwerte und Abweichungen• Verbesserungen der Nutzung

der Ausrüstungen• Total Productive Maintenance (TPM)

Prozesse

Quelle: ICMERA: Schulz, Chelaru: Model driven Key Performance Indicators concepts for Manufacturing Execution Systems, 2012

Ableitung der Hierachieebenen des Referenzarchitekturmodells RAMI 4.0

32

Quelle: Umsetzungsstrategie Industrie 4.0 – Ergebnisbericht, Plattform Industrie 4.0 , 2015

Abgrenzung „Office Floor“ und „Shop Floor“

33

Quelle: Umsetzungsstrategie Industrie 4.0 – Ergebnisbericht, Plattform Industrie 4.0 , 2015

Industrie 4.0-Komponente

34

Gegenstände

Verwaltungs-Schalemit: Virtueller Repräsentationmit: Fachlicher Funktionalität

Manifest

Resource-Mananger

Gegenstand

Gegenstand

Quelle: Umsetzungsstrategie Industrie 4.0 – Ergebnisbericht, Plattform Industrie 4.0 , 2015

Spezialisierung eines Cyber-Physischen Systems =

Industrie 4.0-Komponente

• ein oder mehrere Gegenstände

• eine Verwaltungsschale mit Resource-Manager

• die virtuelle Repräsentation hält Daten zu dem Gegenstand

• mindestens ein Informationssystem muss eine Verbindung zum Gegenstand halten

• Manifest - Verzeichnis der einzelnen Dateninhalte der virtuellen Repräsentation

Verwaltungs-Schale �

Verwaltungs-Schale �

Verwaltungs-Schale �

Verwaltungs-Schale �

Ein Gegenstand wird zur Industrie 4.0-Komponente

35

Gegenstand(Unbekannt)(Anonym)

(Individuell bekannt)Entität

Gegenstandz.B. elektr. Achse �

Gegenstand, z.B. Maschine �

Gegenstandz.B. Klemmblock

Gegenstandz.B. Standard-SW

Beispiele für Industrie 4.0-KomponentenKeine Industrie 4.0-Komponente

Industrie 4.0-konforme Kommunikation �

���� = Schnittstelle / DatenformateIndustrie 4.0-konform ausgeführt

(Gegenstand gibt ZugriffAuf Verwaltungsschale)

(Übergeordnetes System gibt Zugriff auf

Verwaltungsschale)

Quelle: Umsetzungsstrategie Industrie 4.0 –Ergebnisbericht, Plattform Industrie 4.0 , 2015

Merkmale der Industrie 4.0-Komponente

• Identifizierbarkeitim Netzwerk mittels eines eineindeutigen Identifiers (ID) eindeutig identifizierbar

• Industrie 4.0-konforme KommunikationIndustrie 4.0-Komponenten kommunizieren untereinander mindestens nach dem serviceorientierten Architektur (SOA) Prinzip

• Virtuelle BeschreibungFormale Beschreibung relevanter Funktionen der Maschine und ihrer Abläufe

• Industrie 4.0-konforme Semantik

• Security und Safety

• SchachtelbarkeitJede Industrie 4.0-Komponente kann aus weiteren Industrie 4.0-Komponenten bestehen.

36

Quelle: Umsetzungsstrategie Industrie 4.0 – Ergebnisbericht, Plattform Industrie 4.0 , 2015

Service Oriented Architecture - SOA

DefinitionSOA ist ein Paradigma für die Strukturierung und Nutzung verteilter Funktionalität, die von unterschiedlichen Besitzern verantwortet wird. (1)

Dienstorientierte Architektur• Ein Dienst ist in sich abgeschlossen und kann eigenständig genutzt

werden

• Dienste sind in einem Netzwerk verfügbar

• Dienste sind plattformunabhängig

• Dienste sind in einem Verzeichnis registriert

• Möglichkeit der Dynamische Bindung von Diensten

37

Quelle: (1) Reference Model for Service Oriented Architecture 1.0, Committee, OASIS Standard, 12 October 2006

Service Oriented Architecture - SOA

IEC 18384Reference Architecture for Service Oriented Architecture (SOA)

• Definitionen Dienst, Dienstbringer und Dienstnutzer

• Zusammenstellung und Entwicklung

• Dienstverzeichnis und Veröffentlichung

• SOA Architekturprinzipien

38

Quelle: ISO/IEC 18384 Information Technology - Reference Architecture for Service Oriented Architecture (SOA)

Dienst indentifizierenund Einzelheitennachschlagen

Dienstaufrufen

Dienstveröffentlichen

Dienstbringer

Verzeichnis

Dienstnutzer

Server Anwendung

ClientAnwendung

OPC UA - Generische Diensteplattform mit Systemdiensten

39

IEC 62541 OPC Unified Architecture

• Betriebssystem- und plattformunabhängig

• Internetfähige Service orientierte Architektur (SOA)

• Transport über etablierte Standards wie TCP/IP, HTTP, SOAP und XML

• Rubuster Datentransfer unabhängig von Kommunikationsprotokollen

• Sicherheit der Übertragung durch dreiteilige Sicherheits-Modell

• Skalierbarkeit zur durchgängigen Vernetzung der Kommunikationstechnologie

Quelle: OPC Unified Architecture - Wegbereiter der 4. industriellen (R)Evolution

OPC UA - Generische Diensteplattform mit Systemdiensten

40

Datenmodell• Sämtliche Objekte werden durch Knoten im Adressraum dargestellt

• Typendefinition der Standard-Informationsmodelle mit Eigenschaften und Semantik

− Daten – DA

− Historische Daten – HA

− Alarme und Zustände – AC

− Funktionen - PROG

• Definition eigener Informationsmedelle

Quelle: IEC 62541 - OPC Unified Architecture

DA AC HA PROG

Domain-SpezifischesInformationsmodell

Anwenderspezifikationen

OPCA UA Basisdienste

Web DiensteRegeln für

Modellierung

Zusammenfassung

Handlungsempfehlungen

42

Die Integration von Smart Factory in bestehende Fertigungen STEHT NOCH AM ANFANG

Heute einsetzbare Industrie 4.0 LÖSUNGEN SIND VERFÜGBAR

Im Unternehmen PASSENDE AUFGABEN erkennen und auf ihre Eignung hin überprüfen

Die Entwicklung hin zu Industrie 4.0 ist ein EVOLUTIONÄRER PROZESS

Einführung von Industrie 4.0 erfolgt BAUSTEINWEISE in ÜBERSCHAUBAREN SCHRITTEN

INDUSTRIE 4.0

Thomas SchulzChannel Manager

Central & Eastern Europe

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