Industrie 4.0 - Fraunhofer IOSB - Fraunhofer

Fraunhofer IOSB
www.iosb.fraunhofer.de
ISSN 1616-8240
vis IT
[ Industrie 4.0 ]
Impressum
INHALT
Essay
Herausgeber
Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Beyerer
Redaktion
Thomas Casper
4 Industrie 4.0
Seite
Olaf Sauer
Layout und grafische Bearbeitung
Christine Spalek
Druck
Druckhaus Karlsruhe
Druck + Verlag Südwest
Themen
Anschrift der Redaktion
Fraunhofer-Institut für Optronik,
Systemtechnik und Bildauswertung IOSB
Fraunhoferstr. 1
76131 Karlsruhe
Telefon +49 721 6091-300
Fax +49 721 6091-413
[email protected]
© Fraunhofer IOSB
Karlsruhe 2016
6 Industrie 4.0 Roadmap für den Mittelstand
Seite
Thomas Usländer
8 Intelligente Vernetzung von Druckluftverbundsystemen
Seite
Jens Otto
Seite
10 IT-Sicherheit für Industrie 4.0
Christian Haas, Gerhard Sutschet
Seite
12 Projektionsbasierte Montageunterstützung
Ein Institut der Fraunhofer-Gesellschaft
zur Förderung der angewandten
Forschung e. V. München
mit visueller Fortschrittserkennung
Carsten Röcker, Sebastian Robert
17. Jahrgang
ISSN 1616-8240
Kurzbeiträge
Bildquellen
Titel:
MEV
Seite 3, 4, 10/11:
indigo Werbefotografie
Manfred Zentsch
Seite
14 mAssist
Michael Voit
Seite
15 Smart Factory Web: Ein Testbed beim IIC
Kym Watson
Seite 4/5:
Daimler AG
Seite 7: Leitwarte. Daimler, Bremen.
JUNGMANN SYSTEMTECHNIK
Alle anderen Abbildungen:
© Fraunhofer IOSB
Nachdruck, auch auszugsweise,
nur mit vollständiger Quellenangabe und
nach Rücksprache mit der Redaktion.
Belegexemplare werden erbeten.
vis IT
Industrie 4.0
2
Editorial
Liebe Freunde des IOSB,
vier Jahre nach ihrer Ausrufung ist die vierte industrielle Revolution »Industrie 4.0« in der
Wirtschaft angekommen. Ihr Startpunkt war die »Integrierte Forschungsagenda CyberPhysical Systems« der acatech. Inzwischen hat sich bei Produktionsbetreibern, im Maschinenund Anlagenbau, bei Komponentenherstellern und Systemhäusern für produktionsnahe
IT die Erkenntnis durchgesetzt, dass Produktion und IKT miteinander verschmelzen und
große Potenziale für die deutsche Industrie ausgeschöpft werden können. Das IOSB war
von Beginn an einer der Schrittmacher dieses Trends. Ein Beispiel sind unsere Arbeiten zur
semantischen Interoperabilität (»PLUGandWORK«).
In dem vorliegenden IOSB Magazin beleuchten unsere Autoren aktuelle Entwicklungen
und geben Einblicke in laufende Forschungs- und Standardisierungsarbeiten. In seinem
Essay spannt Olaf Sauer den Rahmen für die nachfolgenden Beiträge auf: Er verdeutlicht,
dass Industrie 4.0 nicht nur ein Schlagwort ist, sondern inzwischen zu konkreten Lösungen
führt, die produzierenden Unternehmen Wettbewerbsvorteile und neue Geschäftsmöglichkeiten bieten.
In der laufenden Standardisierung haben die Arbeitsgruppen der Verbände hervorragende
Arbeit geleistet, die es wert ist, auch international verbreitet zu werden. Thomas Usländer
vertieft in seinem Beitrag diese These mit dem besonderen Fokus auf den Mittelstand, der
das Rückgrat der deutschen Industrie bildet.
Neue Möglichkeiten zur Selbstkonfiguration von Komponenten verdeutlicht Jens Otto in
seinem Artikel am Beispiel industrieller Kompressoren. Er beschreibt auch weitere Nutzenpotenziale für datenbasierte Dienstleistungen, die sich aus dem Einsatz von Industrie
4.0-Technologien ergeben.
Ohne IT-Sicherheit und dazugehörende technische Lösungen wird sich Industrie 4.0
nicht dauerhaft und weit verbreitet etablieren, zumal wenn nicht nur einzelne Firmen auf
4.0-Technologien setzen, sondern Netzwerke und Wertschöpfungsketten stärker als heute
miteinander verzahnt sind. In einem aktuellen Industrieprojekt will ein Anlagenbetreiber es
seinen Kunden ermöglichen, direkt Fertigungsaufträge auf seinen Maschinen und Anlagen
einzulasten. Die IOSB-Autoren Christian Haas und Gerhard Sutschet beschreiben, welche
Möglichkeiten es heute schon gibt und woran das IOSB aktuell arbeitet, um solche Szenarien sicher (»secure«) zu ermöglichen.
Trotz aller technologischen Lösungen: Ohne die Zusammenarbeit zwischen Menschen
und Maschinen wird Industrie 4.0 nicht funktionieren: Carsten Röcker, Sebastian Robert
und Michael Voit beschreiben hierzu einige innovative Ansätze zur industriellen MenschMaschine-Interaktion.
Schließlich gibt Kym Watson einen Ausblick auf die internationale Bühne: Er beschreibt,
warum das IOSB gemeinsam mit einem südkoreanischen Partner ein IIC-Testbed aufbaut
und welchen Nutzen Unternehmen davon haben.
Karlsruhe, im April 2016
Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Beyerer
3
vis IT
Industrie 4.0
Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Beyerer
Essay
K O N TA K T
INDUSTRIE 4.0
Dr.-Ing. Olaf Sauer
Noch eine weitere Schrift zum Thema
hat Deutschland mit der Plattform der
Industrie 4.0 – noch eine Stimme im viel-
Verbände und der Vernetzung aller
stimmigen Chor der Fortschritts-Euphoriker?
Stakeholder in der Plattform Industrie 4.0
Nein, denn wir als Fraunhofer IOSB waren
beachtenswerte Ergebnisse erzielt: Wir haben
quasi seit der Stunde null, der Studie zu
die »erste Halbzeit der Digitalisierung«
Cyber Physical Systems, inhaltlich beteiligt.
genutzt, um uns zu vernetzen und konkrete
Endlich, nach langer Zeit des Wunsch-
Schritte unserer Industrie in die Zukunft
denkens über dienstleistungsbasierte
der Digitalisierung zu lenken. Auch in der
Volkswirtschaften, hat die wertschöpfende
Standardisierung können die Arbeitsgruppen
produzierende Industrie wieder die Auf-
der Verbände Topergebnisse vorweisen:
merksamkeit in Gesellschaft und Politik,
Industrie 4.0-Komponente und
die ihr zukommt. Ohne Wertschöpfung
-Verwaltungsschale, das Referenzmodell
gibt es keinen Wohlstand, und auch
und Begriffsdefinitionen sind notwendig,
Dienstleistungen sind mit der Fertigungs-
damit am Ende in der Industrie 4.0 alle
industrie eng verbunden. Endlich gibt es
Komponenten interoperabel kommuni-
wieder (Förder-)Investitionen in Themen
zieren können. Jetzt müssen diese Ergeb-
der sogenannten »Old Economy«, die volks-
nisse international verbreitet werden: Wir
wirtschaftliche Stabilität schafft und trotz-
erwarten, dass die Plattform Industrie 4.0
dem dynamisch nachhaltige Innovationen
und das Industrial Internet Consortium (IIC)
hervorbringt.
institutionalisiert zusammenarbeiten.
An vielen Industrie 4.0-Themen beteiligt
Aufgrund zahlreicher Anfragen asiatischer
und einige Projekte und Trends beobach-
Delegationen in unseren Institutsstand-
tend, stellen wir fest, dass in laufenden
orten und aus weiteren internationalen
F&E-Vorhaben viele auch kleine und mittel-
Kontakten wissen wir, dass auch in Asien
Geschäftsfeld Automatisierung
ständische Unternehmen exzellente Ergeb-
die deutschen Aktivitäten eine hohe Auf-
Fraunhofer IOSB Karlsruhe
nisse erarbeiten. Diese haben noch vor-
merksamkeit genießen. Allen Anzeichen
wettbewerblichen Charakter und müssen
nach hat die deutsche Industrie mit
schnell zu konkreten Produkten und Dienst-
Universitäten und außeruniversitären
Telefon +49 721 6091-477
leistungen weiterentwickelt werden, aber
Forschungseinrichtungen beim Thema
[email protected]
die deutschen Unternehmen sind auf
Industrie 4.0 eine Führungsrolle inne.
www.mes.fraunhofer.de
einem guten Weg. Auch gesellschaftlich
vis IT
Industrie 4.0
4
Bild: Daimler AG
-- Kooperation: Insgesamt kann die Infor-
Aber: Wir können uns nicht zurücklehnen.
plätze in nennenswertem Umfang ver-
Unsere mittelständischen Maschinenbauer
loren gehen. Wieder andere Studien
mationstechnik für die Fabrik der Zukunft
fragen noch viel zu oft nach dem Nutzen
sagen, es werden neue Arbeitsplätze
nicht mehr von einer Forschungseinrich-
von Industrie 4.0. Ihnen fehlt das
durch die Digitalisierung geschaffen.
tung oder einem Unternehmen allein
»Big Picture«, die stringente Vision und
Sicher ist aber, dass wir die Digitalisierung
entwickelt werden, vor allem, wenn
eine daraus abgeleitete Methode, um für
ohne permanente Qualifizierung nicht
es sich um offene statt um proprietäre
sie passende Technologien auszuwählen
schaffen werden. Der Verein Deutscher
Lösungen handelt. Partner aus Forschung
und deren spezifischen Nutzen zu quanti-
Ingenieure (VDI) hat in einem richtungs-
und Industrie müssen gemeinsam Inno-
fizieren. Geschäftsmodelle, mit denen tat-
weisenden Thesenpapier bereits einen
vationen entwickeln und erproben.
sächlich neuer Umsatz generiert wird, sind
Grundstein dafür gelegt1. Nun sind
Als Fraunhofer Institut bieten wir Unter-
noch zu selten; allein prädiktive Instand-
Curricula zu überarbeiten bzw. neu zu
nehmen unsere F&E-Infrastrukturen an,
haltung ist zu wenig. Und dass (fast) jeder
erstellen, sodass Ingenieure und Infor-
um gemeinsam Lösungen zu entwickeln,
Maschinenbauer seine eigene Internet- und
matiker sich systematisch einander
z. B. für Intelligente Maschinen und
Diensteplattform aufbauen will, kann auch
annähern – Spezialisten brauchen wir
Komponenten oder zukunftsfähige
nicht zielführend sein. Wir brauchen also
naturgemäß weiterhin.
Manufacturing IT-Lösungen2. In Kürze
werden wir mit der Karlsruher For-
weitere Anstrengungen auf den folgenden
Feldern:
-- Standardisierung: Damit sich Geräte
schungsfabrik3 am Campus Ost des KIT
und Maschinen in Industrie 4.0 verste-
über eine Umgebung verfügen, in der
hen, muss weiter standardisiert werden.
wir – gemeinsam mit Karlsruher For-
bereits agiert und diverse Förder-
Speziell zum Thema mit dem sperrigen
schungspartnern – unreife Produktions-
programme einschließlich regionaler
Namen »Semantische Interoperabilität«
prozesse schnell zur Industriereife bringen.
Mittelstands-4.0-Zentren initiiert. Auch
liefert die jetzt vorgelegte Companion
die IHKn sorgen mit regionalen Arbeits-
Specification des AutomationML-
kreisen dafür, dass kleine und mittel-
Vereins und der OPC Foundation die
ständische Unternehmen besser in die
Basis, dass sich Geräte identifizieren und
Innovationsprozesse eingebunden wer-
ihre Beschreibung für jeden Teilnehmer
den und der Nutzen von Industrie 4.0
verständlich – weil maschinenlesbar –
transparent wird.
kommunizieren, und zwar über einen
-- Mittelstandszentren: Die Politik hat
Standard (OPC UA), der im Begriff ist,
-- Interdisziplinäre Qualifikation: Das
World Economic Forum hat jüngst eine
Studie veröffentlicht, nach der Arbeits-
sich weltweit zu etablieren.
Literatur:
[1] Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnik in der Ingenieurarbeit der Zukunft.
Thesen und Handlungsfelder. VDI: Januar 2015
[2] siehe: www.iosb.fraunhofer.de/servlet/is/59646/
[3] siehe: www.forschungsfabrik-co.de
5
vis IT
Industrie 4.0
Themen
INDUSTRIE 4.0 ROADMAP
FÜR DEN MITTELSTAND
Service-Engineering unter Beachtung von Sicherheit, Echtzeitfähigkeit und Verlässlichkeit wird zum
zentralen Baustein einer Industrie 4.0 Roadmap.
Wohl selten gelingt es, einen in Deutschland
seinen Fähigkeiten und seiner Interaktion
geprägten Begriff wie »Industrie 4.0« in
mit Maschinen im Fokus zahlreicher innova-
der Fachwelt und weit darüber hinaus zu
tiver Anwendungsfälle, z. B. bei der gesten-
verankern. Als Aufruf zum Wandel in Rich-
basierten Inspektion der Produktqualität.
tung einer vierten industriellen Revolution
hat der Begriff weltweite Bedeutung erlangt
Wenn Internet-Technologien in einer indus-
und wird in der Fachszene der industriellen
triellen Produktionsumgebung eingesetzt
Produktion auch in Asien und den USA
werden sollen, müssen diese ausdrücklich
diskutiert. Aber was bedeutet Industrie 4.0
dafür ausgelegt werden. Je nach Prozess
für den Mittelstand in Deutschland?
in der jeweiligen Wertschöpfungskette,
K O N TA K T
ob maschinennah oder auf den Industrie
Egal, welchen Begriff man dafür wählt,
4.0-Marktplätzen, sind hier die sogenannten
ob Industrie 4.0 oder »Industrial Internet«
nicht-funktionalen Systemanforderungen
wie in den USA: Es geht um die Anwendung
besonders zu beachten, wie z. B. Robustheit,
der Prinzipien des entstehenden Internets
Zuverlässigkeit, Echtzeitfähigkeit, Dienst-
der Dinge und Dienste auf die industrielle
güte, Betriebssicherheit (safety) und IT-
Produktion. Dies ermöglicht dann beispiels-
Sicherheit (security). Während Standards
Informationsmanagement
weise eine Ad-hoc-Kommunikation von
der Automatisierungstechnik, wie z. B.
und Leittechnik (ILT)
»smarten« Produkten mit einer Werkzeug-
Feldbussysteme, das Kommunikations-
Fraunhofer IOSB Karlsruhe
maschine, um den nächsten Produktions-
problem zwischen Software-Komponen-
schritt »auszuhandeln«, oder die automa-
ten und Systemen innerhalb einer Ebene
Dr.-Ing. Thomas Usländer
tische Präsentation von Qualitätsdaten und
(horizontale Interoperabilität) adressierten,
Telefon +49 721 6091-480
Auswertungen auf einem Smartphone des
blieb die vertikale Interoperabilität bislang
[email protected]
Instandhalters, wenn sich dieser der Anlage
zumeist unberücksichtigt. Hier geht es
www.iosb.fraunhofer.de/ILT
nähert. Überhaupt steht der Mensch mit
einerseits um den reibungslosen Austausch
vis IT
Industrie 4.0
6
Leitwarte. Daimler, Bremen.
Technologische Herausforderungen und Einflussgrößen auf dem Weg zu einem Industrie 4.0 Service-Netzwerk.
von Produktions-, Stamm- und Qualitäts-
• Welche meiner Produkte könnten mit
FAZIT
daten und andererseits um den direkten
welchen Diensten angereichert werden,
Industrie 4.0 ist kein Produkt, das man
Durchgriff auf Funktionen (z. B. Aufruf
heute (1 bis 2 Jahre), morgen (3 bis 5
heute kaufen kann. Es ist aber auch kein
einer Anlagenstatistik) über Ebenengrenzen
Jahre) und übermorgen (5 bis 10 Jahre)?
Technologietrend, der heute als Hype dis-
hinweg. Es zeichnet sich ein klarer Trend ab,
• Welche Geschäftsmodelle würden damit
hin zu einer durchgängigen, serviceorientierten Software- und System-Architektur,
von den Feldgeräten über eine skalierbare
Datenhaltung in einer sicheren Cloud bis
hin zu Datenanalyse- und Visualisierungsanwendungen.
Wie kann sich nun ein Unternehmen,
insbesondere ein kleines oder mittelstän-
unterstützt oder gar erst ermöglicht?
• Mit welchen Produkten / Diensten
Produkte sinnvoll vernetzt werden?
der neue Geschäftsmodelle ermöglicht oder
• Welche Voraussetzungen müssen
dazu den Prozess aktiv mitzugestalten.
organisatorisch, betriebswirtschaftlich,
Das Fraunhofer IOSB ist der Spezialist bei der
personell und technisch?
Erstellung von Roadmaps mit einer unter-
• Welche Rolle hat die IT-Abteilung in
Wird sie als strategische Einheit gesehen
wenn aber allgemein akzeptierte Stan-
für Innovationen?
tung kann man sich der Industrie 4.0
gar erzwingt. Es lohnt sich, bereits heute
dazu geschaffen werden, und zwar
meinem Unternehmen?
der konkreten technologischen Ausgestal-
sollte vielmehr als Innovationsprozess für die
nächsten 10 bis 20 Jahre identifiziert werden,
auf diesen Technologietrend einstellen,
Abstimmung sind [2]? Unabhängig von
Ernüchterung eintauchen wird. Industrie 4.0
anderer Unternehmen können meine
disches Unternehmen (KMU), heute schon
dards dafür noch in der Entwicklung und
kutiert und dann in die große Phase der
nehmensspezifischen Anforderungsanalyse,
Architektur- und Technologieberatung.
• Welche Rolle spielt die IT-Strategie in
meinem Unternehmen und welche
Bedeutung hierin haben IT-Standards?
• Welche Software-Engineering-Kompe-
schon heute mit den folgenden Fragen
tenz hat mein Unternehmen, um den
nähern und damit eine unternehmens-
Technologietrend aktiv und gestaltend
spezifische Roadmap erstellen:
aufgreifen zu können?
Literatur:
[1] Usländer, T.: Agiles Service-Engineering für
Industrie 4.0 . Konferenzband VDI Kongress
AUTOMATION 2016 – Secure & reliable in the
digital world, 7.-8.6.2016, Baden-Baden
[2] Usländer, T.; Epple, U.: Reference model of
Industrie 4.0 service architectures. at-Automatisierungstechnik, 63(10), 858-866, 2015
7
vis IT
Industrie 4.0
Themen
INTELLIGENTE VERNETZUNG VON
DRUCKLUFTVERBUNDSYSTEMEN
K O N TA K T
»PLUGandWORK« Mechanismus für Druckluftverbundsysteme.
Jens Otto, M.Sc.
Druckluftsysteme werden für eine Vielzahl
Um die Anforderungen an Druckluftsysteme
von industriellen Anwendungen eingesetzt,
bezüglich Leistung, Kosten, Effizienz und
Anwendungszentrum
wie z. B. für Cyber-physische Produktions-
Verfügbarkeit zu erfüllen, werden heutzu-
Industrial Automation (INA)
systeme in der Forschungsfabrik
tage zunehmend Druckluftverbundsysteme
Fraunhofer IOSB Lemgo
SmartFactoryOWL, einer gemeinsamen
mit einem übergeordneten Druckluft-
Initiative der Fraunhofer-Gesellschaft und
managementsystem eingesetzt. Ein Druck-
der Hochschule Ostwestfalen-Lippe in
luftverbundsystem besteht aus einer zent-
Telefon +49 5261 94290-44
Lemgo. Druckluftsysteme bestehen aus
ralen Steuerung, verteilten Kompressoren
[email protected]
Erzeuger, Speicher und Verbraucher, die im
und Kommunikationsverbindungen. Für die
www.iosb-ina.fraunhofer.de
Idealfall aufeinander abgestimmt sind.
Inbetriebnahme eines Druckluftverbund-
vis IT
Industrie 4.0
8
Die Intelligente Vernetzung von Druckluftsystemen ist in der SmartFactoryOWL erlebbar.
systems müssen für jeden Kompressor
zu erreichen, wurde die Middleware OPC UA
Peter Boldt, Entwicklungsleiter bei Boge
unter anderem Kommunikationsparameter
ausgewählt. OPC UA ermöglicht es, mithilfe
Kompressoren, Bielefeld: »Der Techno-
und Leistungsparameter, wie Druck- und
eines Informationsmodells die Fähigkeiten
logietransfer durch das Fraunhofer
Volumenströme, konfiguriert werden.
eines Kompressors semantisch zu beschrei-
IOSB-INA hat unsere Entwicklung im
ben und einen einheitlichen Zugriff auf
Bereich der Automatischen Konfiguration
Im Transferprojekt »Automatische Konfi-
Beschreibungen sowie Funktionen und
und Intelligenten Systemvernetzung in
guration verteilter Druckluftsysteme« des
Daten zu erhalten.
sehr kurzer Zeit auf den aktuellen Stand
Spitzenclusters »Intelligente Technische
der Wissenschaft und Technik gebracht.
Systeme OstWestfalenLippe«, kurz »it`s
Auf der Basis der Spezifikation OPC UA
Wir werden kurzfristig mit entsprechen-
OWL«, konnte die Inbetriebnahme von
für Geräte hat das Fraunhofer IOSB-INA
den Produkten am Markt neue Applika-
Druckluftverbundsystemen vereinfacht
ein Informationsmodell für Kompressoren
tionen bedienen. Dieser einfache Weg
werden. Die Projektpartner waren das
entwickelt. Dieses Informationsmodell dient
der Erschließung von Innovationen wird
Fraunhofer-Anwendungszentrum Industrial
als Grundlage für einen herstellerüber-
unseren Standort OWL nachhaltig
Automation (IOSB-INA) aus Lemgo und die
greifenden Standard zur Beschreibung von
stärken und ausbauen.«
Firma Boge aus Bielefeld, Hersteller von
Druckluftkomponenten, wie z. B. Speicher,
Druckluftsystemen.
Filter, Vakuumsauger und Ventilsysteme.
Dazu ist jeder Kompressor mit einem OPC UA
Im Projekt wurden Industrie 4.0 Basis-
Server ausgestattet. Das Druckluftmanage-
technologien des Forschungsprojektes
mentsystem kann die Informationen über
»it`s OWL Intelligente Vernetzung« für
verbundene Kompressoren im Druckluft-
einen »PLUGandWORK«, Mechanismus in
verbundsystem über einen OPC UA Disco-
die Welt der Druckluftsysteme übertragen.
very Server abfragen. Der Discovery Server
Für eine intelligente Vernetzung zwischen
identifiziert die im Netzwerk befindlichen
dem Druckluftmanagementsystem und den
Kompressoren mithilfe von Multicast DNS
Kompressoren sind die automatische Erken-
Anfragen entsprechend der Spezifikation
nung von Kompressoren und eine seman-
OPC UA Teil 12: Discovery.
tische Beschreibung der Fähigkeiten eines
Kompressors notwendig. Das bedeutet,
Im April 2016 wird der »PLUGandWORK«,
das Druckluftmanagementsystem benötigt
Mechanismus in die Forschungsfabrik
die Information, welche Kompressoren im
SmartFactoryOWL integriert, um die Lösung
Druckluftverbundsystem vorhanden sind,
der intelligenten Vernetzung für Druckluft-
welche Parameter konfiguriert werden
verbundsysteme zu erproben. Das Lösungs-
müssen und welche Funktionen ausgeführt
konzept des Fraunhofer IOSB-INA hilft der
werden können, wie z. B. Start der Druck-
Firma Boge, basierend auf offenen Industrie-
luftproduktion. Das Druckluftmanagement-
standards, das Druckluftmanagementsystem
system wird durch eine Middleware mit
automatisch mit verteilten Kompressoren
den Kompressoren verbunden. Um eine
zu verbinden. Dadurch wird die Inbetrieb-
möglichst hohe Akzeptanz in der Industrie
nahme vereinfacht und kostengünstiger.
Literatur:
[1] Otto, J.; Böttcher, B.; Niggemann, O.: Plug-andProduce: Semantic Module Profile; In: DagstuhlWorkshop MBEES: Modellbasierte Entwicklung
eingebetteter Systeme IV; April 2013
[2] Dürkop, L.; Trsek, H.; Otto, J.; Jasperneite, J.:
A field level architecture for reconfigurable realtime automation systems. In: 10th IEEE Workshop
on Factory Communication Systems, Toulouse,
Mai 2014
[3] Otto, J.; Schriegel, S.; Niggemann, O.: Eine
Taxonomie für Plug & Produce. In: Automation
2015, Baden-Baden, Jun. 2015
[4] Otto, J.; Niggemann, O.: Automatic Parameterization of Automation Software for Plug-andProduce. In: AAAI-15 Workshop on Algorithm
Configuration (AlgoConf), Austin, Texas, Jan. 2015
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vis IT
Industrie 4.0
Themen
IT-SICHERHEIT FÜR INDUSTRIE 4.0
K O N TA K T
Dr.-Ing. Christian Haas
Informationsmanagement
und Leittechnik (ILT)
Fraunhofer IOSB Karlsruhe
Telefon +49 721 6091-605
[email protected]
K O N TA K T
www.iosb.fraunhofer.de/ILT
Das IT-Sicherheitslabor des Fraunhofer IOSB.
Moderne Produktionsanlagen sind hoch-
Schäden oder Produktionsausfälle sind
gradig vernetzt. Steuerungen und einge-
geeignete Maßnahmen zur Vermeidung
bettete Systeme kommunizieren selbst-
von Sicherheitsvorfällen dringend erforder-
ständig miteinander, Planungssysteme aus
lich. IT-Sicherheit (im Sinne von Security
der Cloud berechnen Auftragsschritte und
– Sicherheit gegen Angriffe) ist eines der
Maschinenbelegungen, Anlagenführer
erfolgskritischen Themen, das als Voraus-
überwachen und steuern aus der Ferne,
setzung für funktionierende und umfas-
Wartungspersonal kann weltweit zugreifen
sende Industrie-4.0-Lösungen bearbeitet
und Konfigurationsänderungen ausführen.
und sichergestellt werden muss.
Der Schutz von Produktionsanlagen endet
IT-Sicherheit in der industriellen Produktion
heute nicht mehr am Fabrikgelände. An-
muss dabei spezifische Randbedingungen
greifer können in Systeme eindringen und
berücksichtigen, die im Büroumfeld, bei
diese manipulieren, Schadcode-Infektionen
PC-Arbeitsplätzen und Internet-Servern so
können weite Bereiche lahmlegen und dabei
nicht zu finden sind. Die Steuerung von
auch immense physische Schäden sowie
Produktionsanlagen stellt Echtzeit-Anfor-
Informationsmanagement
Gefahren für Leib und Leben verursachen.
derungen, die Veränderungen auf den Sys-
und Leittechnik (ILT)
Produktionsanlagen sind nicht erst seit
temen schwierig bis unmöglich machen. So
Fraunhofer IOSB Karlsruhe
Stuxnet, Duqu und Havex Ziele für Cyber-
können Software-Patches auf den Systemen,
Angriffe. Besonders im Zukunftsprojekt
Installation von Überwachungs-Software,
Dipl.-Inform. Gerhard Sutschet
Industrie 4.0 wird in den nächsten Jahren
Malware-Scannern und Antivirus-Program-
Telefon +49 721 6091-370
eine Öffnung der Produktionsnetze inner-
men die Funktionsfähigkeit beeinträchtigen,
[email protected]
halb des Unternehmens oder gar zu exter-
Firewalls im Netzwerk und verschlüsselte
www.iosb.fraunhofer.de/ILT
nen Partnern erfolgen. Zum Schutz gegen
Verbindungen zwischen den Systemen
vis IT
Industrie 4.0
10
können die Echtzeit-Bedingungen beein-
IT-Sicherheitslabor bietet eine gesicherte
Das IT-Sicherheitslabor ist in diesem Sinne
trächtigen. Auch der vergleichsweise lange
Umgebung, um die gesamte hierarchische
eine Test- und Demonstrationsumgebung,
Nutzungszeitraum von Hard- und Software
IT-Infrastruktur einer Fabrik mit Büronetz
in der sich Sicherheitsuntersuchungen an
in der Produktion unterscheidet sich erheb-
sowie Netzen für Produktionsplanung,
industriellen IT-Komponenten durchführen
lich von anderen IT-Einsatzgebieten.
-überwachung und -steuerung nachzubilden.
lassen. Im Rahmen des vorgestellten IT-
Für Produktionsumgebungen müssen
Diese wirklichkeitsnahe IT-Netzwerkumge-
Sicherheitslabors arbeitet das Institut an
daher neue Strategien und Verfahrens-
bung ist teilweise aus typischen industriellen
der Weiterentwicklung von Werkzeugen
weisen gefunden werden, um IT-Sicherheit
Netzelementen aufgebaut sowie in einer
und Sicherheitsmechanismen, speziell für
in der Praxis umzusetzen, und das nicht nur
Cloud als virtuelle Netzwerkstruktur abge-
industrielle Produktionsumgebungen.
in neuen Systemen, sondern vor allem in
bildet. In diese Umgebung sind einzelne
Die Erkennung von Schwachstellen in
Altanlagen.
industrielle Steuerungskomponenten
Konfigurationen und Fehlern in Software-
(z. B. Speicherprogrammierbare Steue-
Implementierungen von Komponenten und
Das Fraunhofer IOSB bietet mit dem IT-
rungen, HMI, Sensoren und Aktoren) sowie
Geräten ist ein weiteres Arbeitsgebiet der
Sicherheitslabor eine ideale Testumgebung,
weitere Unterstützungssysteme (Switches,
IT-Sicherheitsexperten des Fraunhofer IOSB.
um reale Szenarien nachzustellen und die
Router und Firewalls) integriert, die simu-
Für die Verwundbarkeitsanalyse können
Auswirkungen von Angriffen zu untersu-
lierte und reale Fertigungsprozesse steuern
dabei die Ressourcen der Cloud gebündelt
chen. Das speziell für Produktions- und
und überwachen.
werden, um Angriffe gegen reale Systeme
Automatisierungstechnik ausgestattete
und Komponenten durchzuführen oder mit
Fuzzing-Werkzeugen Implementierungsfehler zu finden. Die Einrichtungen des
IT-Sicherheitslabors werden daneben auch
zu Ausbildungs- und Trainingszwecken
genutzt. Schulungsveranstaltungen zum
Einsatz von beispielsweise OPC UA
Mechanismen oder zur Planung und zum
Aufbau sicherer Produktionsnetze runden
das Angebot ab.
FAZIT
Moderne Produktionsanlagen und Komponenten der Industrie 4.0 sind ans Internet angebunden, miteinander vernetzt und damit
immer angreifbarer. Das Fraunhofer IOSB
bietet mit dem IT-Sicherheitslabor eine Testumgebung, um Attacken auf diese Netze
zu simulieren und Lücken aufzuspüren.
Das IT-Sicherheitslabor beinhaltet typische Automatisierungskomponenten und Netze.
11
vis IT
Industrie 4.0
Themen
PROJEKTIONSBASIERTE MONTAGEUNTERSTÜTZUNG MIT VISUELLER
FORTSCHRITTSERKENNUNG
K O N TA K T
Prof. Dr. Dr. habil. Carsten Röcker
Anwendungszentrum
Industrial Automation (INA)
Fraunhofer IOSB Lemgo
Telefon +49 5261 7025488
[email protected]
www.iosb-ina.fraunhofer.de
Prototyp eines projektionsbasierten Montagearbeitsplatzes.
In schnelllebigen Märkten sind flexible und
zialisierten Bereichen eine ökonomisch
individuelle Produktionsprozesse mehr
sinnvolle Alternative zu vollautomatischen
denn je gefragt. Traditionelle Produktions-
Produktionsprozessen bilden.
K O N TA K T
landschaften, die oftmals durch lange Rüstzeiten und investitionsintensive Vorarbeiten
Eine Schlüsselrolle kommt dabei der effi-
charakterisiert sind, können den Anforde-
zienten Verknüpfung maschineller und
rungen hoch individualisierter Produkte und
menschlicher Produktionsprozesse zu.
Anwendungszentrum
sich ständig ändernder Kundenwünsche
Am Beispiel einer projektionsbasierten
Industrial Automation (INA)
nicht nachkommen und werden zunehmend
Montageunterstützung untersucht das
Fraunhofer IOSB Lemgo
durch agile, teilautomatisierte Produktions-
Fraunhofer Anwendungszentrum Industrial
systeme ersetzt. Demgegenüber gewinnen
Automation (IOSB-INA) in Zusammenarbeit
Sebastian Robert, M.Sc.
intelligent vernetzte Montageplätze auf-
mit der Bosch Rexroth AG, wie Montage-
Telefon +49 5261 94290-30
grund der flexiblen Anpassungsmöglich-
mitarbeiter in Abhängigkeit ihrer indivi-
[email protected]
keiten in der Industrie 4.0 wieder vermehrt
duellen Fähigkeiten zielführend in den
www.iosb-ina.fraunhofer.de
an Bedeutung und können in stark spe-
Produktionsprozess eingebunden und an
vis IT
Industrie 4.0
12
welchen Stellen sie anhand von bestehen-
Darüber hinaus bietet das interaktive
den Technologien gezielt unterstützt wer-
Montagesystem weitere Möglichkeiten
den können. Die Nutzerakzeptanz steht
zur individuellen Unterstützung der Pro-
dabei im Vordergrund und wird als wesent-
duktion. Neben einem integrierten Multi-
licher Faktor für den Erfolg bei der prak-
Touch-Screen und Pick-to-Light-Modulen
tischen Umsetzung angesehen. Durch die
können visuelle Hilfestellungen in Form
Verbindung realer Montagetätigkeiten
von Text, Grafik oder Videosequenzen durch
mit Informationen aus der virtuellen Welt
Projektionen direkt auf dem Montagearbeits-
wird der Mitarbeiter sukzessive durch den
platz abgebildet werden [1], [2]. In Verbin-
Montageprozess begleitet und damit der
dung mit der Gestenerkennung durch das
Mensch stärker ins Blickfeld von Industrie
Tiefenkamerasystem lässt sich das Assistenz-
4.0 gerückt.
system zusätzlich durch Touch-Erkennung
Erkennung und Tracking von Handbewegungen.
(»Smart Surface«) auch in industriellen
Um eine optimale Integration in die
Umgebungen sicher und intuitiv steuern.
bestehende Produktionslandschaft zu
Zur nachhaltigen Qualitätssicherung beste-
gewährleisten, identifiziert das Assistenz-
hen zudem weitere Schnittstellen zu
system mittels Sensortechnik das jeweilige
Positionserkennungs- oder Schraubdaten-
Werkstück und lädt den entsprechenden
erkennungssystemen, wodurch sich Werk-
Arbeitsplan über eine Anbindung aus dem
zeugprozesse (z. B. Position eines Schrauber-
übergeordneten ERP-System. Um den
systems) gezielt erkennen und steuern
Mitarbeiter auch während der produktiven
lassen. Zur konsequenten Produktrückver-
Arbeit fortwährend zu schulen, kann das
folgbarkeit können sämtliche Produktions-
Assistenzsystem die relevanten Produktions-
parameter (z. B. verwendete Komponenten,
schritte des Montageprozesses mittels eines
Montageschritte, Montagedauer etc.)
Kamerasystems verfolgen. Dadurch lassen
ergänzend durch das Assistenzsystem erfasst
sich einzelne Montageschritte prüfen
und mittels RFID direkt am produzierten
(z. B. das Greifen eines einzelnen Bauteils),
Bauteil gespeichert werden.
Smart-Surface-Integration.
it’s OWL – Intelligente Technische Systeme
mittels Gestenerkennung der Fortschritt des
Produktionsprozesses intuitiv steuern und
Das Fraunhofer Anwendungszentrum
OstWestfalenLippe (Halle 16) sowie auf
schließlich die korrekte Montage sukzessiv
Industrial Automation und die Bosch
zwei weiteren Ständen der Bosch Rexroth
sicherstellen. Dazu arbeitet das Kamera-
Rexroth AG haben zusätzlich einen Fokus
AG (Halle 7 und Halle 17) präsentiert.
system mit dem Structured-Light-Prinzip
auf einen modularen und flexibel anpass-
und projiziert ein Infrarot-Punktmuster in
baren Systemaufbau gelegt, um auch ein-
den Raum. Die reflektierten Infrarotstrahlen
zelne Komponenten des Assistenzsystems
werden anschließend durch eine Infrarot-
bedarfsorientiert in bestehende Produktions-
kamera empfangen und mittels Triangula-
systeme integrieren oder nachrüsten zu
tionsverfahren zu einem Tiefenbild der Szene
können. Das Montageassistenzsystem
zusammengefügt. Auf diese Weise können
wird auf der Hannover Messe vom 25. bis
der gesamte Montagebereich erkannt und
29. April 2016 sowohl im Rahmen des
Produktionsschritte verfolgt werden.
Gemeinschaftsstands des Spitzenclusters
Literatur:
[1] Paelke, V.; Röcker, C.; Koch, N.; Flatt, H.;
Büttner, S.: User interfaces for cyber-physical
systems. at-Automatisierungstechnik, 63(10),
833-843, 2015
[2] Büttner, S.; Sand, O.; Röcker, C.: Extending the
Design Space in Industrial Manufacturing Through
Mobile Projection. In Proceedings of the 17th International Conference on Human-Computer Interaction with Mobile Devices and Services Adjunct
(pp. 1130-1133). ACM, (2015, August)
13
vis IT
Industrie 4.0
Themen
mAssist
Intuitive Gesteninteraktion mit projiziertem User Interface direkt am Werkstück.
mAssist
INTELLIGENTE WORKFLOWANALYSE
ist ein innovatives Assistenzsystem, das
Das erste Modul liefert Daten über Monteur
Montageprozesse in Echtzeit beobachtet,
und Objekte, das zweite Modul wendet
Arbeitsschritte analysiert und bei Bedarf
intelligente Analyseverfahren darauf an:
den Monteur unterstützend anleitet.
Für das vorgegebene Ziel wird der optimale
Mit seinen drei aufeinander aufbauenden
Arbeitsablauf berechnet und ein Soll-Ist-
Modulen bietet mAssist größtmögliche
Vergleich mit der Echtzeiterfassung durch-
Flexibilität, um sich auf individuelle Anwen-
geführt. Damit werden individuell zuge-
dungsfälle zuschneiden zu lassen.
schnittene Assistenzfunktionen möglich,
die u. a. den optimalen nächsten Arbeits-
ERFASSUNG VON PERSONEN UND
schritt vorschlagen. Bei Abweichungen
OBJEKTEN
adaptiert sich das System und passt sich
Eine kamerabasierte Erfassung erkennt
der neuen Situation automatisch an. Da
Personen, ihre Arm- und Körperbewe-
die Sensorbox auch Personen voneinander
gungen sowie Objekte, mit denen sie
unterscheidet, lassen sich Arbeitsschritte
arbeiten. Um beliebig große Flächen mit
individuell und Assistenzfunktionen perso-
einem Sensornetzwerk erfassen zu können,
nenbezogen gestalten.
K O N TA K T
setzt mAssist auf die IOSB-Sensorbox,
die von Grund auf für Skalierbarkeit und
PROJEKTION UND GESTENINTERAKTION
hohen Datenschutz der Betroffenen konzi-
Die Assistenzfunktionen werden mithilfe
piert wurde. Die Sensorbox verlangt keine
eines Projektors vor Ort visualisiert. Indem
Interaktive Analyse
eigene Erfahrung in Bildverarbeitung – sie
dabei direkt vor oder auf dem zu bearbei-
und Diagnose (IAD)
liefert die zu erfassenden Daten als fertigen
tenden Werkstück Bedienschnittstellen
Fraunhofer IOSB Karlsruhe
Text über feste Schnittstellen. Die interne
eingeblendet werden, können Eingaben
Echtzeit-Auswertung gewährleistet dabei,
über eine einfache Zeigegeste oder über
dass keine personenbezogenen Daten
Spracherkennung durchgeführt werden.
gespeichert werden.
Der Mitarbeiter kann sich auf seine Auf-
Dr.-Ing. Michael Voit
Telefon +49 721 6091-449
[email protected]
gabe konzentrieren, behält beide Hände
www.iosb.fraunhofer.de/IAD
frei und kann effizienter arbeiten.
vis IT
Industrie 4.0
14
Smart Factory Web:
EIN TESTBED BEIM IIC
Diese Standards in Kombination reduzie-
und das IOSB haben ein vom koreanischen
ren den manuellen Engineering-Aufwand
Ministerium für Handel, Industrie und Ener-
für den Austausch von Informationen in
gie (MOTIE) finanziertes Projekt gestartet:
Fabriken. Somit können die Fabrikbetreiber
Basierend auf den Konzepten des Industrial
Fertigungsprozesse und Wertschöpfungs-
Internet of Things (IIoT), erforschen wir inte-
ketten aufgrund neuer Kundenanforde-
grierte Architekturen und Technologien
rungen flexibel anpassen.
für ein Web von verteilten intelligenten
Das Smart Factory Web wird Modellfabriken
Fabriken (Smart Factories). Die Architektur
von KETI in Pangyo und Ansan (Südkorea)
des Smart Factory Web nutzt sowohl die
und von IOSB in Karlsruhe und Lemgo
Industrie 4.0-Konzepte des Referenz-
miteinander verbinden. In einer ersten
architekturmodells RAMI4.0 als auch die
Realisierung eines Geoportals für das
Spezifikationen des Industrial Internet
Smart Factory Web werden Informationen
Consortiums (IIC), die in dessen Industrial
über die Fabriken und deren Maschinen
Internet Referenz-Architektur (IIRA) fest-
und Geräte angezeigt. Anlagedaten wie
gelegt sind. Das Smart Factory Web wird
Standort, Auslastung und Status werden
beim IIC als Testbed für dessen Referenz-
je nach Zugriffsberechtigung visualisiert in
architektur beantragt.
einer Weltkarte bzw. einem Fabriknetzplan.
Zukünftige Ausbaustufen umfassen fabrik-
Ziel ist es, die sichere Integration von Daten
übergreifende Dienste der Anlagenüber-
und Services in unternehmensübergreifenden
wachung und Material- und Informations-
Anwendungen und ebenso Plug & Work-
logistik.
Smart Factory Web Testbed-Architektur
in der IIRA-Implementierungssicht.
Dr. Kym Watson
K O N TA K T
Das koreanische Forschungsinstitut KETI
Informationsmanagement
und Leittechnik (ILT)
Fraunhofer IOSB Karlsruhe
Funktionen für Geräte, Datenanalysesoftware oder gar ganze Fabrikanlagen zu
Durch die Zusammenarbeit zwischen KETI
zeigen. Die Standards AutomationML
und IOSB wird die Verwendung von Stan-
(IEC 62714) und OPC UA werden hierbei
dards für IIoT-Systeme auf internationaler
eine Schlüsselrolle einnehmen.
Ebene ein großes Stück vorangebracht.
15
vis IT
Industrie 4.0
Telefon +49 721 6091-486
[email protected]
www.iosb.fraunhofer.de/ILT
15
vis IT
Industrie 4.0
Karlsruhe
Fraunhofer-Institut für Optronik,
Systemtechnik und Bildauswertung IOSB
Fraunhoferstraße 1
76131 Karlsruhe
Telefon +49 721 6091-0
Fax +49 721 6091-413
[email protected]
www.iosb.fraunhofer.de
Ettlingen
Fraunhofer-Institut für Optronik,
Systemtechnik und Bildauswertung IOSB
Gutleuthausstr. 1
76275 Ettlingen
Telefon +49 7243 992-0
Fax +49 7243 992-299
www.iosb.fraunhofer.de
Ilmenau
Fraunhofer IOSB, Institutsteil
Angewandte Systemtechnik AST
Am Vogelherd 50
98693 Ilmenau
Telefon +49 3677 4610
Fax +49 3677 461-100
[email protected]
www.iosb-ast.fraunhofer.de
Lemgo
Fraunhofer IOSB-INA
Anwendungszentrum
Industrial Automation
Langenbruch 6
32657 Lemgo
Telefon +49 5261 94290-22
Fax +49 5261 94290-90
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www.iosb-ina.fraunhofer.de
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100004 Beijing, PR China
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