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Mikrosystemtechnik für die Zukunft der Produktion mit Industrie 4.0
Prof. Dr. Peter Post
Corporate Research and Technology
Festo AG&Co. KG, Esslingen, Germany
CR / Post
Nachhaltigkeit
• Hohe Effizienz und near-to-zero emission
• Wiederverwendung von Maschinen und
Equipment
• Verschwendung vermeiden
Digitalisierung und Vernetzung
• Intelligente Fabrik
• Digitale & Virtuelle Fabrik
• Wertschöpfungsnetzwerke
CR / Post
Miniaturisierung &
Funktionenintegration (MST)
Information &
Kommunikation (IT)
Flexibilität und Modularität
Adaptivität
Trends
• Produktion kundenindividueller Produkte
• Kombination Massenproduktion und
individuelles Design
• Kleine Losgröße, one piece flow
Produktion der Zukunft
Kundenspezifische Produktion
Einflussfaktoren Produktion
Technologietreiber in der Produktion
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Industrie 4.0 - Vision und Innovation für die Produktion der Zukunft
Enterprise Ressource Planning (ERP)
►
Industrie 4.0 fokusiert auf intelligente Produktionsmethoden und -prozesse
►
Cyber-physische Systeme ermöglichen die
intelligente Fabrik
►
Intelligente Produkte unterstützen aktiv den Prozess
►
Die Schnittstellen sind Bestandteil einer intelligenten
Infrastruktur
►
Produktion kann sich auf den Menschen einstellen
Produktionsprozess
CR / Post
3
Fabrik der Zukunft: adaptives, lernendes Produktionssystem
Lernern und Qualifikation
der Mitarbeiter und
Ingenieure
Geschäftsmodelle
der Zusammenarbeit
von Unternehmen
Architekturbasierte
Systeme und
Prozesse
Innovationen bei den
Produkten zu Subsysteme aus dem
Baukasten
CR / Post
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Mikrosystemtechnik für die Zukunft der Produktion mit Industrie 4.0
Architektur.. zu flexiblen, lernfähigen Systemen und
Prozessen aus Mechatronik-, Elektronik-, SW-Produkten
für kollaborative vernetzungsfähige Lösungen
Geschäftsmodelle… für neue Arbeitswelten, Kultur der
höheren Flexibilität und Offenheit, neue wirtschaftliche
Prinzipien und Unternehmenslenkung
Innovationen bei Produkten, Komponenten
…4i- Produkte: intuitiv, intelligent, integrativ, internetfähig
Lernen, Wissen, Bildung („Enable-ING-Faktors“)
CR / Post
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Industrie 4.0 bietet weitreichende Chancen
Architektur.. zu flexiblen, lernfähigen Systemen und
Prozessen aus Mechatronik- , Elektronik-,SW- Produkten
für kollaborative vernetzungsfähige Lösungen
Geschäftsmodelle… für neue Arbeitswelten, Kultur der
höheren Flexibilität und Offenheit, neue wirtschaftliche
Prinzipien und Unternehmenslenkung
Innovationen bei Produkten, Komponenten
…4i- Produkte: intuitiv, intelligent, integrativ, internetfähig
Lernen, Wissen, Bildung („Enable-ING-Faktors“)
CR / Post
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Innovation von der intelligenten Komponente bis zum lernenden System
►
Mechatronische Systemintegration
(Ganzheitlichkeit, Flexibilität)
►
Modularität von
Komponenten und Lösungen
►
Funktionenintegration und Miniaturisierung
►
Kommunikationstechnologien, dezentrale
Intelligenz und Schnittstellenmanagement
►
Kosten- und funktionsoptimale
Gesamtlösungen
CR / Post
7
Erste Ergebnisse Plattform I4.0: Referenzarchitektur
• Definiertes Schichtenmodell
für die Produktentwicklung
• Detaillierte Anwendungsbeispiele werden im nächsten
Schritt entwickelt
• OPC-UA als bevorzugter
Schnittstellenstandard für die
Kommunikation
CR / Post
Definition einer Industrie 4.0 Komponente
Keine I4.0-Komponente
Beispiele für I4.0-Komponenten
VerwaltungsSchale 
(Unbekannt)
(Anonym)
(Individuell bekannt)
Entität
Gegenstand
Eine "Verwaltungs-Schale"
macht einen Gegenstand
zu einer I4.0-Komponente
VerwaltungsSchale 
Gegenstand, z.B.
Klemmenblock
Gegenstand,
z.B. Maschine 
VerwaltungsSchale 
VerwaltungsSchale 
Gegenstand, z.B.
Elektr. Achse 
Gegenstand, z.B.
Standard-SW
(Gegenstand gibt Zugriff
auf Verwaltungsschale)
(Übergeordnetes System
gibt Zugriff auf
Verwaltungsschale)
 = Schnittstelle/ Datenformate
I4.0-konform ausgeführt
*I4.0-konforme Kommunikation 
CR / Post
*
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Ein Netzwerk konsistenter Standards zeichnet sich ab
Security
ISO/IEC 2700x
Properties
IEC 61987 Sensors
IEC 62683 Switch Gears
30 Segments with product families
ISO/IEC
JTC1
eCl@ss
e.V.
IEC 61360 Rules for Properties
IEC 61387 Sensors Prop.
IEC 62683 Switch Gears Prop.
IEC 62832 Digital Factory
IEC 62443 Security in Automation
AutomationML
e.V.
IEC/ISO
ProSTEP
e.V.
IEEE
Time Sensitive Networks
Technologies for IoT
PLC Open
e.V.
PLC Technologies
IEC 61131
Mechanics
STEP + APxxx
OPC
Foundation
Engineering data
AutomationML
IEC 62714
Services
IEC 62541 OPC-UA
and Companions
Quelle: Heidel, SIEMENS, Hoffmeister, FESTO
CR / Post
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Forschungsprojekt OPAK: Lösungen für zukünftige Produktionssysteme
Offene Engineering-Plattform für autonome, mechatronische
Automatisierungskomponenten in funktionsorientierter Architektur
Joint research with partners from science
and industry
CR / Post
►
Engineering-Prozess: Intuitiv, effizient
und weniger zeitaufwändig
►
Jede Automatisierungskomponente hat
ein digitales Gedächtnis
►
Reale Testumgebung – vom Engineering
über Inbetriebnahme bis zur laufenden
Produktion
Forschungsprojekt OPAK: Lösungen für zukünftige Produktionssysteme
• Funktionsbasierte Anlagenarchitektur
• Engineeringtool (CODESYS)
• 3D-Modell der Anlage
• Architekturmodel
• Editor der Ablaufsequenzen
• 3D-Engineering
• Prozessdesign statt Programmierung
3D Engineering
CR / Post
Architektural model
Software
(Sequences)
Industrie 4.0 bietet weitreichende Chancen
Architektur.. zu flexiblen, lernfähigen Systemen und
Prozessen aus Mechatronik- , Elektronik-,SW- Produkten
für kollaborative vernetzungsfähige Lösungen
Geschäftsmodelle… für neue Arbeitswelten, Kultur der
höheren Flexibilität und Offenheit, neue wirtschaftliche
Prinzipien und Unternehmenslenkung
Innovationen bei Produkten, Komponenten
…4i- Produkte: intuitiv, intelligent, integrativ, internetfähig
Lernen, Wissen, Bildung („Enable-ING-Faktors“)
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Dreidimensionales Wertschöpfungsnetz
Drei Dimensionen der Integration
Horizontal
branchenübergreifende
Wertschöpfungsstufen
► Vertikal über
Unternehmensebenen
► Engineering über den
Lebenszyklus
►
Reference: S. Theurich, C. Hahn, R. Frenzel, and M. Wollschlaeger, 8th IFAC, 2009
CR / Post
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Dreidimensionale Wertschöpfungsnetz
Drei Dimensionen der Integration
Horizontal
branchenübergreifende
Wertschöpfungsstufen
► Vertikal über
Unternehmensebenen
► Engineering über den
Lebenszyklus
►
Reference: S. Theurich, C. Hahn, R. Frenzel, and M. Wollschlaeger, 8th IFAC, 2009
CR / Post
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Wertschöpfungskette 
(Vorwärts- und Rückwärtsintegration)
Horizontale und vertikale Wertschöpfung im Cluster
Zentrale Handlungsoptionen im Cluster:
Markt und
Kundensupport
A5
A7
Fertigung
A4
• Aufzeigen individueller Potenziale zur
Technologiebeschaffung und
–kommerzialisierung für die Akteure
A3
A3
Entwicklung
A6
A2
Grundlagen
A1
• Identifikation und Organisation von
Wertschöpfungsketten unter den
Akteuren
A1
• Identifikation und Organisation von
Diversifikationspotenzialen
• Aktive Einbindung der Plattformen SSI
und PRONTO
Branchen und Anwendungsfelder 
(Diversifikation)
CR / Post
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BOM und Geschäftsmodellierung MicroTEC Südwest
Clusterkompetenzen (Kompetenzmatrix)
Clusterroadmap
Trends und Szenarien
BOM
1
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Evaluation Paper
Technology Push
CR / Post
Rahmenbedingungen
Lobbying etc…
Business Concept
3
Business Plan
Umsetzung
Geschäftsmodellierung
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Industrie 4.0 bietet weitreichende Chancen
Architektur.. zu flexiblen, lernfähigen Systemen und
Prozessen aus Mechatronik- , Elektronik-,SW- Produkten
für kollaborative vernetzungsfähige Lösungen
Geschäftsmodelle… für neue Arbeitswelten, Kultur der
höheren Flexibilität und Offenheit, neue wirtschaftliche
Prinzipien und Unternehmenslenkung
Innovationen bei Produkten, Komponenten
…4i- Produkte: intuitiv, intelligent, integrativ, internetfähig
Lernen, Wissen, Bildung („Enable-ING-Faktors“)
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CPS Definition und Funktionalitäten
Internet der Dinge
+ IP-Kapazitäten
Cyber-physische Systeme
+ Internetkommunikation
+ Maschine-zu-Maschine-Kommunikation
•Drahtlose Kommunikation
•Semantische Beschreibung
Integrierte Systeme
+ Sensoren, Aktuatoren
+ integrierte Intelligenz
Physische Objekte, Geräte
CR / Post
CPS spezialisieren sich zu Industrie 4.0 Komponenten
Definition der Plattform Ind. 4.0
I4.0-Komponente
VerwaltungsSchale 

Umsetzungsbeispiele bei Festo
• Remote Controller CPX-CEC
mit OPC-UA Interface
Gegenstand, z.B.
Elektr. Achse 
KommunikationsSchnittstelle
I4.0-konforme
Kommunikation 
• CPS - Stopgate
 = Schnittstelle/ Datenformate
I4.0-konform ausgeführt
•
•
•
•
CR / Post
Identifizierbarkeit
I4.0-konforme Kommunikation
I4.0-konforme Dienste und Zustände
Virtuelle Beschreibung
Forschungsprojekt OPAK: Lösungen für zukünftige Produktionssysteme
Offene Engineering-Plattform für autonome, mechatronische
Automatisierungskomponenten in funktionsorientierter Architektur
Mechatronic
Entity
(CPS)
CR / Post
Voraussetzung: Miniaturisierung und Integration - kompakt, leistungsfähiger
Kompakte Leistung
Funktionenintegration
Handling kleiner Teile
Miniaturisierung
und
Integration
CR / Post
Hohe Leistung auf kleinem Raum
Von der Komponente zum System
Mikrohandhabung und Mikromontage
• Mechanik plus Elektronik
• Integrierte Sensortechnik und Informationsverarbeitung
• Miniaturisierte Aufbau- und Verbindungstechnik
• Verwendung spezieller physikal. Effekte (Piezo, Optik...)
Piezotechnologie
Piezo
Pneumatikventile
Blinden Lesegeräte
Einspritzventil für
Dieselmotoren
Piezo Summer
Piezo Einparkhilfe
Piezo Ultraschallwandler
CR / Post
Wanderwellenmotoren
KoSiF – Komplexe Systeme in Folie
• Flexibles Foliensystem zur Messung von
Biegespannungen und Formidentifikation
• Gedruckte Dünnfilmleiterbahnen
• Hochintegriertes Sensorsystem
• Elektrophoretische Displays
• Ultradünne Chiptechnologie (20 µm)
• Drahtloskommunikation
• gedruckte Batterien
CR / Post
Bildverarbeitung für Robotik und Intelligente Komponenten
Miniaturisierte, hochdynamische SI-Chiptechnologie für robuste
Industrielle Bilderfassungssysteme (3D-MID)
Miniaturisierte intelligente 3D Bilderfassung und verarbeitung für Robotik
CR / Post
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Industrie 4.0 bietet weitreichende Chancen
Architektur.. zu flexiblen, lernfähigen Systemen und
Prozessen aus Mechatronik- , Elektronik-,SW- Produkten
für kollaborative vernetzungsfähige Lösungen
Geschäftsmodelle… für neue Arbeitswelten, Kultur der
höheren Flexibilität und Offenheit, neue wirtschaftliche
Prinzipien und Unternehmenslenkung
Innovationen bei Produkten, Komponenten
…4i- Produkte: intuitiv, intelligent, integrativ, internetfähig
Lernen, Wissen, Bildung („Enable-ING-Faktors“)
CR / Post
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Rolle des Menschen in der Produktion der Zukunft
Vernetzung von Komponenten
Beherrschung von Komplexität
sehr hohe Datenmengen
selbstverantwortlicher Autonomie
Aus- und Weiterbildung als Basis
Menschliche Fähigkeiten sind nach wie vor erforderlich für die
Bewältigung von komplexen Situationen
Neues Level der „Mensch-Maschine-Kooperation“:
Der Mensch erweitert seine Fähigkeiten durch technische Unterstützung
in der täglichen Arbeit („adaptive Assistenzsysteme“)
CR / Post
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Kombination aus Technologie, Mensch und Bildung
CR / Post
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Mikrosystemtechnik für die Zukunft der Produktion mit Industrie 4.0
Architektur.. zu flexiblen, lernfähigen Systemen und
Prozessen aus Mechatronik-, Elektronik-, SW-Produkten
für kollaborative vernetzungsfähige Lösungen
Geschäftsmodelle… für neue Arbeitswelten, Kultur der
höheren Flexibilität und Offenheit, neue wirtschaftliche
Prinzipien und Unternehmenslenkung
Innovationen bei Produkten, Komponenten
…4i- Produkte: intuitiv, intelligent, integrativ, internetfähig
Lernen, Wissen, Bildung („Enable-ING-Faktors“)
CR / Post
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Zukunftsfelder von MicroTEC Südwest
Gesundheit
Mobilität
Energie
Kommunikation
Sicherheit
Produktion
Innovationen
managen
Cross-Industrie Innovation
Produzieren
Ressourcenschonende, wettbewerbsfähige Produktion von Mikrosystemen
Mensch-Technik-Kooperation:
Smart Systems sinnvoll nutzbar machen
System of Systems:
Steigende Komplexität handhaben
Forschen und
entwickeln
Mikroenergie aus der Umgebung:
Energiewandler und autarke Systeme
Prosumer 2.0:
Mikrosysteme für maßgeschneiderte Produkte
Kreislaufwirtschaft:
Ressourcen-effizientes Produzieren und Konsumieren
Aus- und
Weiterbildung
BionicANTs – Kooperatives Verhalten auf Basis eines natürlichen Modells
Hochintegrierte individuelle Systeme arbeiten zusammen an einer Problemlösung
CR/Peter Post, Bernd Kärcher
Smart Systems for Intelligent Manufacturing
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BionicANTs – Kooperatives Verhalten auf Basis eines natürlichen Modells
Hochintegrierte individuelle Systeme arbeiten zusammen an einer Problemlösung
CR/Peter Post, Bernd Kärcher
Smart Systems for Intelligent Manufacturing
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Mikrosystemtechnik für die Zukunft der Produktion mit Industrie 4.0
Herzlichen
Glückwunsch!
CR/Peter Post, Bernd Kärcher
Smart Systems for Intelligent Manufacturing