Industrie 4.0

Betrachtet man die oben genannte Definition des BMBF für Industrie 4.0 aus Sicht des Systems und Software Engineerings, ergeben sich zahlreiche Herausforderungen. Insbesondere, wenn trotz der rasant steigenden Systemkomplexität die wesentlichen Systemeigenschaften wie Safety in sicherheitsrelevanten Anwendungen und Data Security sowie die User Experience der Systeme garantiert werden müssen.   

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, befasst sich das Fraunhofer IESE mit skalierbaren Systems- und Software-Engineering-Methoden für Industrie 4.0:

• in Produktion,
• Automatisierung und
• Logistik.

Diese können trotz der Komplexität realer Systeme in der Praxis effizient angewendet werden. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der konstruktiven und qualitätssichernden Garantie von Qualitätseigenschaften. Um diese gewährleisten zu können, beschäftigt sich das Fraunhofer IESE mit verschiedenen Fragestellungen entlang des Entwicklungslebenszyklus.

Zunächst stellt sich die Frage nach einem geeigneten Verfahren, um die Anforderungen an solch komplexe, hoch dynamische und vernetzte Systeme effizient erfassen und bewerten zu können. Basierend auf den Anforderungen an Industrie 4.0 lassen sich mit den Softwarearchitekturmethoden des Fraunhofer IESE anschließend geeignete Systemarchitekturen ableiten. Diese ermöglichen eine integrierte Betrachtung der gesamten Wertschöpfungskette von den Sensoren bis zum Cloud-Dienst. Ferner tragen sie konstruktiv dazu bei, Safety, Security und User Experience der Systeme zu garantieren.

Durch den Einsatz modellbasierter Verfahren kommt dabei insbesondere der Analyse und Simulation der Architekturen bereits in frühen Entwicklungsphasen eine große Bedeutung zu.

Einerseits setzen Adjektive wie »autonom« oder »sich selbst konfigurierend« ein hohes Maß an (künstlicher) Intelligenz und Adaptivität der einzelnen Systeme voraus. Durch die Anforderung der flexiblen Vernetzung ergibt sich andererseits die Aufgabe, dass sich zur Laufzeit dynamisch Systeme von Systemen ergeben, deren Struktur und Gesamtverhalten zur Entwicklungszeit der Einzelsysteme nicht oder nur schwer vorhergesagt werden können. All dies sind Faktoren, die zu so genannten »Uncertainties« führen, also Eigenschaften, die sich nur schwer vorhersagen lassen und damit zu hohen Unsicherheiten bezüglich der Vorhersage des zu erwartenden Systemverhaltens führen. Dies steht im Widerspruch zur Sicherheitsnachweisführung, die zentral auf der Annahme eines deterministischen, vorhersagbaren Systemverhaltens beruht.

Das Fraunhofer IESE begegnet diesen Herausforderungen mit modularen Sicherheitsnachweisverfahren sowie Verfahren, die Sicherheitsnachweise und Überwachung zur Laufzeit ermöglichen, um somit der Dynamik von Industrie-4.0-Systemen Rechnung tragen zu können.

Mehr zur Fraunhofer IESE Kompetenz: Safety Engineering

Gleichzeitig werden die Systeme durch die Kollaboration mit anderen Systemen offener und damit anfällig für Security-Angriffe. Einerseits beeinflusst das die Betriebssicherheit, andererseits müssen die erhobenen Daten geschützt werden. Forscher am Fraunhofer IESE entwickeln daher Konzepte zur Datennutzungskontrolle, die es ermöglichen, mittels Sicherheitsrichtlinien (so genannter »Policies«) festzulegen, wer welche Daten in welchem Umfang und an welchem Ort sehen oder ändern darf. Über entsprechende Mechanismen kann die Einhaltung dieser Policies zur Laufzeit garantiert werden. Dadurch lassen sich die für Industrie 4.0 essenziellen Daten ohne Verlust der Nutzungskontrolle intensiv nutzen. Fraunhofer IESE bietet mit den MYDATA Control Technologies die passende technische Umsetzung hierfür.

Mehr zur Fraunhofer IESE Kompetenz: Datensicherheit

Anwendungsszenario 1: Verwaltungsschalen ermöglichen einen durchgängigen Datenzugriff von der IT in den Shopfloor. Der Status von Geräten und Aufträgen steht jederzeit zur Verfügung. Prädiktive Wartung, Dashboards und Analysen können dank BaSys günstig realisiert werden. Mittels Sensordaten, zum Beispiel dem Energieverbrauch bei Fräsprozessen, lässt sich daher nicht nur die Qualität des Produkts vorhersagen, sondern auch ermitteln, wann eine Wartung fällig wird. Die dadurch mögliche Optimierung von Wartungsintervallen vermeidet Standzeiten und spart Kosten ein.

Anwendungsszenario 2: Dokumentation der Produktqualität in Echtzeit: Dank des auf Verwaltungsschalen basierenden Objektmodells können Nutzer von BaSys 4.0 Daten von Geräten in Echtzeit verarbeiten und Qualitätsdaten dem aktuellen Produkt zuordnen. Diese werden in der Verwaltungsschale des Produkts gespeichert und stehen jederzeit zur Verfügung. Durch die Anbindung an ERP-Systeme und leistungsstarke Datenbanken, wie zum Beispiel SAP HANA, können diese Daten jederzeit bereitgestellt und analysiert werden.

Anwendungsszenario 3: Die dienstbasierte Fertigungsarchitektur von BaSys 4.0 realisiert enorme Vorteile für produzierende Unternehmen. Werkstücke können auch in kleinen Stückzahlen effizient produziert werden; die Losgröße 1 wird Realität. 

Mehr zum Fraunhofer IESE Projekt BaSys 4.0

Mehr zum Fraunhofer IESE Projekt BaSys 4.2