Practice-oriented Industry40 Overview - Jalal Hammari

Industrie 4.0 Vorlesung
Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Virtuelle Produktentwicklung
Prof. Dr.-Ing. Frank Lobeck; M.Sc. Jalal Hammari

M.Sc. Jalal Hammari, Wintersemester2020/21 Vorlesung Industrie 4.0
Beispiele aus der Automobilindustrie
6
Digital Twin und Digital Thread
5
IIOT und AI
4
Product Lifecycle Management and Model Based System Engineering
3
Grundlage der Industrie 4.0
2
Einführung in Industrie 4.0
1
Agenda

Industrie 4.0, das Digitale Unternehmen
Von Daten zum Mehrwert
Digitalisierung
Automation
Elektrizität,
Serienfertigung
Wasser und
Dampf
Industrie 4.0
4. Industrielle Revolution
Industrie 3.0
Industrie 2.0
Industrie 1.0
Zeitachse
Datenmenge
und
Komplexität

Digitalisierung im privaten vs im industriellen Bereich
Grad
der
Digitalisierung
Zeit
Digitalisierung im
privaten Leben
Digitalisierung in
der Industrie
… zum Streaming
Vom Plattenladen …
Vom Taxi …
… zum Ride Sharing
Die Digitalisierung im täglichen Leben entwickelt sich schneller als im industriellen Bereich.
Oft inspiriert die Digitalisierung im privaten Bereich die Digitalisierung in der Industrie.
Bilder von Siemens DI SW

Digitale Transformation
Durchgängige horizontale und
vertikale Integration des Produktlebenszyklus
Digitale Produkte und digitale Prozesse
Digitale Zwillingen für das Produkt, die digitale
Fabrik und die Produktnutzung
Herausforderungen für die Digitalisierung
Organizational Change
Vernetzte Organisationen, rollenbasierende
Arbeitsplätze, “Datenbus” und
Applikationsintegration
Komplexität und Flexibilität
Individuelle Produkte mit mehr
Elektronik & Software Innovationen und größerer
Varianz

Industrie 3.0: die Automatisierungspyramide
Level 4
Enterprise
Level 2
Operator
Level 1
Control
Level 3
Management
Level 0
Field
Days
< 1 ms
PLC, HMI
SCADA
MES
ERP
Instrumentation
Maschinenebene
Anlagenebene
Werksebene
Enterprise

Level 4
Enterprise
Level 2
Operator
Level 1
Control
Level 3
Management
Level 0
Field
Days
< 1 ms
PLC, HMI
SCADA
MES
ERP
Instrumentation
Automatisierung
Direkte Kontrolle
Steuern, Regeln
Datensammlung, Visualisierung
Real Time Analysen
Überwachungsfunktion
Maschinenebene
Betriebsablaufplanung
Produktionsplanung
Kapazitätsplanung
Kosten
Ressourcen Planung
Statistische Auswertung
Anlagenebene
Werksebene
Enterprise

Level 4
Enterprise
Level 2
Operator
Level 1
Control
Level 3
Management
Level 0
Field
Days
< 1 ms
Feld Geräte, Sensoren und Aktoren,
I/O…
PLC, HMI
SCADA
MES
ERP SAP, Oracle…
Simatic IT, OpCenter, Hydra….
SIMATIC WinCC, FactoryStudio…
PLC, MC, SIMATIC HMI, WinCC, PanelView,
Industrial PC ….
Instrumentation
Standard: ISA-95
Automatisierung
Direkte Kontrolle
Steuern, Regeln
Real Time Analysen
Maschinenebene
Produktionsplanung
Kapazitätsplanung
Kosten
Ressourcen Planung
Anlagenebene
Werksebene
Enterprise

Level 4
Enterprise
Level 2
Operator
Level 1
Control
Level 3
Management
Level 0
Field
Days
< 1 ms
Feld Geräte, Sensoren und Aktoren,
I/O…
PLC, HMI
SCADA
MES
ERP SAP, Oracle …
Simatic IT, OpCenter, Hydra….
SIMATIC WinCC, FactoryStudio…
PLC, MC, SIMATIC HMI, WinCC, PanelView,
Industrial PC ….
Instrumentation
Standard: ISA-95
Engineering not the main focus
of ISA95
Automatisierung
Direkte Kontrolle
Steuern, Regeln
Real Time Analysen
Maschinenebene
Produktionsplanung
Kapazitätsplanung
Kosten
Ressourcen Planung
Anlagenebene
Werksebene
Enterprise
Vernetzung !!!

Cloud
IoT
Industrie 4.0
Intelligente Produktion, Produkte und Prozesse
Level 4
Enterprise
Level 2
Operator
Level 1
Control
Level 3
Management
Level 0
Field
< 1 ms
Vertikale
Integration
Horizontale
Integration
< 1 ms
* Industrie 4.0 ist fokussiert auf die Produktion
Tags, protocolls
BigData, AI
(ML, DL)
Topics, Unified, Standardisierung
Zentral
Mechatronik
Dezentral
System Engineering
Cyber-physische
Systeme
Model Based System Engineering
Engineering im Wandel
Produktion im Wandel
AfterSales
im
Wandel
Prozesse
Colsed Architectur
Digital Thread Intelligente Prozesse
Open Architectur
Entscheidungen
basiedend auf alte Daten
Entscheidungen basiedend auf Echtzeit
Daten
Modelle Digital Twin, virtuelle Produkte
simulation
Self Aware
Systems/Decision
(ML/DL)
System Simulation
Echtzeit Vernetzung
Passive
Systeme

Daten und Informationen entstehen während des
Produktentstehungsprozesses
Automotive Tier High Level Business Process
Phase 1
Project
Acquisition and
Baselining
Phase 3
Industrialization
Preparation
Phase 4
Industrialization
and Production
Validation
Phase 5
Production
Execution and
Assembly
Phase 6
Service
Execution
Phase 2
Concept and
Prototyping
Virtual
Product
High Level
Business
Process
Product
Maturity
Level
Decision for
Project
OEM
Confirmation
and Order SOP EOP
EOP
Physical
Product

Daten und Informationen entstehen während des
Produktentstehungsprozesses
▪ Anforderungen
▪ Lastenhefte
▪ Meta Daten
▪ Part
▪ Engineering Design
▪ Simulationsmodelle
▪ Simulationsergebnisse
▪ Fertigungsmodelle
▪ Dokumente
▪ Datasets – Data – Metadata - Attributes - LOV
▪ Design BOM
▪ Structures, Bill of Materials
▪ Classification
▪ System BOM
▪ Mechatronik BOM
▪ Engineering BOM
▪ Manufacturing BOM
▪ Bill of Process BOP (Routing)
▪ EWI – Arbeitsanweisungen
▪ Zeitmanagement
▪ D-FMEA, P-FMEA, 8D Reports
▪ Control Plan, Inspection Plan
▪ Produkt Architektur
▪ Parameter
▪ Organisation, Rollen und Rechte
▪ Standards: ITAF 169649, ISO 26262 , A-Spice…
▪ Aufträge
▪ Finanzdaten
▪ Project Folders
▪ Materialien
▪ Variants
▪ Configuration (CTO)
▪ As Built
▪ As Delivered
▪ As Maintained
▪ Software
▪ Elektrik
▪ Relationen
▪ Effectivity Rules
▪ Revision, Revision
▪ Revision rules
▪ Class, Object, Instance, occurrence
▪ Change (Change Management)
▪ …..
Wo werden die ganzen Daten verwaltet, die entlang des Produktentstehungsprozess kontrolliert verwaltet?

Was ist PLM?
Digitales Product
Das Produktlebenszyklusmanagement (Product Lifecycle Management) ist das Konzept zur Verbindung und
Integration der, während des Produkt-Lebenszyklus entstehenden Daten und Informationen, von der
Entwicklung bis hin zur Produktion und Service.

Das Herzstück des PLM Systems sind die Stücklisten
Wesentliche Stücklisten, BOM (Bill of Material)
EBOM
MBOM
Design BOM
BOP
System BOM
Service BOM
Design Stückliste hauptsächlich bestechend aus den CAD Teile des Produkts
Eine Engineering orientierte Stückliste auch für Bestellungen ausgelegt
Eine Fertigung orientierte Stückliste
Arbeitsplan, bestehend aus den für die Fertigung benötigten Arbeitsschritte und Ressourcen
Eine mechatronische Stückliste und stellt die Produkt Architektur dar
Eine Service Orientierte Stückliste mit dem Fokus auf die Service Produktteile
As-Build BOM
As-Delivered BOM
As-Maintained BOM
Eine Stückliste die den Stand des fertigproduzierten Produkts darstellt
Eine Stückliste die den Stand des gelieferten Produktes darstellt
Eine Stückliste die den Stand des gewarteten Produkts darstellt

Stücklisten, BOM (Bill of Material) in PLM
Design Stückliste - DBOM
Sub-Assemblies Assembly (CAD Product)
Design Parts
Design 1 Design 2 Design 3
Design 4 Design 5 Design 6
Design 1
Design 5 Design 6
Design 4
Design 2
Design 3
Sub-
Assembly 1
Sub-
Assembly 3
Sub-
Assembly 2
Design 1
Design 5
Design 6
Design 4
Design 2
Design 3
Sub-Assembly 3
Sub-Assembly 2
Sub-Assembly 1
Assembly
Occurrence,
Configurations,
Rules,
Transformation
matrix, Revisions,
Effectivities etc.
Die 3D Design Modelle und Baugruppen entstehen im CAD Autoren System und werden im PLM System verwaltet

Engineering Stückliste und Bestell Stückliste EBOM & OBOM
Engineering BOM
Design BOM
Occurrence,
Configurations, Rules,
Transformation matrix,
Revisions, Effectivities
etc.
Design 1
Design 5
Design 6
Design 4
Design 2
Design 3
Sub-Assembly 3
Sub-Assembly 2
Sub-Assembly 1
Assembly A
Design 1
Design 2
Sub-Assembly 1
Sub-Assembly 2
Assembly B
150 % Produkt
(Model A & B)
Model B
Model A
EPart
EPart
EPart
EPart
EPart
EPart
EPart
E-BOM
EPart
EPart
V
V
V
V
Order BOM (in ERP)
Mat
Mat
Mat
Mat
Mat
Mat
Mat
Konfiguration der
100% Stückliste
Order BOM
Material Nummer
Änderungsmanagement
Eine EBOM, das normalerweise der Produktdesigngruppe gehört, organisiert Teile in den Baugruppen basierend darauf, wie das Produkt sie gerne sieht:
normalerweise nach System, Subsystem und Sub-Subsystem (d.h. in der Automobilindustrie gibt es möglicherweise eine elektrische Systembaugruppe, die alle
elektrischen Komponenten). Die EBOM berücksichtigt üblicherweise den Bestellaspekt und wird mit einem ERP System synchronisiert.
100% EBOM or 150%
EBOM incl.
Configuration

Manufacturing BOM - MBOM
Manufacturing BOM
Engineering BOM
Die MBOM, das normalerweise der Manufacturing Engineering Gruppe gehört, organisiert Teile in Baugruppen, basierend darauf, wie sie zur gefertigt oder montiert
werden. Die MBOM wird benötigt um die Herstellungsprozesse zu bestimmen oder zu validieren, die zur Herstellung des Produktes verwendet werden.
Die MBOM enthält möglicherweise zusätzliche Teile die in der Fertigung benötigt werde, die im EBOM nicht vorhanden sind.
150% M-BOM
100% M-BOM
Structure
Manufacturing Structure
Configure
150% EBOM
Configure
100% EBOM
Struktur-
Knoten
Fertigungs-
hilfsmittel
100% M-BOM
MPart
MPart
MPart
MPart
MPart
MPart
EPart
EPart
EPart
EPart
Dokumente
(Spec, DWG.
Etc..)

Arbeitsplan, Bill of Process - BOP
Bill of Process - BOP
Manufacturing BOM - MBOM
Der BOP stellt einen Arbeitsplan dar. Dieser beinhaltet die für die Fertigung benötigten Arbeitsschritte, Arbeitsmitteln, zu produzierende Materialien und Halbzeuge,
die Arbeitsanweisungen sowie die logische Rheinfolge der Operationen. Der Arbeitsplan ist die Basis der Produktionsplanung.
150% BOP
100% BOP
Structure
100% M-BOM
Configure
150% BOR
Consume in BOP
Operation
Process Step
100% BOP
EWI
Documentation
Time
Management
MPart
EPart
BOP

Beipiel eines Arbeitsplan
Beispiel aus dem System Teamcenter PLM
Bill of Process - BOP

System Engineering – Model Based System Engineering
“Model-based Systems Engineering (MBSE) is the formalized application of modeling to support system requirements,
design, analysis, verification, and validation activities beginning in the conceptual design phase and continuing
throughout development and later life cycle phases.” 1
1 SE Research Consortium: Model Based Systems Engineering (MBSE)
https://www.nasa.gov/consortium/ModelBasedSystems
MBSE
Systems Engineering bietet einen ganzheitlichenAnsatz für die Entwicklung eines Systems zur Realisierung seines Ziels. Systems
Engineering unterstützt die Anforderungen, Spezifikation, das Design, die Analyse und die Verifizierung des Systems um schon in den
früheren Phasen der Produktentwicklung das beste Konzept auszuwählen und zu realisieren.
SE

System Engineering
Dokumentenzentriertes System Engineering
Ableitung der
System
Anforderungen
Spezifikation der
Systemarchitektur
Entwicklung
Software
Entwicklung
Mechanik
Entwicklung
Elektronik
Simulation

Von Dokumentenzentriertes
System Engineering
Zu modelbasiertes System
Engineering
Anforderungen
Elektronik Software
System
Model
Mechanik

System Anforderungen Logisches Modell
Physisches Modell
Feder Dämpfer
System
Sensorik-
system
Steuerungs-
system
Software Chip
Kommunikations-
Schnittstellen
Gehäuse
Fahrt in Kurve
Fahrzeug
untersteuert
Fahrzeug
übersteuert
Linkes
Hinterrad
Eingriff
Rechtes
Vorderrad
Eingriff
Fahrer
System
Steuerungssystem
Chip
Gehäuse 003
Software v01
Feder 4711
Dämpfer D13
Kabel L004
E-BOM
Verhaltensbeschreibung
Notitz: es ist üblich dass der
letzte Schritt in einer logischen
und physischen Struktur
aufgeteilt wird
Alle Komponenten entlang des
Lebenszyklus sind miteinander
in einem Modell vernetztet.
Use
Cases
2 3
4
1
Kundenanforderungen

Cloud
IoT
IoT als Grundlage der Datenbereitstellung in Echtzeit
< 1 ms
< 1 ms
BigData, AI
(ML, DL)
Echtzeit Vernetzung
Level 0
Level 1
Level 2
Level 3
Level 4
Applikation 1 … n
Gerät 1 …n
Maschine 1 … n
Werk 1…n

High Level IoT Architecture
Cloud/Server: IoT Anwendungsplattform
Maschine A Maschine B Gerät
IT
Infrastruktur
&
Architektur
Applikationen
und
Visualisierung
Edge Device Client
Feld
Ebene
Client
Client
Applikation
Client
Business Entscheidung
Daten Analyse
Daten Erzeugung
Daten Bereitstellung
Entscheidungsvorlage
Unternehmens-Entscheidung

Artificial Intelligence
Schritte eines AI Projektes
Understand the
Process and
the Use Cases
Explore
the Data
Prepare
the Data
Modeling
Cloud
IoT
Evaluation Deployment
Data
1 2 3 4 5 6
Device
Application
Human
~ 80% of Work ~ 20% of Work

Schritt 4: Modeling
Modeling
4
Source: https://scikit-learn.org

Digital Twin vs Digital Thread
▪ Digital Twin: ist die digitale Repräsentanz des Produktes inkl. aller Komponenten und die
damit zusammenhängenden Informationen entlang des Produkt- Lebenszyklus von der
Produktentwicklung bis hin zum Service. Es gibt unterschiedliche Repräsentationen des
Digital Twin entsprechend des benötigten Zustandes z.B. As-Designed, As-Built und As-
Maintained.
▪ Digital Thread: stellt die Relationen zwischen den einzelnen digitalen Komponenten und
damit zusammenhängende Informationen dar. Z.B. um im Fall einer Änderung alle
betroffenen Produkteile und Dokumente zu identifizieren und entsprechend zu ändern.

Digital Twin als digitale Repräsentanz des Produktes
Drei Haupt-Produktzustände
• Anforderung
• Mechanik
• Elektrik, Elektronik
• Software
• Varianten/Konfigurationen
• Schnittstellen
• ….
Digitales Produkt Digitale Produktion Digitale Performance
• Produktionsplatz
• Planung
• Fertigung
• Montage
• Automatisierung
• …..
• Wie gewartet
• Wie ausgeliefert
• Monitoring
• Predictive
• …
Enthält alle
Informationen
über…
Bild Quelle: Vibracoustic AG
Digitales System

What do you need to realize
the full value of digitalization?
Digital
product
Digital
production
Specification
Verification
Real
product
Real
production
Validation
Commissioning
Ideal
delivery
Collaboration Platform
Continuous improvement
Insights from performance

Digital Product Digital Production Digital Performance
Holistic Digital Twin

Pune Example
How do we extend the range
of our trucks to fend off
competitive challenges?

Leveraging digitalization
across integrated domains for
rapid-response innovation.

Analyze impact of modifying the size
of the fuel tank.

Modify design of tank brackets,
straps and fuel line.
Find components affected by change
to fuel tank.
Re-use similar tank strap designs
from existing vendor.
Simulate new design’s ability to
withstand loads.
Digital
Product

Rest of Pune Story
Assess impact of heavier tank on worker
safety.
Quickly design production layout of new
assembly line.
Add sensors for new lift assist and related PLC.
Provide workers instructions for new tank
assembly.
Digital
Product
Digital
Production

Capture gas tank vibration data of new trucks
on road
Manage and optimize efficiency of real
production.
Close the loop, modifying design for future
models.
Leverage IoT data to analyze severity of
vibration.
Digital
Product
Digital
Production
Real
Production
Real
Product
I
M
P
R
O
V
E
M
E
N
T I
N
S
I
G
H
T

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