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November 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl Industrie 4.0 Overview and Fundamental Concepts Prof. Dr.-Ing. Reiner Anderl Department of Computer Integrated Design (DiK) Faculty of Mechanical Engineering Technische Universität Darmstadt Otto-Berndt-Straße 2 64287 Darmstadt www.dik.maschinenbau.tu-darmstadt.de

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November 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

Industrie 4.0Overview and Fundamental Concepts

Prof. Dr.-Ing. Reiner Anderl

Department ofComputer Integrated Design (DiK)Faculty of Mechanical EngineeringTechnische Universität DarmstadtOtto-Berndt-Straße 264287 Darmstadtwww.dik.maschinenbau.tu-darmstadt.de

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| Folie 2

Industrie 4.0Overview and Fundamental Concepts

1. Introduction2. Industrie 4.0 Organization and Fundamental Concepts

- Reference Architecture Model Industrie 4.0 (RAMI 4.0)- Industrie 4.0 Component

3. Efficient Factory 4.0 and SME Competence Center- Industrie 4.0 in a Global Context- Competence Analysis- Efficient Factory 4.0- SME Competence Center 4.0

4. Major Research Clusters- Digital Twin- New Security Culture- Industrial Implementation Guideline

5. Summary

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| Folie 3

Industrie 4.0Overview and Fundamental Concepts

1. Introduction2. Industrie 4.0 Organization and Fundamental Concepts

- Reference Architecture Model Industrie 4.0 (RAMI 4.0)- Industrie 4.0 Component

3. Efficient Factory 4.0 and SME Competence Center- Industrie 4.0 in a Global Context- Competence Analysis- Efficient Factory 4.0- SME Competence Center 4.0

4. Major Research Clusters- Digital Twin- New Security Culture- Industrial Implementation Guideline

5. Summary

November 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

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| Folie 4November 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

Development of information andcommunication technology (1)

Web Web 1.0 Web 2.0

1995 2000 2005

World Wide Web

Hypertexthyperlinked documents

Multimediahyperlinked media

Java, UML, XML Web Services

Socialmedia (1)networking people

Source: Dr. Dais, Bosch

(1995)(1998)

(1985,1997,1998)

(1995)

(1994)

(2004)

(2005)

(2006)(1999)

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| Folie 5November 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

Web 3.0

2010

Socialmedia (2)networkingcompanies

App technology

Web A.B

2015

Cyber-Physical Mediainterconnected and

communicating systems

Industrie 4.0component

Web X.Y

2020

Future Media

?

Development of information andcommunication technology (2)

5GMobilfunk10 Gbit/s

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| Folie 6November 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

The Dream was born

Prof. Kagermann (acatech) Prof. Wahlster (DFKI) Prof. Lukas (BMBF)

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| Folie 7

Industrie 4.0 – what does it mean?

November 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

The term Industrie 4.0 is a play on words consisting of 3 parts.

First “Industrie” indicates that this initiative is dedicated to industry.

Second, “.0” references the internet technology and intends to create the association with Web 1.0, Web 2.0, Web 3.0, Web … technology.

Third, the “4” stands for the 4th industrial revolution and aims at reaching a new level of industrial value chains covering the whole product lifecycle.

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| Folie 8

Approaches for smart systems

November 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

Improvement of the added valueBased on functional integration

Further improvement of the added value based on cyber-physical systems

Cyber-physical systems support networking and communication

Networked and communicating systems

Source: TU Darmstadt, Effiziente Fabrik 4.0

Smart FactorySmart Plant

Smart LogisticsSmart Products Smart Home

Condition Monitoring

Systems and Structural Health Monitoring

Remote Diagnosis and Control

Tracking and Tracing

Smart City

Source: TU Darmstadt

Smart Grid

Source: TU Darmstadt, ESE

AdaptronicMechanics Mechatronics

AktorSensor

Controller

M

Adaptive controller

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| Folie 9

Industrie 4.0Overview and Fundamental Concepts

1. Introduction2. Industrie 4.0 Organization and Fundamental Concepts

- Reference Architecture Model Industrie 4.0 (RAMI 4.0)- Industrie 4.0 Component

3. Efficient Factory 4.0 and SME Competence Center- Industrie 4.0 in a Global Context- Competence Analysis- Efficient Factory 4.0- SME Competence Center 4.0

4. Major Research Clusters- Digital Twin- New Security Culture- Industrial Implementation Guideline

5. Summary

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| Folie 10November 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

Plattform Industrie 4.0

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| Folie 11

The Plattform Industrie 4.0 Working Groups

Reference architectures, Standards and

Standardisation

Research and Development

Security of networked Systems

Legal Conditions

Work, Initial and Continuing Education

Development of the RAMI 4.0-modelStandardisation and international cooperation

Application scenarios of Industrie 4.0 – making the future comprehensibleR&D roadmap and innovation strategies

IT Security for Industrie 4.0IT Security in initial and continuing education

Need for action to reflect civil procedures and civil procedure laws, IT and data protection law, productliability law, IP law and also employment law

Work 4.0, Initial and Continuing Education in Industrie 4.0,need and fields for action, treatment recommendation In the range of qualification/education

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http://www.plattform-i40.de/I40/Navigation/DE/In-der-Praxis/Karte/karte.html;jsessionid=13B30491AA49B1A28932615395F45DA1

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| Folie 12November 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

Publications of the Plattform Industrie 4.0

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| Folie 13

Implementation recommendations for Industrie 4.0 Effective: April 14, 2015

November 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

Research roadmap

RAMI 4.0

Industrie 4.0component

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| Folie 14

Referenzarchitektur für Industrie 4.0 – RAMI 4.0

Source: based on Umsetzungsstrategie Industrie 4.0, BITKOM, VDMA, ZVEI; April 2015

IPv6 URI

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| Folie 15

Industrie 4.0 Component

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| Folie 16

Industrie 4.0 Component

Entity

Data Management FunctionalityHeader

Module Sector

Module 1Module 2Module n

Main Functionality

App SectorApp 1App 2App n

Shell Administration

https-clientVPN-Client https-Server

Internal Interface

Sou

rce:

E. T

antik

, DiK

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| Folie 17

Beispiel einer Industrie 4.0 Komponente Roboterarm

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| Folie 18

Industrie 4.0Overview and Fundamental Concepts

1. Introduction2. Industrie 4.0 Organization and Fundamental Concepts

- Reference Architecture Model Industrie 4.0 (RAMI 4.0)- Industrie 4.0 Component

3. Efficient Factory 4.0 and SME Competence Center- Industrie 4.0 in a Global Context- Competence Analysis- Efficient Factory 4.0- SME Competence Center 4.0

4. Major Research Clusters- Digital Twin- New Security Culture- Industrial Implementation Guideline

5. Summary

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| Folie 19

Publications acatech (1)Industrie 4.0 in a Global Context

Source: acatech

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| Folie 20

Publications acatech (2)Industrie 4.0 in a Global Context (excerpt)

Source: acatechIndustrie 4.0 in a Global Context

Source: acatechIndustrie 4.0 in a Global Context

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| Folie 21

Publications acatech (3)Industrie 4.0 in a Global Context (excerpt)

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| Folie 22

Publications acatech (4)Competences for Industrie 4.0

Strongest demand exists for

• Data-analysis and data interpretation• Trans-divisional process Know-How

and -management • Interdisciplinary thinking and acting• Customer relation management and

new leadership competences

Differences big enterprises and SMEs

Big enterprises:Focus on technology- anddata driven management

SMEs:Focus on process management andcustomer satisfaction

Danger of digital divide

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| Folie 23

Competence Centers Industrie 4.0 in Germany

Source: Wissenschaftlicher Beirat Industrie 4.0

Berlin

Potsdam

Chemnitz

Igersheim

München

Dortmund

Aachen

Lemgo

Darmstadt

Kaiserslautern

Karlsruhe

Stuttgart

Paderborn

Bremen

Berlin-Brandenburg

Hannover

Dortmund

DarmstadtMiT 4.0

Kaiserslautern Augsburg

Chemnitz

Hamburg

Ilmenau

Stuttgart

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| Folie 24

Strategy to Transfer Industrie 4.0 to Industry

November 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

Research andDevelopment

Labs

Demonstrationand Learning

Centers

Competenceand Transfer

Center

Prototypingand Testbed

Centers

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| Folie 25

Uses Cases – Efficient Factory 4.0

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Components as information carriersUnified data

management

Use Case 4

Flexible intelligent worker assistance systems

Use Case 1

Paperless and integratedquality assurance

Use Case 3

Condition and energy monitoring

Use Case 2

Digital value stream Real-time capable

production controlling

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| Folie 26

Manucatured Parts and Components are Information Carriers

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| Folie 27November 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

Industrie 4.0 Components as Information Carriers

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| Folie 28

Monitoring of Value Added Processes

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| Folie 29

Don´t forget Industrie 4.0 People!

Human centric environments Continuous learning and advanced qualification paths from

professional qualification to academic qualification Networks of good pratice Knowledge and competence building on the job Job enrichment Interdisciplinary awareness, thinking and understanding Agile skills (delta engineering to adapt appropriate skills)

November 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

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| Folie 30November 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

Darmstadt Competence Center for Small and Medium Sized Industry (MiT 4.0)

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| Folie 31

Industrie 4.0Overview and Fundamental Concepts

1. Introduction2. Industrie 4.0 Organization and Fundamental Concepts

- Reference Architecture Model Industrie 4.0 (RAMI 4.0)- Industrie 4.0 Component

3. Efficient Factory 4.0 and SME Competence Center- Industrie 4.0 in a Global Context- Competence Analysis- Efficient Factory 4.0- SME Competence Center 4.0

4. Major Research Clusters- Digital Twin- New Security Culture- Industrial Implementation Guideline

5. Summary

November 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

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| Folie 32

The Digital Twin as a digital representationof existing technical objects

Physical productwith semantic product memory

Product data model Component data model

Digital Twin: digital representation of individual physically existing components

Bildquelle: Zerspanungstechnik Bildquelle: aniwaa.com

November 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

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| Folie 33

Approach for the development of a digital twin for a CPPS Use case: xy-Lasercutter Digital Twin of a xy-Lasercutter Cyber-physical xy-Lasercutter

Example (2): Digital Twin of a xy-Lasercutter

bidirectionalassociativity

Cyber PhysicalProduction System

ValidationVerificationRamp-up

MaintenanceNovember 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

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| Folie 34

IUNO Partners

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| Folie 35

IUNONational Reference Project: IT-Security for Industrie 4.0

Use Cases

Kundenindividuelle Produktion

Technologiedaten-Marktplatz

Web-Plattform für Fernwartung

Visueller Security-Leitstand

Project- & Knowledge Management

Advisory Board (BSI, Industry, Research, Associations)

National Reference Implementation

Analysis ofRequirements

Models andSpecifikations

Toolboxes

Kundenindividuelle Produktion• Produktionsprozess für intelligentes

Werkstück (Losgröße Eins)

Technologiedaten-Marktplatz

Web-Plattform für Fernwartung

Visueller Security-Leitstand

Kundenindividuelle Produktion• Produktionsprozess für intelligentes

Werkstück (Losgröße Eins)

Technologiedaten-Marktplatz

Web-Plattform für Fernwartung• Gegenseitiger ortsunabhängiger Zugriff

(Trust Management / Trust Boundaries)

Visueller Security-Leitstand

Kundenindividuelle Produktion• Produktionsprozess für intelligentes

Werkstück (Losgröße Eins)

Technologiedaten-Marktplatz• Austausch von Maschinendaten

(Machine as a Service / DRM)

Web-Plattform für Fernwartung• Gegenseitiger ortsunabhängiger Zugriff

(Trust Management / Trust Boundaries)

Visueller Security-Leitstand

Customer specific production (Homag)• Production prozesses for smart parts and

assemblies

Market place for technology data (Trumpf)• Data exchange

(Machine as a Service / DRM)

Web-Platform for remote control (Bosch)• Remote access strategies and mgmt.

(Trust Management / Trust Boundaries)

Visual security-control (VW)• Management and visualisation of security

data

November 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

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| Folie 36November 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

The key element of the guideline Industrie 4.0 is the Toolbox Industrie 4.0 The Toolbox Industrie 4.0 is used to analyze the company‘s competences

and to generate strategies for approaching Industrie 4.0.

VDMA guideline Industrie 4.0:Toolbox Industrie 4.0

Sou

rce:

Lei

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n In

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DM

A

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| Folie 37November 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

Structure of the toolbox: Application level:

• Six application levels to identify themes for ideas in the field ofIndustrie 4.0.

• The combination provides the functionality.

Performance level:• Five technological, building

on one another performance levels for positioning and strategy development.

• The highest level represents the vision Industrie 4.0.

Application level

Performancelevel

VDM guideline Industrie 4.0:Toolbox Industrie 4.0

Sou

rce:

Lei

tfade

n In

dust

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.0 –

Orie

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d, V

DM

A

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| Folie 38

Procedure:1. Classification with respect to performance levels

of the Toolbox Industrie 4.02. Identification of the existing performance profile in the toolbox3. Definition of the target profile in the toolbox

VDMA guideline Industrie 4.0: Results for products und production

Sou

rce:

Lei

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n In

dust

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.0 –

Orie

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d, V

DM

A

November 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

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| Folie 39

Industrie 4.0Overview and Fundamental Concepts

1. Introduction2. Industrie 4.0 Organization and Fundamental Concepts

- Reference Architecture Model Industrie 4.0 (RAMI 4.0)- Industrie 4.0 Component

3. Efficient Factory 4.0 and SME Competence Center- Industrie 4.0 in a Global Context- Competence Analysis- Efficient Factory 4.0- SME Competence Center 4.0

4. Major Research Clusters- Digital Twin- New Security Culture- Industrial Implementation Guideline

5. Summary

November 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

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| Folie 40

Conclusions

Industrie 4.0 is a key initiative of the German hightech strategy supported by theGerman government and to be implemented by industry.

Key strategy of Industrie 4.0 is the creation of new innovation for smart systems such as smart products, smart production systems, smart logistics or smart gridsbased on the integration of internet based communication and embedded controlsoftware to ensure sustainablity and environmental soundness.

Future research activities will also need to address- safety, security, privacy and knowledge protection,- new business models as well as- human factors impact

New advanced engineering methods are required to support the developemnt ofsmart products able to self-control their functionality and to communicate with othersmart systems as well as with humans.

Industrie 4.0 is a fascinating technology and each enterprise has to decidewhether and if so how to implement Industrie 4.0.

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Thank you for your attention!

November 23rd, 2017 | Fachbereich 16 | Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion | Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

I cannot say whether things will get better if we change; what I can say is they must change if they are to get better.

Georg Christoph Lichtenberg (1742-1799)German scientist, author and philosopher

Source: TU Darmstadt / kh-architekten