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S-CPS - Resource-Cockpit for Socio-Cyber-Physical Systems

Goal: The project S-CPS aims to identify and analyze productivity relevant factors for service operations to allow effective and efficient maintenance, by respecting local and technical conditions. Therefore a resource cockpit is developed, which brings together data streams of several heterogeneous production resources relevant for the mobile workforce to provide remote support for service operations. The resource cockpit will increase the maintenance and repair efficiency in manufacturing. The research focus is to shed light on the collaboration of cyber-physical systems and people. The project is part of the overall initiative “Industry 4.0”.

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Andreas Reidt
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Der Kern der industriellen Revolution, die in Deutschland mit dem Begriff Industrie 4.0 eingeläutet und durch die gestiegenen Anforderungen der Wirtschaft getrieben wurde, ist die Nutzung von Kommunikationstechnologien zur integralen Vernetzung von Menschen, Maschinen und Produkten. Im Ergebnis werden Produkte und Produktion intelligenter und effizienter, Fabriken arbeiten zunehmend automatisiert und Arbeitsplätze sowie die damit verbundenen Tätigkeiten werden neu definiert. Allerdings herrscht in vielen Unternehmen eine große Unklarheit über die notwendigen Sicherheitsziele und-probleme und die daraus resultierenden Bedrohungen, die angegangen werden sollten. Im Rahmen dieser Arbeit befassen wir uns daher mit den Sicherheitsaspekten von Industrie 4.0 und geben einen Überblick über die Herausforderungen, Bedrohungen und Methoden. Das Ziel ist es basierend auf einer wissenschaftlichen Literaturrecherche eine Reihe von Richtlinien und Empfehlungen zu erstellen, um sichere Umgebungen für den industriellen Bereich zu schaffen.
Hans Fleischmann
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Die zunehmende Komplexität moderner Produktionsanlagen stellt die technische Instandhaltung vor gesteigerte Herausforderungen. Beim Auftreten eines Fehlers ist es im ersten Schritt notwendig, dessen genaue Ursache zu diagnostizieren, noch bevor die eigentliche Reparatur beginnen kann. Als ein Befähiger von Industrie 4.0 bilden Cyber-Physical Systems die Grundlage für ein neuartiges Assistenzsystem, welches die Diagnostik hochentwickelter Produktionsanlagen effizienter gestaltet. The increasing complexity of sophisticated production plants poses new challenges in the field of technical maintenance. The initial step in the repair procedure is a problem root-cause analysis. As a key enabler of the Industry 4.0 cyber-physical systems form the core of novel assistant systems, which deliver more efficient diagnostic mechanisms for production facilities.
Andreas Reidt
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Der Einsatz von Cyber-physische Systemen (CPS) in der Instandhaltung von komplexen Produktionsanlagen kann helfen fehler- oder wartungsbedingte Stillstandszeiten zu verkürzen. Fehler können durch CPS frühzeitig erkannt und Wartungszyklen dezentral anhand der Abnutzung der jeweiligen Anlage bestimmt werden, wodurch zentrale Systeme entlastet werden. In der aktuellen Praxis wird die Instandhaltung jedoch nicht effizient durch IT-Systemen unterstützt. Oft muss der Instandhalter benötigte Informationen händisch aus diversen proprietären Systemen oder analogen Quellen beziehen. Eine dezentrale Lösung anhand eines CPS, welches den Instandhalter bei der Fehlerbehebung und Wartung unterstützt, würde den Prozess stark verbessern. Zur Erleichterung der Implementierung eines solchen CPS wird in diesem Beitrag eine Referenz- architektur (RA) eines solchen Systems präsentiert. Diese skizziert die wiederverwendbaren Komponenten, die Verteilungsmechanismen zwischen beteiligten Systemen und deren Funktions- umfang. Zur Erstellung dieser RA wurden eine Literaturrecherche, Anforderungsanalyse in vier Unternehmen durchgeführt, um die Anforderungen an ein CPS in der Instandhaltung aufzunehmen.
Sascha Julian Oks
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Der Einsatz cyber-physischer Systeme im Industrie 4.0-Kontext verändert die industrielle Wertschöpfung nachhaltig. Die Fertigung "smarter" Produkte nach kundenindividuellen Wünschen in "Batch Size One", die zunehmende Hybridität von Produkten und Dienstleistungen sowie die Verfügbarkeit immenser Datenmengen aus der Produktion und dem Produktlebenszyklus, erhöhen die Prozesskomplexität fortlaufend. Dies gilt auch für nachgelagerte, wertschöpfungsunterstützende Services, wie die Instandhaltung. Der vorliegende Beitrag beschreibt die im Rahmen des Förderprojekts "Ressourcen-Cockpit für Sozio-Cyber-Physische Systeme" (S-CPS), das ein Instandhaltungssystem basierend auf einem cyber-physischen System entwickelt, durchgeführten Tätigkeiten zur Ausarbeitung von Rollen, Views und Schnittstellen für dieses System. Dazu werden zunächst cyber-physische Systeme sowie Theorien und Methoden zur stakeholderzentrierten Systementwicklung vorgestellt. Darauf folgend werden das methodische Vorgehen und dessen Ergebnisse in Form eines Rollenmodells und System-Mock-ups präsentiert. Abschließend werden die generalisierten Erkenntnisse aus dem Projekt beschrieben sowie ein Ausblick für anschließende Forschung gegeben.
Sascha Julian Oks
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Constructs like the internet of things and cyber-physical systems provide a whole new design repertoire for information systems implementations in industry. In our paper, we study three cases in the context of industrial maintenance to explore how companies actually make use of this repertoire in practice and how their usage relates to the potential which is generally associated with the digital transformation of industry. We find that companies use the new repertoire very conservatively and stay closely connected to their previous experience. At the same time, we see that practitioners actively explore directions of digitization which go into rather different directions than those that are currently discussed in public. We interpret this as a first step to the evolution of a general ability to make the new design repertoire usable for specific purposes which can be compared to learning a new language.
Hans Fleischmann
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The increasing complexity of production plants in the context of Industry 4.0 poses new challenges with regards to technical maintenance and process control. In this context, Cyber-Physical Systems (CPS) for intelligent condition monitoring enable fault-tolerant, predictable production systems. Unfortunately, CPS and Condition Monitoring System development is challenging due to the distribution of computational tasks among heterogeneous industrial IT-architectures. It is usually started from scratch, which is time-consuming and error-prone. In times of CPS the employee as maintenance worker, who ensures the availability of production machinery, is still important. In order to address these challenges, this publication we propose a modular architecture for Socio-CPS-based condition and process monitoring as well as fault diagnostics.
Andreas Reidt
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Durch die zunehmenden Trends der Digitalisierung und der Industrie 4.0 steigen die Anforderungen an die handelnden Akteure im produzierenden Gewerbe. Unterstützende Prozesse wie die Instandhaltung trifft dieser Wandel besonders stark, da dort das Wissensmanagement auch wegen des zunehmenden Alters der Beteiligten stark an Bedeutung zunimmt. Informationssysteme, wie ein Ressourcen- Cockpit, die den Instandhalter durch zielgerichtete und gebündelt dargestellte Informationen und Auswertungen unterstützt, stellen eine Lösung dieser Herausforderung dar. Die Entwicklung eines solchen Ressourcen-Cockpits ist jedoch kostenintensiv und erfordert ein tiefes Verständnis der technischen Möglichkeiten sowie der Domäne der Instandhaltung. Zusätzlich führen fehlende Standards und eine isolierte, proprietäre Entwicklung für spezifische Unternehmen zu dem Problem, dass unabhängig voneinander entwickelte Systeme inkompatibel zueinander sind. Dies erschwert eine branchen- und unternehmensübergreifende Zusammenarbeit, die in der Instandhaltung nötig ist. Eine zukunftssichere Entwicklung ist so fast unmöglich. Eine nachhaltige Entwicklung, bei der auch die künftige Weiterentwicklung und Integration zusätzlicher Komponenten und Unternehmen berücksichtigt wird, ist dadurch fast unmöglich. Daher wird zur Unterstützung der Entwicklung eines individuellen, jedoch branchen- und unternehmensübergreifend kompatiblen Ressourcen-Cockpits, in diesem Beitrag, die Referenzarchitektur eines Ressourcen-Cockpits zur Unterstützung der Instandhaltung (RARC) vorgestellt. Durch die RARC wird Domänenwissen über die Instandhaltung sowie generische und optionale Anforderungen an ein Ressourcen-Cockpit bereitgestellt. Unternehmen können sich anhand von diesen Anforderungen sowie vordefinierten Modulen und Prozessen ihr eigenes Ressourcen-Cockpit zusammenstellen und ableiten, welches jedoch einen generischen Architekturkern besitzt. Weiterhin kann die RARC als Grundlage zur Kommunikation zwischen allen Stakeholdern eines Entwicklungsprojektes genutzt werden. Durch diese Faktoren wird neben der Anforderungserhebung und der Rückverfolgbarkeit der Anforderungen auch der gesamte Entwicklungsprozess unterstützt.
Hans Fleischmann
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Die umfassende Vernetzung intelligenter Produkte und Produktionssysteme in Industrie 4.0 erlaubt eine dezentral agierende Produktion sowie die Fähigkeit zur Selbststeuerung und Selbstoptimierung. Die Standardisierung von Kommunikation und Datenaustausch nimmt an dieser Stelle eine entscheidende Rolle ein und ermöglicht die system- und wertschöpfungsübergreifende Interaktion von Entitäten. Im Fachbeitrag werden formalisierte Anforderungen von Industrie 4.0 und Fähigkeiten propagierter Kommunikationsprotokolle gegenübergestellt. Comprehensive networks of intelligent products and production systems in Industry 4.0 enable an autonomous and decentralized manufacturing organization and the capability for self-control and self-optimization. Standardized communication and data exchange is the key to establish the interaction of entities and systems along the entire value chain. This paper analyses requirements of Industry 4.0 and discusses the capabilities of propagated communication protocols.
The proliferation of energy management systems leads to new potentials of data acquisition that can deliver improved machine information through intelligent linking. In addition to energy controlling, the newly gotten database creates further use cases for advanced purposes. This paper presents an exemplary application of a diagnostic scenario for industrial robots. For this objective, data fusion of energy data and operating logs is necessary to obtain detailed knowledge of the behavior of a production system. Hereby, an online measurement system will be described, which helps to uncover inefficiencies in production systems.
Sascha Julian Oks
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The potential transformation cyber-physical systems can bring to a broad variety of domains is widely discussed in academia and industry. Despite the expected benefits in the industrial domain of further automatization of production processes and the possibility to produce “batch size one” at large-scale production costs, the majority of organizations hesitate in the implementation of cyber-physical systems. This can be attributed to uncertainty decision makers feel, about how to choose right applications of cyber-physical systems and if chosen how to implement these applications to the unique and specific needs of their organization. To address this problem this chapter introduces an application map which includes the spheres smart factory, industrial smart data, industrial smart services, smart products, product-related smart data and product-related smart services. Based on this model, the decision makers are provided a scheme of application fields for utilizing cyber-physical architectures adjusted to their unique business situation.
Being exposed to technical change with potentially disruptive consequences for their own business operations, managers often hesitate to adopt it. This is currently the case for the digitalisation of industry. We argue in our paper that this is the result of a lack of strategic reflection: in order to engage more actively with innovations of this kind, managers need to put new technical devices in a business context where they can assess them with respect to certain purposes and success criteria. An empirical study on the introduction of a cyber-physical system for industrial maintenance in a variety of different fields of industry provides detailed information about how this is done. Problem-centred interviews are used to collect data on the various ways how decision makers in industry connect innovations in the course of digitalisation to strategic thought. The results highlight important differences between the respective application domains and the stakeholders who are affected by the innovation.
Information technology has had a distinct influence on societies, their organizations and industries as well as the lives of their members. Nowadays, a further advancement brings inestimable potential based on IT infrastructure: The internet of things. Based on sensors, actuators and data analyzing solutions, cyber-physical systems build the infrastructure for new processes as well as service systems. In the field of manufacturing the main focus is set on the continuous advancement of automation and fostering further efficiency in the machine based production processes. In addition to this it must be emphasized, how relevant convenient user integration is: Technological progress only reveals its ultimate potential if the users which interact with the system are integrated according to their needs.
Hans Fleischmann
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S-CPS at World Conference of Factory Communication Systems (WFCS): http://dx.doi.org/10.1109/WFCS.2016.7496509
 
Hans Fleischmann
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The project S-CPS aims to identify and analyze productivity relevant factors for service operations to allow effective and efficient maintenance, by respecting local and technical conditions. Therefore a resource cockpit is developed, which brings together data streams of several heterogeneous production resources relevant for the mobile workforce to provide remote support for service operations. The resource cockpit will increase the maintenance and repair efficiency in manufacturing. The research focus is to shed light on the collaboration of cyber-physical systems and people. The project is part of the overall initiative “Industry 4.0”.