Thomas Schulz - Industrie 4.0 - Referenzarchitektur und ... · Manifest Resource-Mananger...
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Imagination at work
Industrie 4.0 Referenzarchitektur und Standardisierung
Thomas SchulzRheinische Fachhochschule Köln, 18. Juni 2015
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Agenda
2
Was ist Industrie 4.0
Plattform Industrie 4.0
Referenzarchitektur und Standardisierung
Zusammenfassung
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Was ist Industrie 4.0
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4
198019131880 2020
Zeit
Wel
tbru
tto
inla
nd
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du
kt (
BIP
/KK
P)
694 Mrd. $ /Jahr
2 753Mrd. $ /Jahr
20 042Mrd. $ /Jahr
90 000Mrd. $ /Jahr(geschätzt)
Industrieschafft Wohlstand
Quelle: AMPERE 2013 Nr. 1
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DatenspeicherungDollar je 1 GB Speicherplatz
anhaltende Dynamik durch neue Technologien und sinkende Kosten
Kosten Rechenleistung und Datenspeicherung
5
Entwicklungs-und Produktions-kostensenkungals Hauptreiber
100.000100.000
19801980 20002000 20102010
0,01 0,01
10.00010.000
1.0001.000
100100
PR
EIS
IN
DO
LLA
R~0
RechenleistungDollar/MIPS (Millionen Instruktionen pro Sekunde)
ZEITSTRAHL
19901990
1010
11
0,10,1
Quellen: (1) "MIPS Equivalents". Carnegie Melon University. http://www.frc.ri.cmu.edu/users/hpm/book97/ch3/processor.list.txt(2) "Cost of Hard Drive Storage Space". Nova Scotia's Electric Gleaner. <http://ns1758.ca/winch/winchest.html>
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Perspektive der IP-Netzwerk-Technologie
6
7.36.9 7.6
50 Milliarden
“Smart Objects”
5050
20102010 20152015 20202020
00
4040
3030
2020
1010
GE
RÄ
TE
IN M
ILLI
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DE
N
25
Wendepunkt
ZEITSTRAHL
Einwohnerweltweit
Quellen:: (1) Cisco, Harbor Research, www.futuristspeaker.com (2) Statistika, Weltbevölkerung, http://de.statista.com
Rasante Umsetzung der digitalen Infrastruktur
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Wachstum des mobilenDatenverkehrszwischen2013 und2019
Perspektive des mobilen Datenverkehrs
7Quelle: Ericsson Mobility Report, June 2014, www.ericsson.com
Hauptreiber istdie ansteigendeAnzahl der Smartphones
2020
20132013 20162016 20192019
00
1515
1010
55
EX
TR
A-B
YT
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10X
Mobile PC´s andtablets
Mobilephones
ZEITSTRAHL
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Die vier Stufen derIndustriellen Revolution
8
DurchEinführung
arbeitsteiliger Massenproduktion
mithilfe vonelektrischer
Energie
durch Einsatz von
Elektronik und IT zur weiteren
Automatisierungder Produktion
der Aufstieg von verteilten Informations-
netzen
durch Einführung
mechanischer Produktionsanlagen
mithilfe vonWasser- und Dampfkraft
auf Basis von Cyber-
Physical Systems(CPS)
Internet, Big Data,
ErweiterteAnalyse-
methoden,Integration in
Maschinen, Anlagen und
Fuhrparks
Beginn der 70er Jahre
Beginn des20. Jahrhunderts
Ende des18. Jahrhundert
heute
1.
3.4.
Zeit
Gra
d d
er K
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ple
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t
2.
Quelle: DFKI 2011
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Industrie 4.0
Die Technologie, die der vierten industriellen Revolution zum Durchbruch
verhelfen wird, heißt Cyber-Physische Systeme. Sie bilden die Grundlage
für das Internet der Dinge, das im Rahmen von Industrie 4.0 mit dem
Internet der Dienste kombiniert wird. (1)
9Quellen: (1) Was ist Industrie 4.0? Lutz Pössneck, www.silicon.de (2) Bundesministerium für Bildung und Forschung, www.bmbf.de/de/9072.php
Das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 zielt
darauf ab, die deutsche Industrie in die
Lage zu versetzen, für die Zukunft der
Produktion gerüstet zu sein. (2)
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Cyber-Physische Systeme (CPS)
“Cyber-Physische Systeme (CPS) adressieren die enge Verbindung
eingebetteter Systeme zur Überwachung und Steuerung physikalischer
Vorgänge mittels Sensoren und Aktuatoren über Kommunikations-
einrichtungen mit den globalen digitalen Netzen (dem „Cyberspace“).“
Ein CPS enthält mindestens
folgende Elemente:
• Eine Verarbeitungseinheit (CPU)
• Einen Datenspeicher
• Ein physisches System
• Ein Kommunikationsinterface
10Source: Cyber-Physical system : Innovation durch Software – Intensive eingebettete Systeme, Manfred Broy, 2010.
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Internet der Dinge - Internet of things (IoT)
Der Begriff „Internet der Dinge“ und die Vision wurde bereits 1999 am
Massachusetts Institute of Technology (MIT) von Kevin Ashton geprägt.(1)
.
11Quelle: (1) ITWissen, www.itwissen.info, 9. Dezember 2014
Im Internet der Dinge kann jedes mit
Intelligenz ausgestattete Objekt an der
Kommunikation teilnehmen. Die
Datenspeicherung und Datenverarbeitung
kann dabei lokal oder in Cloud-basierten
Infrastrukturen erfolgen.
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Daten sind der Rohstoff der Zukunft
12
Smart Factory Kommuni-kation und Erfassen der Daten
Smart Devices
speichernund analysieren
Big Data
Smart Data
Visualisierenund
steuern
RtOI
Optimierungund
prediktiveDiagnostik
APC PublicCloud
PrivateCloud
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Plattform Industrie 4.0
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Industrie 4.0 Herausforderungen
Eine erste Herausforderung besteht darin, die etablierten
„Weltbilder“ der Disziplinen
• Produktionstechnik, Maschinenbau, Verfahrenstechnik,
• Automatisierungstechnik,
• Informatik und Internet
zusammenzubringen und eine gemeinsame Sichtweise zu entwickeln.
Leitgedanke ist die Gestaltung des anstehenden digitalen Strukturwandels in der Industrie.
14
Quelle: Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0, acatech, 2013
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Gründung Plattform Industrie 4.0
BITKOMBundesverband Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien e.V.www.bitkom.org
VDMAVerband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V.www.vdma.org
ZVEIZentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V.www.zvei.org
15
www.plattform-i40.de
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Struktur der Plattform Industrie 4.0
16
Quelle: BMWi Bundesministrium für Wirtschaft und Energie, Pressemitteilung 16. März 2015
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Plattform Industrie 4.0Digitale Agenda für Deutschland
17
Plattform Industrie 4.0
AG 1 Referenzarchitektur, Standardisierung und Normung AG 2 Forschung und InnovationAG 3 Sicherheit vernetzter Systeme AG 4 Rechtliche RahmenbedingungenAG 5 Arbeit, Aus- und Weiterbildung
Fokusprojet I4.0 GMA FA 7.21 I4.0FA 7.20 Cyber-Physical SystemsFA 7.22 Arbeistwelt I4.0FA 7.23 Geschäfts-modelle mit I4.0
Kompetenzbereich I4.0AK Cyber-Physcal Systems AK I4.0 Markt und StrategieAK I4.0 Interopera-bilität
Führungskreis I4.0Spiegelgruppen wie AG´s der PlattformSG 1 ...SG 2 ...SG 3 ...SG 4 ...
VDMA-Forum I4.0Handlungsfelder ForschungStandardisierungIT-Sicherheit Mensch & ArbeitProduktionsorga-nisation & Geschäftsmodelle
DIN/DKE Steuerkreis Normung I4.0Deutsche Normungs-Roadmap I4.0Normungs-Roadmap IT-Sicherheit
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Plattform Industrie 4.0 Handlungsstränge AG 1
Branchenübergreifende Referenzarchitekturen
für Industrie 4.0
• Bausteine und deren Beziehungen für eine mögliche Referenzarchitektur
identifizieren
• Definieren der Granularität der Bausteine (i4.0-Komponente)
• Mögliche Anordnung und Position der Bausteine in einer
Referenzarchitektur
18
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Plattform Industrie 4.0 Handlungsstränge AG 1
Model-basierte Entwicklungsplattform für Industrie 4.0
• Identifikation von von Kernmodellen
• Beschreiben einer durchgängigen, digitalen Repräsentanz und die
Nutzbarmachung über Dienste
• Konzept des Identitätsmanagements
• Smart Factory: Kompetenzen der IT-Branche und der Fertigungsbrachen
zusammenführen
19
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Quelle: Umsetzungsstrategie Industrie 4.0 – Ergebnisbericht, Plattform Industrie 4.0, 2015
Industrie 4.0Ergebnisbericht der drei Kernbereiche
(1) Forschung und Innovation
(2) Referenzarchitektur, Standardisierung, Normung
• Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI4.0)
• Referenzmodell für die Industrie 4.0-Komponente
• Standardisierung und Normung
(3) Sicherheit vernetzter Systeme
• Security-by-Design für Industrie 4.0
• Identitätsmanagement
• Standards und Vorgaben
20
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Referenzarchitektur und Standardisierung
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Größte Herausforderungen zur Umsetzung von Industrie 4.0
22
Quelle: Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0, acatech, 2013
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Standardisierung
Prozess-/Arbeitsorganisation
Verfügbare Produkte
Neue Geschäftsmodelle
Security-Know-how-Schutz
Forschung
Aus- Weiterbildung
Verfügbare Fachkräfte
Rechtliche Rahmenbedingungen
Ergebnisse der Tendenzbefragung
Standardisierung
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Standardisierung und Normung als Innovationstreiber
Normen und Standards• sichere Grundlage für die technische Beschaffung
• Sicherstellung der Interoperabilität im Anwendungsfall
• Zukunftssichere Grundlage für die Produktentwicklung
• Unterstützen die Kommunikation durch einheitliche Begriffe und Konzepte
23
Quelle: Die Deutsche Normungsroadmap Industrie 4.0, VDE, 2013
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Systemarchitektur
Architektur
Grundlegende Konzepte oder Eigenschaften eines Softwaresystems in
seinem Arbeitsumfeld, dargestellt durch seine Komponeneten und deren
Zusammenspiel basierend auf den Design- und Entwicklungsprinzipien
Architektur-Framework
Grundlagen, Strukturen und Praktiken einer Architekturbeschreibung
etabliert innerhalb einer Anwendunsgdomäne und/oder Gemeinschaft einer
Interessensgruppe
24Quelle: ISO/IEC/IEEE 42010:2011: Systems and software engineering — Architecture description is an international standard for architecture descriptions of systems and software
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Systemarchitektur
Technologieneutrales Architekturkonzept• Referenzmodell für die Gesamtarchitektur
25
Schwerpunkte• Serviceorientierung
• Autonomie
• Adaptivität
• Kooperationsfähigkeit
Quelle: Die Deutsche Normungsroadmap Industrie 4.0, VDE, 2013
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Referenzmodelle technischer Systeme und Prozesse
Referenzmodelle
• Produktidentifikation, Produktverfolgung und Lebenszyklus-Dokumentation
• Integrative Beschreibung von Produktions- und Geschäftsprozessen
• Beschreibung von Anlagen und Produktionsnetzwerken
• Beschreibung technischer Prozesse
• Beschreibung technischer Geräte
26
Quelle: Die Deutsche Normungsroadmap Industrie 4.0, VDE, 2013
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Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0)
27
Quelle: Umsetzungsstrategie Industrie 4.0 – Ergebnisbericht, Plattform Industrie 4.0, 2015
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Interoperabilität zwischen Systemen
28
TECHNISCHE INTEROPERABILITÄT
geeignete Netzinfrastruktur zur Gewährleistung der Transaktionssicherheit der Informationsflüsse
� Netzwerkprotokolle
SYNTAKTISCHEINTEROPERABILITÄT
Datentenintegration durch Nutzung gemeinsamer zentraler oder verteilter
Datenbestände � Funktionelle Integration
SEMANTISCHE INTEROPERABILITÄT
Nutzung gleicher Bezugssysteme und
Vokabularien � Thesauri � Klassifikationen� Nomenklaturen
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Bestehende Modelle zur Systemarchitektur
IEC TR 62794 Referenzmodell zur Repräsentation von
Produktionsstätten (Digitale Fabrik)
� Gerätemodell
� Merkmalslisten
29
IEC 62264Integration von Unternehmens-
führungs- und Leitsystemen
� Unternehmensmodell
� Anlagenmodell
� Funktionsmodell
IEC 61512Chargenorientierte Fahrweise
� Anlagenmodell
� Prozessmodell
Quelle: Die Deutsche Normungsroadmap Industrie 4.0, VDE, 2013
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OBJEKTE UND SEGMENTE
Personalmodell, Anlagenmodell, Materialmodell
IEC 62264 – Modelle und Terminologie
MODELL DER ANLAGENHIERACHIE
Ausrüstungen, die mit der Produktionssteuerung in
Verbindung stehen
30Quelle: DIN EN 62264-1:2014-07 Integration von Unternehmensführungs- und Leitsystemen Teil 1: Modelle und Terminologie
FUNKTIONSMODELL
Detaillierte Darstellung eines abstrakten Modells der
Steuerungsfunktionen und Aktivitäten
INFORMATIONS-AUSTAUSCH
Gemeinsamen Terminologie für den
Informationsaustausch
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Objekte und Segmente
31
Personalmodell
Materialmodell
Anlagenmodell
• Gegenstand: Menschliche Arbeitsleistung• Ziel: Verhalten und Ursachen• Kontinuierliche Prozessverbesserung (KPV)
• Gegenstand: Materialeigenschaften• Ziel: Werte und Ergebnisse• Verbesserung der Bestandsqualität• Total Quality Management (TQM)
• Gegenstand: Anlageneffizienz• Ziel: Sollwerte und Abweichungen• Verbesserungen der Nutzung
der Ausrüstungen• Total Productive Maintenance (TPM)
Prozesse
Quelle: ICMERA: Schulz, Chelaru: Model driven Key Performance Indicators concepts for Manufacturing Execution Systems, 2012
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Ableitung der Hierachieebenen des Referenzarchitekturmodells RAMI 4.0
32
Quelle: Umsetzungsstrategie Industrie 4.0 – Ergebnisbericht, Plattform Industrie 4.0 , 2015
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Abgrenzung „Office Floor“ und „Shop Floor“
33
Quelle: Umsetzungsstrategie Industrie 4.0 – Ergebnisbericht, Plattform Industrie 4.0 , 2015
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Industrie 4.0-Komponente
34
Gegenstände
Verwaltungs-Schalemit: Virtueller Repräsentationmit: Fachlicher Funktionalität
Manifest
Resource-Mananger
Gegenstand
Gegenstand
Quelle: Umsetzungsstrategie Industrie 4.0 – Ergebnisbericht, Plattform Industrie 4.0 , 2015
Spezialisierung eines Cyber-Physischen Systems =
Industrie 4.0-Komponente
• ein oder mehrere Gegenstände
• eine Verwaltungsschale mit Resource-Manager
• die virtuelle Repräsentation hält Daten zu dem Gegenstand
• mindestens ein Informationssystem muss eine Verbindung zum Gegenstand halten
• Manifest - Verzeichnis der einzelnen Dateninhalte der virtuellen Repräsentation
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Verwaltungs-Schale �
Verwaltungs-Schale �
Verwaltungs-Schale �
Verwaltungs-Schale �
Ein Gegenstand wird zur Industrie 4.0-Komponente
35
Gegenstand(Unbekannt)(Anonym)
(Individuell bekannt)Entität
Gegenstandz.B. elektr. Achse �
Gegenstand, z.B. Maschine �
Gegenstandz.B. Klemmblock
Gegenstandz.B. Standard-SW
Beispiele für Industrie 4.0-KomponentenKeine Industrie 4.0-Komponente
Industrie 4.0-konforme Kommunikation �
���� = Schnittstelle / DatenformateIndustrie 4.0-konform ausgeführt
(Gegenstand gibt ZugriffAuf Verwaltungsschale)
(Übergeordnetes System gibt Zugriff auf
Verwaltungsschale)
Quelle: Umsetzungsstrategie Industrie 4.0 –Ergebnisbericht, Plattform Industrie 4.0 , 2015
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Merkmale der Industrie 4.0-Komponente
• Identifizierbarkeitim Netzwerk mittels eines eineindeutigen Identifiers (ID) eindeutig identifizierbar
• Industrie 4.0-konforme KommunikationIndustrie 4.0-Komponenten kommunizieren untereinander mindestens nach dem serviceorientierten Architektur (SOA) Prinzip
• Virtuelle BeschreibungFormale Beschreibung relevanter Funktionen der Maschine und ihrer Abläufe
• Industrie 4.0-konforme Semantik
• Security und Safety
• SchachtelbarkeitJede Industrie 4.0-Komponente kann aus weiteren Industrie 4.0-Komponenten bestehen.
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Quelle: Umsetzungsstrategie Industrie 4.0 – Ergebnisbericht, Plattform Industrie 4.0 , 2015
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Service Oriented Architecture - SOA
DefinitionSOA ist ein Paradigma für die Strukturierung und Nutzung verteilter Funktionalität, die von unterschiedlichen Besitzern verantwortet wird. (1)
Dienstorientierte Architektur• Ein Dienst ist in sich abgeschlossen und kann eigenständig genutzt
werden
• Dienste sind in einem Netzwerk verfügbar
• Dienste sind plattformunabhängig
• Dienste sind in einem Verzeichnis registriert
• Möglichkeit der Dynamische Bindung von Diensten
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Quelle: (1) Reference Model for Service Oriented Architecture 1.0, Committee, OASIS Standard, 12 October 2006
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Service Oriented Architecture - SOA
IEC 18384Reference Architecture for Service Oriented Architecture (SOA)
• Definitionen Dienst, Dienstbringer und Dienstnutzer
• Zusammenstellung und Entwicklung
• Dienstverzeichnis und Veröffentlichung
• SOA Architekturprinzipien
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Quelle: ISO/IEC 18384 Information Technology - Reference Architecture for Service Oriented Architecture (SOA)
Dienst indentifizierenund Einzelheitennachschlagen
Dienstaufrufen
Dienstveröffentlichen
Dienstbringer
Verzeichnis
Dienstnutzer
Server Anwendung
ClientAnwendung
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OPC UA - Generische Diensteplattform mit Systemdiensten
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IEC 62541 OPC Unified Architecture
• Betriebssystem- und plattformunabhängig
• Internetfähige Service orientierte Architektur (SOA)
• Transport über etablierte Standards wie TCP/IP, HTTP, SOAP und XML
• Rubuster Datentransfer unabhängig von Kommunikationsprotokollen
• Sicherheit der Übertragung durch dreiteilige Sicherheits-Modell
• Skalierbarkeit zur durchgängigen Vernetzung der Kommunikationstechnologie
Quelle: OPC Unified Architecture - Wegbereiter der 4. industriellen (R)Evolution
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OPC UA - Generische Diensteplattform mit Systemdiensten
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Datenmodell• Sämtliche Objekte werden durch Knoten im Adressraum dargestellt
• Typendefinition der Standard-Informationsmodelle mit Eigenschaften und Semantik
− Daten – DA
− Historische Daten – HA
− Alarme und Zustände – AC
− Funktionen - PROG
• Definition eigener Informationsmedelle
Quelle: IEC 62541 - OPC Unified Architecture
DA AC HA PROG
Domain-SpezifischesInformationsmodell
Anwenderspezifikationen
OPCA UA Basisdienste
Web DiensteRegeln für
Modellierung
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Zusammenfassung
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Handlungsempfehlungen
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Die Integration von Smart Factory in bestehende Fertigungen STEHT NOCH AM ANFANG
Heute einsetzbare Industrie 4.0 LÖSUNGEN SIND VERFÜGBAR
Im Unternehmen PASSENDE AUFGABEN erkennen und auf ihre Eignung hin überprüfen
Die Entwicklung hin zu Industrie 4.0 ist ein EVOLUTIONÄRER PROZESS
Einführung von Industrie 4.0 erfolgt BAUSTEINWEISE in ÜBERSCHAUBAREN SCHRITTEN
INDUSTRIE 4.0
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