Siemens, Bausch+Ströbel, Bosch Rexroth, Cadenas, Festo, Harting, Sick, Phoenix Contact und Wago zeigten auf der Hannover Messe 2023 gemeinsam, wie sich die Verwaltungsschale in der Praxis umsetzen lässt: Die Unternehmen haben digitale Zwillingsdaten gemäß des von der Verwaltungsschale definierten Standards für einen konkreten Anwendungsfall beim Maschinen- und Anlagenbauer Bausch+Ströbel ausgetauscht.
Interoperabler digitaler Zwilling auf Basis der Verwaltungsschale
Der von der Verwaltungsschale definierte Standard ist herstellerunabhängig und industrie-neutral und wird maßgeblich von der Industrial Digital Twin Association (IDTA, von VDMA und ZVEI gemeinsam mit Bitkom und 20 Firmen aus Maschinenbau und Elektroindustrie gegründet) vorangetrieben. Dadurch können alle Informationen und Funktionen eines bestimmten ‚Assets' dokumentiert, beschrieben und vor allem geteilt werden.
Er ermöglicht im Bereich Industrie 4.0 die digitale Darstellung zum Beispiel eines Produkts oder einer Maschine auf Basis einer einheitlichen ‚Datensprache' sowie eines einheitlichen Datenzugangs. Das ist entscheidend für den effizienten Austausch von Daten des digitalen Zwillings zwischen Unternehmen, die meist mit proprietären Formaten sowie heterogenen Systemen und IT-Landschaften arbeiten. Für Kunden bedeutet das: Der Engineering-Prozess wird beschleunigt und vereinfacht, da Daten offener und leichter austauschbar werden und die physische und die digitale Welt verbinden.
Wie das funktionieren kann, zeigen die Partner auf der Hannover Messe gemeinsam anhand einer Etikettier-Maschine von Bausch+Ströbel. Indem die beteiligten Komponentenhersteller Daten über die Verwaltungsschale standardisiert zur Verfügung gestellt haben, kann Bausch+Ströbel schneller und effizienter einen digitalen Zwilling der Maschine erstellen und so massiv Zeit beim Engineering und damit Kosten sparen. „Das Modifizieren, Suchen und Vervollständigen der Daten entfällt und wir können direkt mit den wertschöpfenden Tätigkeiten beginnen", so Erich Bauer, Vice President Research & Development bei Bausch+Ströbel. „Außerdem haben die Daten aufgrund des Standards der Verwaltungsschale eine höhere Qualität, da zum Beispiel die Umformatierung von Daten entfällt."
Siemens hat diesen Anwendungsfall mit Hilfe von Software-Lösungen aus dem Siemens-Xcelerator-Portfolio unterstützt. Die Komponentenhersteller konnten prototypisch digitale Zwillingsdaten einfach und schnell in Form einer Verwaltungsschale über die Teamcenter Software für Product Lifecycle Management (PLM) bereitstellen und dann Verwaltungsschalen prototypisch über die Engineering Tools NX Mechatronics Concept Designer, TIA Portal und SIMIT importieren.
Jeder der beteiligten Komponentenhersteller hat einen digitalen Zwilling der jeweiligen Komponente wie beispielsweise Sensorik, Steckverbinder oder Zylinder in Form einer Verwaltungsschale zur Verfügung gestellt. Anschließend haben die Partner gemeinsam den Mehrwert der Verwaltungsschale anhand des konkreten Anwendungsfalls bei Bausch+Ströbel evaluiert. Mit dieser Zusammenarbeit in einem offenen Ökosystem treiben die neun Partner maßgeblich die Industrie 4.0 und die digitale Transformation der Industrie voran. Weitere Unternehmen können dem Arbeitskreis beitreten.
Die Organisationen und Verbände AutomationML e.V., Industrial Digital Twin Association (IDTA), OPC Foundation und VDMA haben ein gemeinsam erstelltes Diskussionspapier zum Thema ‚Interoperabilität mit AutomationML, der Verwaltungsschale, OPC UA inklusive Companion Specifications' veröffentlicht. Autoren sind Rainer Drath (AutomationML e.V.), Christian Mosch (IDTA), Stefan Hoppe (OPC Foundation), Andreas Faath (VDMA), Erich Barnstedt (Microsoft), Bernd Fiebiger (Kuka) und Wolfgang Schlögl (Siemens).
Aus Sicht der Verbände sind für die Umsetzung von Industrie 4.0 proprietäre und geschlossene Interoperabilitätslösungen kaum zukunftsfähig. Insbesondere AutomationML, die Verwaltungsschale (Asset Administra-tion Shell - AAS), sowie OPC UA mit ihren zugehörigen Informationsmodellen (OPC UA Companion Specifications) gelten als Industrie 4.0-Schlüsseltechnologien, werden von der Plattform Industrie 4.0 empfohlen und bieten umfassende Konzepte für eine vereinheitlichte digitale Interoperabilität zwischen Industrie 4.0-fähigen Maschinen und Systemen während ihres gesamten Lebenszyklus.
Das Diskussionspapier wurde gemeinsam mit Experten von Industrieunternehmen Microsoft, Kuka und Siemens entwickelt, um Orientierung und Handlungsempfehlungen zu geben. Es richtet sich an Entscheider, Strategen und Experten in Unternehmen, die das Ziel verfolgen, die eigenen Wertschöpfungssysteme im Sinne von Industrie 4.0 zukunftsfähig zu gestalten. Es beschreibt ein Zielbild, ein ‚Big Picture Interoperabilität', das zeigt, wie die genannten Technologien zusammenpassen, sich komplementär gegenseitig ergänzen und wie Interoperabilität über Domänen hinweg durch kombinierte Anwendung in der Industrieautomation erreicht wird. Weiter richtet das Diskussionspapier konkrete Handlungsempfehlungen an Entwickler und Anwender von interoperablen Systemlösungen und gibt Orientierung zur Nutzung der genannten Technologien. Die Verbände und Organisationen in diesem Diskus-sionspapier bekunden ihren Willen zur Kooperation, um im Sinne Ihrer Mitglieder und der gesamten Industrie Doppelstandardisierung zu vermeiden. Die Verbände, Forschung und Industrie sind eingeladen, das vorgestellte Big Picture Interoperabilität weiter zu verfeinern und zu verbessern.
Industrie 4.0 verfolgt die Einführung von Internettechnologien in die Industrie mit dem Ziel, durch Vernetzung und Digitalisierung neue Wertschöpfungspoten-ziale zu erschließen. Industrielle Assets wie Komponenten, etwa Maschinen oder Pumpen und Systeme wie Fertigungszellen und -linien sind oft noch weit von dem entfernt, was einfache Tintenstrahldrucker längst bieten: Plug-and-Play von der Anlieferung bis zum Betrieb. Während die aus dem Büroalltag bekannte IT mit Technologien wie Ethernet, USB und Treiberarchitekturen bereits universelle und herstellerübergreifende Kommunikationsstandards und Interoperabilitätslösungen besitzt, sind solche Lösungen in der Industrie bisher kaum verbreitet. Stattdessen haben sich in der Industrie für verschiedene Anwendungsfälle vielfältige proprietäre, aber auch standardisierte Lösungen etabliert. Wirkliche Interoperabilität in der Industrie erfordert für Assets und Systeme aber eine tiefe Softwareintegration in mehrere Stoßrichtungen. RAMI4.0 zeigt diese in einem drei-dimensionalen Würfel auf.
Zu den standardisierten Interoperabilitätslösungen gehören OPC UA und ihre Informationsmodelle, AutomationML und seine Whitepaper und Application Recommendations und die Verwaltungsschale.
Interoperabilität bezeichnet die Fähigkeit von Systemen, Geräten und Anwendungen, sich herstellerübergreifend zu verbinden und zielgerichtet zu kommunizieren, einschließlich Operational Technology (OT) und Information Technology (IT). Die Interoperabilität umfasst dabei die Dimensionen des Referenz-Architektur-Modells-Industrie-4.0 – RAMI4.01: alle Hierarchieebenen der Automatisierungstechnik (Hierarchy Levels), den Entstehungsprozess von Assets und Systemen (Value Stream) als auch die Schichten eines Unternehmens (Layers).
Damit eine solche Interoperabilität gelingt, müssen alle relevanten Assets und Dienste standardisierte Datenmodelle (mittels AAS Teilmodell-Vorlagen, AutomationML und OPC UA Companion Specifications) beinhalten und diese über standardisierte Schnittstellen wie OPC UA zugänglich gemacht werden. Die Verwaltungsschale ist in diesem Sinne als digitale Lebenszyklusakte zu verstehen, auf die alle autorisierten Interessenten vom Vertrieb bis zum Service firmenübergreifend Zugriff haben.
Die Verwaltungsschale (AAS) ist eine interoperable Umsetzung des digitalen Zwillings. Sie wird in IEC 63278 standardisiert. Als digitale Repräsentation eines Assets wie einem Gerät, einer Maschine oder einer Anlage über ihren gesamten Lebenszyklus agiert sie als ‚Lebenszyklus-Akte' des Assets. Eine AAS kann bereits existieren, bevor das eigentliche Asset entwickelt oder produziert wurde – beispielsweise bereits in der Angebotserstellung. Auch für Assets, die nicht über eine Kommunikationsschnittstelle verfügen wie Schrauben kann die AAS verwendet werden.
Die wichtigsten Merkmale und Rollen, die für die Verwaltungsschale definiert sind, lauten:
Eine AAS hat einen Bezug zu einem Asset und repräsentiert dieses digital, eine AAS bietet eine oder mehrere Schnittstellen, eine AAS referenziert ein oder mehrere Teilmodelle, eine AAS-Benutzeranwendung greift über Daten-schnittstelle(n) auf die Informationen der AAS zu. eine Teilmodell-Vorlage dient der Erstellung eines Teilmodells nach dieser Vorlage, eine Teilmodell-Vorlage kann auf Detailmodelle, Wörterbücher und Ontologien verweisen, Detailmodelle, Wörterbücher und Ontologien definieren das gemeinsame Vokabular als Grundlage für die Interoperabilität, Teilmodelle können auf die Asset-Dienste verweisen, die von einem Asset über eine AssetIntegration bereitgestellt werden; es kann auf weitere mit dem Asset verbundene Dienste verwiesen werden.
Über sogenannte Teilmodelle werden zugehörige Asset-Informationen elektronisch modelliert und standardisiert auffindbar, erkundbar und nutzbar, beispielswei-se das digitale Typenschild, Geometriebeschreibun-gen, Geräteparameter, Schnittstellen, Zertifikate, Do-kumentation, aggregierte Betriebsdatenm oder Simula-tionen.
Teilmodelle sind ‚Stand-Alone-Modelle' und strukturieren die Informationen und Dokumente in Use Cases. ‚Stand-Alone-Modelle' bedeutet, dass Submodels für sich selbst aussagefähig sein sollten, so dass auch eine AAS mit nur einem Submodel das Produkt digital repräsentieren kann. Anwendungsfälle, die mit den Teilmodellen umsetzbar sind, sind beispielsweise der Carbon Footprint zur automatischen CO 2 -Berechnung aus Produktionssystemen und Lieferketten und der Einhaltung von Vorschriften und Pflichten gegenüber den Gesetzgebern. Mit der Vergleichbarkeit der Berechnung von ausgestoßenen Treibhausgasen und einer fairen Bewertung werden nachhaltige Einkaufs- und Entwicklungsentscheidungen auf Grundlage des PCF möglich. Des Weiteren eine Bill of Material zur Abbildung von Beziehungen innerhalb größerer Systeme mit mehreren Stücklisten in mehreren Ebenen. Durch die Äquivalenzbeziehungen werden schnelles (Re-)Engineering von komplexen Anlagen oder automatische Diagnose und Datenanalyse möglich. Auch das digitale Typenschild in Kombination mit dem IEC-61406-1-Identification-Link und dem Submodel Handover Documentation basierend auf der VDI 2770 ist ein Anwendungsfall und erlaubt einen schnellen digitalen Zugriff auf Dokumente in jeweiliger Landessprache (zum Beispiel Inbetriebnahmeanleitungen) und mit lokalen Zertifikaten und Konformitätserklärungen. Alle Seriennummern für Geräte können beispielsweise für die Zollerklärung zusammengefasst, Papierdokumentationen eingespart und sichere und genaue Identifizierung von Altkomponenten sichergestellt werden. Via Serialisierung können AAS versendet, empfangen und auch offline verwendet werden. Online können via OPC UA Echtzeitinformationen (zum Beispiel Energieverbrauch des Motors) erfragt werden. Engineering-Werkzeuge können über die Verwaltungsschale erforderliche Engineering-Artefakte beziehen, beispielsweise Geometrien, Funktionsbausteine, Installationsanleitungen oder Simulationsmodelle. Weiterhin ist die Versorgung eines Simulationsmodells mit historischen oder Echtzeitdaten aus der Produktion über die Verwaltungsschale möglich, um eine Simulation mit realen Daten zu versorgen, um Optimierungen oder Fehlersuche zu vereinfachen.
Um diese Interoperabilität gewährleisten zu können, kommt der Standardisierung von Teilmodell-Vorlagen eine wesentliche Rolle zu, die genau die obigen Anwendungsfälle unterstützen.
Es wird klar definiert, welche Daten untereinander ausgetauscht werden können. Durch das Teilmodell-Konzept sind außerdem feingranulare Zugriffs- und Verwendungsrichtlinien definierbar.
OPC Unified Architecture (OPC UA) definiert ein plattform-, hersteller- und branchenunabhängiges modulares Framework für einen sicheren und zuverlässigen horizontalen und vertikalen Informationsaustausch in der Industrie. Typische Anwendungen sind OPC UA als operative Online-Schnittstelle eines Assets: OPC UA ermöglicht dabei den Zugriff auf das im Betrieb befindliche Wertschöpfungssystem; und OPC UA als operative Offline-Schnittstelle ermöglicht die flexible Speicherung, Suchen und Finden von hierarchischen Informa-tionen.
Dabei ist OPC UA viel mehr als ein Protokoll: Es ist eine Sammlung von Technologien. Statt einer klassischen Kommunikationspyramide mit vielen unterschiedlichen Protokollen zwischen den Schichten bietet OPC UA eine moderne Architektur für durchlässige Informations-Netzwerke. OPC UA ist in der IEC 62541 standardisiert und ein lokaler Standard in vielen Ländern wie China, Korea, Singapur, Russland, Norwegen. Die Anwendung von OPC UA ist domänenunabhängig und wird in der Fabrikautomatisierung, der Prozess- und Energie Branche, aber auch in der industriellen Küchenwelt eingesetzt. Die auszutauschenden Informationen können mit OPC UA modelliert werden: Branchenspezifische Informationen stehen in sogenannten Companion Specifications zur Verfügung, Firmen können aber auch eigene Informationen zur Differenzierung zusätzlich zum Domainstandard anbieten und den Zugang zu diesen erweiterten Informationen mit Hilfe von Sicherheitsbestimmungen selbst regeln.
Um die vielfältigen und unterschiedlichen Kommunikationsanforderungen in der Automatisierung bedienen zu können, bietet OPC UA verschiedene Kommunikationsmuster für OT (Client/Server und PubSub) sowie für die IT (PubSub und REST) an. Der Transport von standardisierten Informationen kann über verschiedene unterlagerte Protokolle wie TCP, UDP, MQTT abgewickelt werden. Dieses Angebot ist unabhängig von unterlagerten physikalischen Infrastrukturen wie Kabel, 5G, WiFi, Ethernet-APL oder TSN.
Die integrierte ‚Security by design' gewährleistet nicht nur die Sicherheit bei der Übertragung, sondern auch die Sichtbarkeit und die Zugriffsmöglichkeit auf Informationen. Definitionen können in OPC UA auf weitere, externe Data-Dictionaries (Datenkataloge) wie IEC Common Data Dictionary oder ECLASS verweisen. OPC UA skaliert vom Sensor und Aktor bis in die Cloud, DataSpace, das Metaverse. Das Finden von OPC UA fähigen Geräten und Softwarediensten im Netzwerk beinhaltet auch das sichere
Onboarding von Geräten und Diensten mit aktuellen Security-Mechanismen.
Eine wichtige Bedeutung für OPC UA haben Companion Specifications. Während OPC UA festlegt, ‚WIE' Informationen sicher ausgetauscht werden können, definieren OPC UA Companion Specifications, ‚WAS' als Information ausgetauscht wird. Hier werden Informa-tionsmodelle auf Basis des OPC-UA-Metamodells (Grammatik und Syntax) definiert und dokumentiert. Dies ist ein wichtiger Schlüssel für den effizienten digitalen Datenaustausch.
Die Kombination der standarisierten Datenaustauschtechnologie (OPC UA) mit standardisierter Semantik der auszutauschenden Informationen (Companion Specifications) ergeben etliche Mehrwerte für die Industrie. Für den Maschinen- oder Komponentenhersteller werden Aufwendungen der Schnittstellen-Entwicklung reduziert, die Integration von Maschinen, Komponenten und Diensten beim Maschinenbetreiber wird erleichtert, der Maschinenbetreiber kann die Informationen mit höherer Verfügbarkeit gesteigerter Transparenz ohne fehleranfällige Interpretationsaufwände verarbeiten. OPC UA Companion Specifications bieten domänenspezifische Informationsmodelle: Für Assets werden die semantischen Beschreibungen ihrer Daten und der Funktionalität definiert wie Robotik, Pumpe, Motor, Auto-ID-Geräte, industrielle Küchengeräte, Laboranalysegeräte, oder es werden Protokoll-Übersetzungen definiert: Für bestehende Industrie-Protokolle zum Beispiel IO-Link, Profinet et cetera wird definiert, wie diese unzweideutig nach OPC UA umzusetzen sind. Eine weitere Definition betrifft Engineering-Übersetzungen: Umsetzung und Abbildung von SPS-Programmiersprachen wie IEC61131-3 Stand April 2023 stehen mehr als 85 Spezifikationen kostenlos und öffentlich zur Verfügung. Die Ausarbeitung der verschiedenen Companion Specifications erfolgt durch Domain-Experten und in Kooperation mit anderen Verbänden. Die Qualität und Relevanz von OPC-UA-Spezifikationen werden dabei immer per verpflichtender prototypischer Implementierung auf die Umsetzbarkeit getestet. Validierungstools wie der NodeSet-Validator helfen, die Konsistenz der Spezifikationen zu prüfen. Als Ergebnis von Standardisierung, Prototyping und Validierung stehen schließlich zwei Dokumente zur Verfügung: eine menschenlesbare Word-/PDF-Datei und eine maschinenlesbare xml-Datei (OPC-Nodeset-Datei). Mit dem Compliance Test Tool (CTT) stehen Testmöglichkeiten für die Spezifikationen zur Verfügung. In der OPC UA Online Reference (https://reference.opcfoundation.org/) werden alle Spezifikationen und Informationsmodelle als durchsuchbare und verlinkte Versionen bereitgestellt.
Für OPC UA Companion Specifications gibt es die Möglichkeit der Zertifizierung. Neben branchenspezifischen OPC UA Companion Specifications findet auch eine branchenübergreifende Harmonisierung statt.
Diese harmonisierten Informationen stehen als branchenübergreifende Standards zur Verfügung. Beispiele sind die ‚OPC UA for Device Integration' (zum Beispiel Health-Status, Asset-ID et cetera) oder die ‚OPC UA for Machinery' für Produkte/Assets des Maschinen- und Anlagenbaus, etwa Maschinenstatus, Identifikation, OEE-Daten oder Energieverwaltung. Mit Teil 2 des Überblicks geht es weiter in der kommenden Ausgabe der fluid: Dann geht es um die Themen ‚Was ist AutomationML und die Aufgabenteilung der Komponenten bei Interoperabilitätslösungen.' rso n
Graph: Zeigten auf der -Hannover Messe 2023 einen inter-operablen digitalen Zwilling auf Basis der Verwaltungsschale: Firmenvertreter von Siemens, Bausch+Ströbel, Bosch Rexroth, -Cadenas, Festo, -Harting, Sick, Phoenix Contact und Wago. Bild: Siemens
Graph: RAMI4.0 Architekturmodell nach IEC PAS 63088 und DIN SPEC 91345. Bild: Plattform Industrie 4.0 und ZVEI
Graph: OPC UA steht im Zentrum von -zuverlässigem Informationsaustausch. Bild: Funtap-adobe.stock.com
Graph: AML wurde speziell für den wiederholten Datenaustausch im Engineering -entwickelt und -ermöglicht einen durchgängigen, -digitalen, verlust-losen Datenaustausch in Engi--nee-ring-Werk--zeug-ketten. Bild: automationML.org