Digitaler Zwilling für Industrie 4.0

Industrial Digital Twin Association: Wie aus einem Konzept Realität wird

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Viele Industrieunternehmen wollen digitale Lösungen einsetzen und neue Geschäftsmodelle entwickeln. Sie wissen jedoch nicht, in welche Technologie 
sie genau investieren sollen, da diese mit den Systemen ihrer Kunden, Partner und Lieferanten kompatibel sein muss.

Der Einsatz von Industrie-4.0-Lösungen erfordert Interoperabilität, damit Komponenten, Geräte und Anwendungen nahtlos über Unternehmen, Branchen und Länder hinweg kommunizieren können. An dieser Stelle setzt die Verwaltungsschale (AAS; engl. Asset Administration Shell) an. Sie hilft, digitale Zwillinge für Industrie 4.0 zu implementieren und ist die Basis, um einheitliche und offene Industrie-4.0-Standards zu entwickeln und zu nutzen. Mit der Gründung der Industrial Digital Twin Association Ende letzten Jahres wird ein wichtiger Meilenstein für die Investitionssicherheit und die benötigte Unterstützung bei der Umsetzung im Unternehmen gesetzt. Seit März 2021 können neue Mitglieder hinzustoßen.

Konkrete Herausforderungen

Viele verschiedene Anlagen, Maschinen und Komponenten in einer Fertigungslinie pro-duzieren immer mehr Daten. Umgekehrt gibt es immer mehr Anwendungen, die auf diese Daten zugreifen sollen (Bild 1). Die Landschaft ist dabei sehr heterogen: Jeder Lieferant einer Maschine bietet unterschiedliche Daten in unterschiedlichen Formaten an. Hinzu kommt: Die Datenmenge, die diese Maschinen liefern können, steigt – genauso wie die Anzahl der Industrie-4.0-Lösungen und der KI-Software-Anwendungen, die auf die Daten zugreifen müssen.

Mögliche Lösungen

Diese Herausforderungen können mit einem Informationsmodell und einer Schnittstelle gemeistert werden: mit der Verwaltungsschale. Sie ist die Umsetzung des digitalen Zwillings für Industrie 4.0. Das Konzept zur Verwaltungsschale hat die Plattform Industrie 4.0 entwickelt und die Grundsätze festgelegt. Nun arbeitet die Arbeitsgruppe „Referenzarchitekturen, Standards und Normung“ die Verwaltungsschale im Detail aus und führt sie in die Anwendung. Doch was ist die Verwaltungsschale und warum ist sie so wichtig für die Industrie 4.0?

Die Verwaltungsschale ist die Umsetzung des digitalen Zwillings für Industrie 4.0.

Verwaltungsschale und ihre 
Teilmodelle

Die Verwaltungsschale bildet reale Produkte und Prozesse digital ab. Sie ist somit das digitale Abbild, das jedes relevante Gerät (Asset) in der vernetzten Produktion bekommen soll. Alle wesentlichen Eigenschaften eines Assets sind in der Verwaltungsschale in sogenannten Teilmodellen gespeichert (Bild 2). Dazu gehören beispielsweise physische Eigenschaften (Gewicht, Größe), Dokumente, Dateien, Prozesswerte, Konfigurationsparameter, Zustände und Fähigkeiten, aber auch Schaltpläne und sonstige Engineering-Ergebnisse. Die Verwaltungsschale ist nicht nur Speicher, sondern auch Kommunikationsschnittstelle, über die ein Gerät online in die vernetzt organisierte Industrie-4.0-Produktion eingebunden ist. So ist es möglich, ein Gerät in seinem Lebenslauf vom Engineering bis zum Betrieb und Austausch zu begleiten und auf alle seine Informationen zugreifen zu können.

Verwaltungsschale variabel 
umsetzbar

Das Informationsmodell der Verwaltungsschale erlaubt verschiedene Implementie-rungen. Die neben dem Online-Zugriff einfachste Variante ist eine ZIP-Datei (komprimiert und strukturiert): Diese kann sowohl Zeichnungen, Betriebsanleitungen, Parametersätze, Software und Firmware eines Gerätes als auch Links zu Herstellerseiten und alle denkbaren Geräte-Informationen enthalten. So wird der Auslieferungszustand einer Komponente beim Maschinenbauer dokumentiert. Dadurch entfällt ein Großteil des Suchaufwandes bei Service-Aufträgen oder beim Gerätetausch. Üblicherweise werden die Daten aber in Geräten, Maschinen und Anlagen sowie in Softwaresystemen und deren Datenbanken gespeichert – egal ob es sich z. B. um ERP-, MES-, CAD-, Simulations- oder Programmiersysteme handelt. Über standardisierte Schnittstellen wie OPC UA, JSON-Objekte oder Webservices können die Daten der Verwaltungsschale dann zugänglich gemacht werden. Dabei gibt das Informationsmodell der Verwaltungsschale nicht vor, wo Daten gespeichert werden: ob im Produkt, in der Hersteller- oder Kunden-IT vor Ort (on-premise), in Edge- oder Cloud-Systemen – alle Varianten und Kombinationen davon sind möglich. Die Konzepte und das Informationsmodell der Verwaltungsschale erlauben es, auch solche Assets zu beschreiben, die selbst gar keine Kommunikationsschnittstelle besitzen (z. B. mechanische Werkstücke). Damit können auch passive Assets in ihrem Lebenslauf über IT-Systeme, die diese Informationen stellvertretend für sie speichern, begleitet werden und über einen digitalen Zwilling abgebildet werden.

Die Flexibilität der Verwaltungsschale ist die Voraussetzung dafür, dass die unterschiedlichen automatisierten Abläufe rund um den digitalen Zwilling im Lebenslauf von Automatisierungskomponenten, Anlagen und Endkunden-Produkten realisiert werden können. Denn für eine breite und zuverlässige Umsetzung von Industrie-4.0-Projekten müssen Komponentenhersteller, Maschinenbauer und Anlagenbetreiber das Informationsmodell der Verwaltungsschale in unterschiedlichen Szenarien mit Leben füllen und dabei Informationen standardisiert und damit kostengünstig austauschen können.

AASX-Package-Explorer: 
Digitalen Zwilling selbst erstellen

Der AASX-Package-Explorer (Verwaltungsschalenexplorer) ist ein Open-Source-Tool und ein guter Ausgangspunkt für alle, die einen digitalen Zwilling modellieren möchten. Für die Eigenschaften (Properties), die in den Teilmodellen verwendet werden, kann auf internationale Wörterbücher zurückgegriffen werden, die die Bedeutung der Properties standardisieren. Ein Beispiel eines solchen Wörterbuches ist Eclass. Der Explorer erleichtert den Einstieg in die Verwendung der Verwaltungsschale und ermöglicht deren Modellierung und Bearbeitung.

Vernetzung mit bestehenden 
Engineering-Informationen

In Bild 3 wird beispielhaft eine Verwaltungsschale mit ihren Teilmodellen und dem gerade geöffneten Modell des Elektroplans dargestellt. Schon an diesem Ausschnitt wird deutlich, welche Vorteile eine Standardisierung der Teilmodelle hat. Auf diese können weitere Anwendungen und Geschäftsmodelle aufgebaut werden. Im Beispiel aus Bild 3 werden die Planungsdaten einer kommerziellen Software2 zur Elektro- und Fluidikplanung in die Verwaltungsschale eingebettet. Diese Informationen können dann zweifach genutzt werden:

Zum einen stellt ein integrierter „Viewer“ die Plan-Informationen den Nutzern der Verwaltungsschale zur Verfügung, z. B. für Wartungs- und Umbauaktivitäten. In diesem Szenario können die Plan-Informationen vollständig dargestellt werden. Es wird allerdings immer eine geeignete „Viewer“-Software benötigt und eine einfache Weiterverarbeitung der grafischen Planinformationen ist nicht gegeben.

Darüber hinaus können die Plan-Informationen, die im Format der kommerziellen Software vorhanden sind, von dieser weitergeleitet und interoperabel zur Verfügung gestellt werden. Im Bild 3 ist dies im mittleren Bereich mit dem sogenannten „Entity“-Element („Ent“ – abgekürzt) „QM2-MB1“ dargestellt, welches die Spule eines Ventils abbildet. An dieses Element können weitergehende Eigenschaften, etwa zur Dimensionierung oder Wiederbestellung, geknüpft werden. Hier auch zu sehen sind sogenannte „Relationen“, die die Spule als Teil des Ventils markieren und eine Verbindung zum „0V“-Potential herstellen.

Anhand des Beispiels ist erkennbar, dass interoperable Industrie-4.0-Informationen ohne ein standardisiertes Format, wie es die Verwaltungsschale bietet, aufwendig neu erfasst werden müssten. Stattdessen können viele Informationen nun in einer standardisierten Form von Zulieferern bereitgestellt (Komponenten) oder aus bestehenden Datenquellen, von Bereichen wie Mechanik, Elektro, Fluidik oder Software, aufbereitet und im weiteren digitalen Lebenszyklus genutzt werden.

Initiativen fördern semantische
Interoperabilität weltweit

Um das Potential von digitalen Zwillingen voll auszuschöpfen, muss sichergestellt werden, dass Interoperabilität unternehmens- und länderübergreifend möglich ist. Neben der Plattform Industrie 4.0 gibt es weitere Initiativen, die in diesem Zusammenhang relevant sind. So zum Beispiel die beiden Open-Source-Initiativen Industrial Digital Twin Association (IDTA) und Open Manufacturing Platform (OMP).

Fazit

Die Verwaltungsschale als Implementierung des digitalen Zwillings im industriellen Kontext setzt sich immer mehr durch. Dies wird u. a. durch die Gründung der Industrial Digital Twin Association belegt. Verschiedene Open-Source-Lösungen ebnen den Weg für schnelle Umsetzungen des digitalen Zwillings.

Dr. B. Boss, Dr. M. Hoffmeister, 
A. Orzelski, S. Pollmeier, J. Wagner

___________
1. 1) https://www.bosch-connected-industry.com/de/en/latest-news/discover-our-nexeed-white-papers/data-homogenization/
2. 2) Hier: https://festo-digital.de/build/engineering-und-simulation/fluiddraw


Bilder:


(1) Der Bedarf an Daten in der Industrie 4.0 steigt stetig, die Komplexität auch (Quelle: Bosch Connected Industry (siehe Fussnote 1))

(2) Verwaltungsschale mit ihren Teilmodellen und Teilmodell-Elementen (Quelle: Plattform Industrie 4.0)

(3) AASX-Package-Explorer mit Anzeige von Elektroplan und ausgeleiteten, interoperablen Informationen (Quelle: Plattform Industrie 4.0)

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