Der Digitale Zwilling in der Anwendung

Einblick in einzelne Modelle, Datenformate, Protokolle und Plattformen

Digitaler Zwilling in der Anwendung
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Der Digitale Zwilling erfüllt verschiedene Aufgaben von der Simulation über das Monitoring bis hin zur Steuerung von virtuellen Entitäten und physischen Assets. Doch wie setzt man das um? Es gibt eine ganze Reihe von Möglichkeiten, die wir hier vorstellen.

Vielleicht haben Sie sich beim Thema „Digitaler Zwilling“ schon mal eine der folgenden Fragen gestellt:

  • Das Konzept des Digitalen Zwillings habe ich verstanden... aber wie sieht ein konkreter Weg aus, Digitale Zwillinge in meine Logistik- und Produktionsprozesse zu integrieren?
  • Es gibt so viele Modelle, Datenformate, Protokolle, Plattformen und Technologien... welche eigenen sich für meine Use Cases und vor allem: Wie bekomme ich das in meiner IT-Infrastruktur zum Laufen?
  • Wo kann ich konkret starten?
  • Gibt es vielleicht Open Source Tools, die bei der Digitalisierung Lizenzkosten sparen?
  • Wer unterstützt mich bei der konkreten Realisierung?

Mit all diesen Fragen beschäftigen wir uns seit geraumer Zeit. Sie motivierten uns zu einer Blogserie zum Thema Digitaler Zwilling. Dieser Artikel, Teil 2 der Serie, soll dazu beitragen, Antworten auf die obigen Fragen zu finden. Im ersten Artikel Digitale Zwillinge und Rami 4.0 haben wir verschiedene Arten von Digitalen Zwillingen und das RAMI-Modell vorgestellt. In diesem Artikel wollen wir zeigen, wie der Digitale Zwilling implementiert werden kann, beziehungsweise, was bei der Implementierung hilft. Dazu werfen wir einen genauen Blick auf verschiedene Möglichkeiten, unter anderem Modelle, Datenformate, Protokolle und Plattformen, die wir für besonders wichtig, verbreitet und zukunftsfähig halten.

RAMI 4.0 und die Verwaltungsschale – Modelle für Digitale Zwillinge in der Industrie 4.0

Das Architekturmodell RAMI 4.0. stellt ein allgemeines Modell dar, welches hilft, die Aufgabenstellungen und Anforderungen auf den verschiedenen Ebenen von Industrie 4.0 zu beschreiben. Weiterhin bietet RAMI einen generischen Überblick, mit welchen Themen sich die Implementierung eines Digitalen Zwillings beschäftigen sollte. In der deutschen Diskussion zu diesen Themen, welche zum Beispiel im Bitkom Arbeitskreis Industrie 4.0 oder im Digitalisierungsnetzwerk „Plattform Industrie 4.0“ läuft, hat sich der Begriff der Verwaltungsschale für die konkrete Implementierung eines Digitalen Zwillings herausgebildet. In der RAMI DIN SPEC 16593-1 wird der Begriff der Industrie 4.0-Komponente geprägt. Eine I4.0-Komponente wird von einer Verwaltungsschale repräsentiert. Die Verwaltungsschale dient hierbei als eine Hülle um das jeweilige Asset.

14.0 component
„Wiedergegeben mit Erlaubnis DIN e.V.“ – DIN SPEC 16593-1 - RM-SA – Reference Model for Industrie 4.0 Service Architectures – Part 1: Basic Concepts of an Interaction-based Architecture; Seite 8

Mit der Verwaltungsschale können sowohl einzelne Assets (z.B. ein Sensor) als auch Hierarchien von Assets (z.B. eine Maschine mit mehreren Sensoren und Aktoren) abgebildet werden.

Sehr spannend an dem Konzept der Verwaltungsschale ist auch, dass es möglich ist, die Metadaten eines Assets in strukturierter Form als Teilmodelle zu beschreiben. Beispiele für Teilmodelle von Maschinen sind z.B. „technische Daten“, „Energieeffizienz“ oder „Positionierungsmodus“. Siehe hierzu die folgende Abbildung:

Verwaltungsschale im Detail
© Plattform Industrie 4.0 Quelle: https://www.plattform-i40.de/PI40/Redaktion/DE/Downloads/Publikation/verwaltungsschale-im-detail-pr%C3%A4sentation.pdf?__blob=publicationFile&v=9; Folie 38

Siehe auch: https://www.plattform-i40.de/PI40/Redaktion/DE/Downloads/Publikation/2019-verwaltungsschale-in-der-praxis.html

Ist das Asset mit seinen Metadaten erst einmal beschrieben, kann man sich im nächsten Schritt der Kommunikation einzelner Industrie-4.0-Komponenten zuwenden. Hierfür beschreibt die oben genannte DIN Spec eine Vielzahl von Interaktionsmustern. Ziel soll es hier sein, einen vereinfachten Datenaustausch von Informationen über Assets zwischen Herstellern, Lieferanten, Verwendern und Service-Providern zu ermöglichen. Dies ist eine der Voraussetzungen für Industrie 4.0.

RAMI und die Verwaltungsschale sind Modelle. Es handelt sich hierbei nicht um fertige Softwarelösungen, welche installiert werden können. Es gibt erste Ansätze für die Implementierung der Verwaltungsschale. Zum einen sei das Eclipse Open Source Projekt BaSyx genannt, welches im Forschungsprojekt BaSys 4.0  entwickelt wurde. Weiterhin hat die RWTH Aachen den Prototyp openAAS der Verwaltungsschale auf Github als Open Source Projekt bereit gestellt. Auch die Designs der Prototypen des SALT Solutions Forschungsprojekts Data for Services (D4S) orientieren sich am Modell der Verwaltungsschale.

BIM: Digitale Zwillinge für den kompletten Lebenszyklus von Gebäuden

Eine andere Art von Digitalen Zwillingen entstehen bei Anwendungen der Methoden des Building Information Modelings (BIM) in der Baubranche. BIM ist ein Vorgehensmodell für die softwaregestützte Planung, Bauphase und Bewirtschaftung von Gebäuden. Spezifiziert wurden BIM und das Dateiaustauschverfahren IFC in den DIN SPECs 91400, 91350 und in der DIN EN ISO 16739.

BIM
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Ergänzend zur klassischen CAD-Modellierung des Gebäudes und seiner Bestandteile wird im Rahmen von BIM eine zentrale Projektdatei mit allen relevanten 3D-Modellen und Datenpaketen geführt. Alle Beteiligten haben Zugriff und können hier beispielsweise in der Planungs- oder Realisierungsphase ihre Änderungen direkt einpflegen. Somit sind alle Informationen an einem zentralen Ort hinterlegt und stehen für die nächsten Schritte im Lebenszyklus zur Verfügung.

Einen zentralen Mehrwert liefern hierbei Digitale Zwillinge von Gebäuden in der Planungsphase. Anhand von CAD-Modellen kann das Gebäude bereits in einer frühen Planungsphase optimiert werden. Spannend wird es, wenn die Planung verschiedener Werke integriert werden soll, um schon in der frühen Planungsphase die Machbarkeit der Planungsvarianten zu validieren. Hier stellt sich direkt die Frage nach Standards, welche den Austausch von Gebäudemodellen zwischen den verschiedenen Projektpartnern erleichtern. Ein Beispiel hierfür ist das IFC Datenformat, welches als Grundlage für openBIM, also den offenen Datenaustausch im Rahmen von BIM, dienen kann.

Für die Realisierungsphase können Digitale Zwillinge von Gebäuden vor allem für die Dokumentation und die Koordination der Bauaktivitäten verwendet werden. In der Bewirtschaftungsphase (Facility Management) bilden die Gebäudemodelle eine optimale Grundlage der Steuerung und des Monitorings der Gebäude. Beispiele hierfür sind Anwendungsfälle wie die Temperaturregulierung, die Energieoptimierung aber auch der Brandschutz. Weitere wichtige Anwendungsfälle von BIM sind Tiefbau, Städtebau, Straßenbau, Eisenbahnbau, Wasserbau und Geotechnik.

Stellt sich noch die Frage nach den Werkzeugen für BIM. Hier bieten quasi alle CAD-Hersteller kommerzielle Werkzeuge wie beispielsweise BIM 360 DESIGN von Autodesk. Ebenso existiert Open Source Software wie beispielsweise BIMserver. Besonders interessant ist die Verknüpfung von BIM mit Diensten von Cloud Anbietern. Insbesondere bietet Microsoft auf Azure Schnittstellen für BIM-Daten an. So können auf Basis dieser BIM-Daten Mixed-Reality-Anwendungen mit Azure und der HoloLens gebaut werden. Mit Azure Digital Twins steht ein Azure IoT-Dienst zur Erstellung umfassender Modelle der physischen Umgebung bereit. Mittels Raumintelligenzgraphen lassen sich hier die Beziehungen und Interaktionen zwischen Personen, Bereichen und Geräten modellieren. Hier ergibt sich ein fließender Übergang zwischen Digitalen Zwillingen im BIM und Industrie 4.0, der insbesondere mit den Mitteln des Holographic Computings neuartige und spannende Anwendungsfälle bietet.

Sollten Sie weitere Fragen zu BIM, Holographic Computing und Mixed Reality haben, kommen Sie gerne auf uns zu. Im Rahmen diversen Forschungs- und Entwicklungsprojekten konnten wir hier Know-how aufbauen und in einem Kompetenzzentrum bündeln.

AML – Verknüpfung zwischen Anlagenplanung und Fabrikplanung

Eine Brücke zwischen dem Bauwesen und der industriellen Fertigung stellt das neutrale, XML-basierte Datenformat AutomationML (Automation Markup Language) dar. Es wird zur Speicherung und zum Austausch von Anlagenplanungsdaten zwischen modernen Engineering-Werkzeugen für verschiedene Disziplinen verwendet. Beispiele hierfür sind Mechanisches Design, Elektrisches Design, HMI-Entwicklung, SPS-Programmierung oder Robotersteuerung. AML beschreibt Anlagenkomponenten als Objekte mit verschiedenen Aspekten. Hierbei kann ein Objekt andere Objekte umfassen oder Teil einer größeren Komponente sein. Beispielsweise kann eine Schraube, ein Greifer, ein Roboter oder eine komplette Fertigungszelle in jeweils verschiedenen Detaillierungsstufen beschrieben werden.

Der DIN-Standard setzt sich aus verschiedenen Unterstandards zusammen, welche über stark typisierte Links miteinander verbunden sind, und wurde unter dem Titel „DIN EN IEC 62714-1 Datenaustauschformat für Planungsdaten industrieller Automatisierungssysteme – Automation markup language – Teil 1“ veröffentlicht. Ergänzt wurde er durch einen zweiten unter dem Titel „Datenaustauschformat für Planungsdaten industrieller Automatisierungssysteme – Automation markup language – Teil 2: Rollenbibliotheken (IEC 62714-2:2015); Deutsche Fassung EN 62714-2:2015“.

AML – Verknüpfung zwischen Anlagenplanung und Fabrikplanung
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AutomationML schafft die Voraussetzungen, um komplette Fabriken in hierarchischen Strukturen zu beschreiben. Hierbei können dann auf den jeweiligen Ebenen Geometriedaten, Ablaufsequenzen und weitere Informationen mit Dokumentationscharakter hinterlegt werden.

Der Mehrwert von AutomationML liegt darin, dass Daten, welche in der Planungs- und Umsetzungsphase anfallen, nicht mehrfach elektronisch erfasst werden müssen, sondern zwischen den Projektpartnern digital ausgetauscht werden können. Auch in den Phasen des Anlagenbetriebs und der Anlagenwartung kann auf diesen Digitalen Zwilling der Anlagen zurückgegriffen werden.

AutomationML startete im Jahr 2006 als Industriekooperation mehrerer Unternehmen der Automotive Branche, darunter Daimler, Siemens, ABB und Kuka. Der Standard ist aber branchenunabhängig.

SALT Solutions ist seit 2017 ein aktives Mitglied im AutomationML e.V. und hat AML in einer Vielzahl von Projekten (z.B. bei Daimler) eingesetzt. Ziel in diesen Projekten war es immer, Anlagenplanungs- und Fertigungsprozesse zu optimieren, zu verknüpfen, zu vereinfachen und dabei keine Daten zu verlieren. Projektbeispiele wie die „Entwicklung einer API für ein modulares Fabrikplanungstool“ oder die „Entwicklung einer Stückliste mit Hilfe von AutomationML“ finden Sie hier: https://www.salt-solutions.de/automationml.html

Sprechen Sie uns gerne auf das Thema „AutomationML“ an!

OPC UA - mit diesem Protokoll können Digitale Zwillinge miteinander kommunizieren

Wir kehren wieder zurück in den Bereich der industriellen Fertigung und schauen uns, nachdem wir drei Modelle näher betrachtet haben, ein konkretes Kommunikationsprotokoll an, welches schon weit verbreitet ist. OPC Unified Architecture, kurz OPC UA, ist ein Protokoll für die Machine-to-Machine-Kommunikation. Die große Stärke von OPC UA liegt darin, dass Maschinendaten nicht nur transportiert werden können, sondern auch maschinenlesbar semantisch beschrieben werden können.

Einen guten Einblick in OPC-UA gibt dieses Video der OPC Foundation:

OPC UA deckt alle Anforderungen an ein robustes Protokoll wie Plattformunabhängigkeit, Security und Erweiterbarkeit ab. Die besondere Stärke liegt aber im Bereich der Informationsmodellierung. So ist es möglich, komplexe Strukturen (z.B. zur Maschinenbeschreibung) abzubilden oder zu erweitern. Datentypen können in Profilen definiert werden. Die folgende Grafik zeigt einen Überblick der Datenmodellierung in OPC UA:

OPC Foundation
© OPC Foundation https://opcfoundation.org/wp-content/uploads/2013/04/OPC-UA-Base-Services-Architecture-300x136.png

Weiterhin können Brachen sich auf Companion Specifications (gemeinsame OPC-UA Datenmodelle) verständigen, um somit die Beschreibung von konkreten Assets zu standardisieren. Auf dieser Basis können dann die Modelle von konkreten Digitalen Zwillingen generiert werden. Im nächsten Schritt können diese dann über OPC UA miteinander kommunizieren.

Folgende konkrete Companion Specification wurden im VDMA verabschiedet:

  • OPC UA Companion Specification für Robotik (OPC Robotik) - Teil 1: Vertikale Integration
  • OPC UA for Machine Vision (OPC Machine Vision) - Part 1: Control, configuration management, recipe management, result management

Die folgenden Companion Specifications befinden sich in der Definitionsphase:

  • EUROMAP 77 - OPC UA Schnittstellen für Kunststoff- und Gummimaschinen - Datenaustausch zwischen Spritzgießmaschinen und MES
  • EUROMAP 82 - OPC UA Schnittstellen für Kunststoff- und Gummimaschinen - Teil 1: Temperiergeräte
  • EUROMAP 83 - OPC UA Schnittstellen für Kunststoff- und Gummimaschinen
  • OPC UA Informationsmodell für CNC Systeme

OPC UA stellt einen industriellen Standard dar und wurde auch als Normenreihe IEC 62541 veröffentlicht. Bisher liegen Teil 1, 2, 13 und 100 als Ed. 1.0 und Teil 3 bis 10 als Ed. 2.0 vor. Teil 12 wurde noch nicht in die IEC-Normenreihe aufgenommen.

Auch sehr interessant sind Bestrebungen, die Verwaltungsschale (siehe oben) mit Hilfe von OPC UA zu implementieren. So hat sich die gemeinsame Arbeitsgruppe "I4AAS OPC UA" der OPC Foundation, des VDMA und des ZVEI vorgenommen, ein OPC-UA-Informationsmodell für die Industrie 4.0 Asset Administration Shell (I4AAS) zu entwickeln.

Konkrete Lösungen für OPC UA gibt es sowohl als Open Source Software als auch im kommerziellen Bereich. Gerne stehen wir als Ansprechpartner für Themen rund um die Implementierung von OPC UA zur Verfügung.

FIWARE - Die open Source Plattform für eine smarte digitale Zukunft

Abschließend wollen wir uns noch FIWARE, eine Open Source Plattform für die Digitalisierung von smarten Objekten, anschauen. FIWARE ist aus einem europäischen Forschungsprojekt hervorgegangen und hat sich zu einer robusten Plattform entwickelt. Die Ziele von FIWARE können wie folgt zusammengefasst werden:

  • Aufbrechen von Informationssilos
  • IoT vereinfachen
  • Big Data in Informationen transformieren
  • das Potential von frei verfügbaren Echtzeitdaten (OpenData) zur Entfaltung kommen lassen
  • datengetriebene Business Modelle ermöglichen
  • Datensouveränität gewährleisten

Ein System, das mit FIWARE implementiert wird, besteht aus mindestens diesen vier  Komponenten:

  • Core Context Management: Mit dem Context Management kann die Modellierung, Speicherung und das Management von Kontextinformationen vorgenommen werden. Hier werden also die Digitalen Zwillinge modelliert und instanziiert. Basis hierfür sind vordefinierte Datenmodelle für verschiedene Datentypen aus verschiedenen Domänen. Hier bietet FIWARE Vorlagen für Digitale Zwillinge.
  • Assets und Drittsysteme (Internet der Dinge, IoT): Hier werden Schnittstellen für den Austausch von Daten zwischen FIWARE und Assets und Drittsystemen definiert. Ein wichtiger Mechanismus in diesem Bereich sind Subscriptions. FIWARE kann Datenänderungen in Assets und Drittsystemen abonnieren. Genauso kann FIWARE Datenänderungen in diesen Systemen anstoßen.
  • Kontextdaten, API-Management, Servicepublizierung und Monetisierung: Diese wichtige Komponente einer digitalen Plattform ermöglicht es, direkt in FIWARE smarte digitale Geschäftsmodelle und Geschäftsprozesse zu implementieren.
  • Analyse und Visualisierung: Mit dieser Standardkomponente können Digitale Zwillinge und digitale Prozesse visualisiert werden.

Außerdem bietet FIWARE eine Reihe von weiteren Funktionalitäten. Das nachfolgende Schaubild zeigt eine Übersicht:

Fiware foundation
© FIWARE Foundation e.V., www.fiware.org

Ein kurzer Blick in die Architektur eines FIWARE-Systems zeigt, dass der FIWARE Context Broker eine zentrale Rolle im System einnimmt und als Mittler zwischen Northbound-Systemen und Southbound-Systemen dient:

FIWARE Foundation
© FIWARE Foundation e.V., www.fiware.org

Out-of-the-box bietet FIWARE einige Agents, mit welchen konkrete Protokolle southbound angebunden werden können (z.B. OPC UA). Das heißt, man muss das konkrete Protokoll nicht selbst implementieren, sondern kann auf den jeweiligen Agent zurückgreifen. Hier können auch kundenindividuelle Agents ergänzt werden.

Mit FIWARE können eine Vielzahl von Use Cases implementiert werden. Sehr stark ist FIWARE im Bereich Smart Cities aber auch im Bereich Agrifood. Auch im Bereich Industrie 4.0 wird FIWARE zunehmend eingesetzt.

Im Rahmen des Forschungsprojektes Data4Services hat SALT Solutions Prototypen für ein eigenes Industrie 4.0-System gebaut, welches FIWARE als IoT-Gateway zur Kommunikation zwischen konkreten Assets und dem Business System verwendet. Hier zeigte sich ein Hauptvorteil des Einsatzes von FIWARE in der standardisierten Kommunikation zwischen Northbound- und Southbound-Systemen.

Whitepaper: Wie Sie Ihre Produktion zuverlässig digitalisieren

Der Weg zur Digitalisierung verspricht viel: Prof. Reimund Neugebauer, Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft, erwartet in Deutschland dank vernetzter und automatisierter Produktion bis 2025 Produktivitätssteigerungen von rund 78 Milliarden Euro allein in sechs relevanten Branchen. Erfahren Sie, wie Sie mit dem Internet of Things, Digitalen Zwillingen und einer maßgeschneiderte Industrie 4.0-Strategie Ihre Wettbewerbsfähigkeit langfristig ausbauen können.

Fazit

Wie wir gesehen haben, gibt es eine Vielzahl an Modellen, Datenformaten, Protokollen, Technologien und Plattformen im Bereich von Digitalen Zwillingen. Einige konnten wir in diesem Blogbeitrag vorstellen. Die Wege zur Abbildung des Digitalen Zwillings im Unternehmen können sehr unterschiedlich aussehen, da sich die Prozesse, die Produkte und auch die Mehrwertservices der Unternehmen unterscheiden.

Daher gibt es auch einige Fragen, die zu klären sind, bevor man sich auf einzelne Modelle, Formate und Technologien festlegt:

  • Wo steht Ihr Unternehmen auf der Digitalisierungsreise hin zum „Digitalen Zwilling“? Benötigen Sie eine Strategieberatung?
  • Schwebt Ihnen ein konkreter Use Case vor, den Sie gerne umsetzen möchten?
  • Ist in Ihrem Unternehmen eine heterogene, nur teilweise verbundene Systemlandschaft vorhanden und möchten Sie Systeme gerne integrieren?
  • Möchten Sie gerne Ihre Systeme, Ihre Prozesse oder Ihre Infrastruktur modernisieren oder individualisieren? Suchen Sie eine Transformationsplattform, um stückweise Ihre Systemlandschaft zu modernisieren?

Gerne unterstützen wir Sie bei der Diskussion dieser Fragen.

Im dritten Teil der Blogserie werden wir die Vielzahl an Modellen, Datenformaten, Protokollen, Technologien und Frameworks im Bereich des Digitalen Zwillings sortieren und eine Einordnung in das RAMI 4.0 Modell vornehmen.

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