Digitale Zwillinge und RAMI 4.0

Ein Referenzmodell für die Industrie 4.0

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In diesem Beitrag erläutern wir, was Digitale Zwillinge sind und gehen vor allem auf ihre Rolle bei der digitalen Abbildung ganzer Produktionsanlagen ein. Dabei lassen sich drei Arten von Digitalen Zwillingen unterscheiden. Deren Zusammenspiel lässt sich mithilfe des Referenzarchitekturmodells Industrie 4.0 (RAMI 4.0) verorten, welches wir in diesem Beitrag auch näher beschreiben.

Was sind Digitale Zwillinge?

Digitale Zwillinge werden als unverzichtbar für die Digitalisierung angesehen, aber eine kompakte Erklärung, was ein Digitaler Zwilling konkret ist, ist schwierig zu finden. Laut Gabler Wirtschaftslexikon ist ein Digitaler Zwilling „ (...) ein computergestütztes Modell eines materiellen oder immateriellen Objekts, welches für verschiedene Zwecke verwendet werden kann. (…)“. Das ist natürlich sehr allgemein. Ein pragmatischerer Ansatz, Digitale Zwillinge zu definieren, besteht in der Bestimmung des Zwecks, den sie im konkreten Fall erfüllen sollen. Einige dieser Nutzen-Aspekte erschließen sich sofort:

  1. Digitale Zwillinge machen "Was-wäre-wenn"-Analysen im virtuellen Raum möglich
  2. Dadurch ermöglichen sie es, reale Ressourcen zu schonen und Fehler im realen Raum zu vermeiden
  3. Digitale Zwillinge beziehungsweise die dahinterstehenden Modelle ermöglichen bei komplexen Vorhaben ein gemeinsames Problemverständnis von Fachleuten unterschiedlicher Disziplinen

Digitale Zwillinge in der Produktion

Digitale Zwillinge, die in der Produktion zum Einsatz kommen, definiert die „Plattform Industrie 4.0“ der Bundesregierung als „virtuelle digitale Repräsentanz physischer Assets“. Der Digitale Zwilling werde, so die Erläuterungen auf der Website dieser Plattform weiter, in Zukunft Synonym zum Begriff „Verwaltungsschale“ verwendet, wenn die Entwicklung des Digitalen Zwillings sich wie bisher fortsetze. Im Industrie 4.0 Umfeld werde derzeit der Begriff „Verwaltungsschale“ präferiert. Außerdem bietet die „Plattform Industrie 4.0“ mit dem Begriff „Simulationsmodell“ eine kurze Definition an, die aber nur teilweise ins Schwarze trifft. Denn Simulation ist eine wichtige Funktion Digitaler Zwillinge, aber bei weitem nicht die einzige.

Vorteile Digitaler Zwillinge im Umfeld der Produktion

Bereits lange vor der physikalischen Installation von Produktionsanlagen kann anhand von virtuellen Modellen eine Vielzahl von Tests erfolgen, die die spätere Inbetriebnahme schneller und reibungsloser vonstatten gehen lassen. Das ist insbesondere dann hilfreich, wenn sich bereits in der Planungsphase Fehler erkennen und vermeiden lassen. Hier kommt die sogenannte „10er-Regel der Fehlerkosten“ zum Tragen, eine alte Faustregel aus dem Qualitätsmanagement, die besagt, dass die Kosten der Fehlerbehebung in jeder Phase um den Faktor 10 steigen.

Ein weiterer Vorteil Digitaler Zwillinge kommt ins Spiel, wenn unterschiedliche Fachabteilungen und Zulieferer zusammenarbeiten müssen, was bei der Produktion eigentlich immer der Fall ist: Digitale Zwillinge ermöglichen einen ganzheitlichen Einblick in die Produkte und Anlagen und somit ein tieferes Verständnis von zeitlichen Abläufen und fachlichen Zusammenhängen in Echtzeit. Der Faktor Zeit ist auch aus einem anderen Grund interessant: Mithilfe von digitalen Zwillingen kann das Langzeitverhalten von mechanischen Elementen deutlich genauer vorhergesagt werden, indem eine Vielzahl von „virtuellen Testkilometern im Zeitraffer“ absolviert werden. Dadurch lassen sich aussagekräftige Prognosen über Eigenschaften, Leistungen und Betriebsverhalten von Produkten und Anlagen gewinnen, die auch Modifikationen von Produkten und Prozessen durch Simulation der Auswirkungen in digitalen Umgebungen einfacher machen.

Digitale Produktzwillinge

Ausgangspunkt für Digitale Zwillinge in der Produktion sind das Produkt und der Digitale Produktzwilling. Computer-Aided Design (CAD) wird von Designern und Ingenieuren bereits seit Jahrzehnten in den frühen Phasen der Produktentwicklung eingesetzt, lange bevor die ersten Prototypen gebaut werden. Der Übergang vom CAD zum digitalen Zwilling ist vollzogen, wenn die erschaffenen Modelle auch in den späteren Stufen eines Produktlebenszyklus eingesetzt werden, beispielsweise für Simulationen, beim Monitoring oder bei der Optimierung und Instandhaltung.

Michael Grieves, Experte für Produktlebenszyklus-Management (PLM) hat den Begriff „Digitaler Zwilling“ mitgeprägt. Von ihm stammt die Aussage, dass ein Digitaler Produktzwilling drei Elemente braucht:

  • Das physische Produkt auf dem echten Markt
  • Seinen digitalen Doppelgänger in einer virtuellen Welt
  • Die Informationen, die beide miteinander verbindet

Diese drei Elemente, übertragen auf die Produktion und verknüpft mit der Vernetzung aller Objekte laut dem Konzept des Industrial Internet of Things (IIoT,) bilden das Rückgrat für die sogenannte Industrie 4.0.

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Die digitale Abbildung kompletter Produktionsanlagen

Auch ganze Produktionsanlagen lassen sich digital abbilden. Dabei kommen drei grundlegende Arten von Einzelzwillingen zum Einsatz:

  • Der Digitale Produktzwilling in Form eines CAD- oder 3D-Modells
  • Der Digitale Produktionszwilling in Form von Maschinen, Werkzeugen und Programmen
  • Der Digitale Leistungs- oder Ausführungszwilling in Form von Produktions- oder Qualitätskennzahlen, Lieferzeiten und Produktionszeiten.

Das Zusammenspiel dieser drei digitalen Zwillinge wird durch das Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0) beschrieben.

Referenz­architekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0)

Als Industrie 4.0 wird die aktuelle Evolutionsstufe der internationalen Industrie bezeichnet, die durch eine Vernetzung von Produkten, Maschinen und den Interaktionspartnern der Fabriken alte Strukturen erneuern und somit eine höhere Wettbewerbsfähigkeit erreichen soll. Gemeint ist damit letztlich die nahezu vollständige Automatisierung der Industrie, die durch Digitalisierung und Vernetzung mittels Cloud Computing und das IoT erreicht werden soll. Davon erhoffen sich die klassischen Industrienationen wie Deutschland, Frankreich, Japan und die USA, die Produktionsstätten als wesentliche Elemente der Wertschöpfung wieder zurück ins eigene Land zu holen und auch langfristig dort zu halten.

Die größte Herausforderung

Wegen der damit einhergehenden hohen Interdisziplinarität wird die größte wirtschaftspolitische Herausforderung der Industrie 4.0 oft in der Standardisierung von Schnittstellen gesehen. Mit RAMI 4.0 soll nun versucht werden, standardisierte Schnittstellen zu schaffen, die eine Kommunikation nicht nur der Maschinen in einer Halle untereinander zu ermöglichen, sondern weit darüber hinaus zu gehen. Um diese Standardisierung durch Gremienarbeit besser angehen zu können, wurde 2015 auf der Hannover Messe das Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0) entsprechend der DIN SPEC 91345 vorgestellt:

RAMI 4.0 ist ein dreidimensionales Schichtenmodell, das eine strukturierte Herangehensweise an das Thema „Industrie 4.0" ermöglicht. Industrie 4.0-Maßnahmen können in dieser Struktur leicht hinsichtlich ihres Wirkungsbereichs innerhalb eins Unternehmens verortet werden. Das Modell führt alle Unternehmensfunktionen und IT-Komponenten in einem Schichten- und Lebenszyklusmodell zusammen, das sechs Schichten (Layer), sieben Hierarchieebenen (Hierarchy Levels) und den Produkt-Lebenszyklus und Wertstrom (Life Cylce & Value Stream) umfasst (nach DKE). Als Faustregel kann man sagen: Von einem digitalen Zwilling der Produktion kann man nur dann sinnvoll sprechen, wenn man in allen drei Dimensionen auf jeweils mindestens einem Layer über den gesamten Life Cycle digitalisiert hat.

Rami 4.0
Quelle: https://www.dke.de/de/themen/industrie-4-0/rami-4-0

Die sechs horizontalen Schichten

Die sechs horizontalen Schichten (Layer) des RAMI 4.0 sind angelehnt an das ISO/OSI (Open Systems Interconnection) Modell (IEC 7498-1), ein gängiges Referenzmodell für herstellerunabhängige Kommunikationssysteme:

  • Der untersten Schicht, dem Asset Layer, werden alle physischen Objekte der Industrie 4.0 zugeordnet.
  • Der Integration Layer ist für die Verbindungen der realen Welt beziehungsweise der realen Objekte (Assets) mit der digitalen Welt beziehungsweise der virtuellen Realität zuständig. Es ist die technische Ebene der Digitalisierung.
  • Der darüber liegende Communication Layer führt die digitale Anbindung fort und stellt die eigentliche Vernetzung („Internet of Things“) über IT-Netzwerke dar.
  • Auf dem Information Layer liegen alle prozessrelevanten Informationen in Form von Daten vor. Werden Daten verknüpft und im Kontext betrachtet, entstehen Informationen, die zu Wettbewerbsvorteilen werden können. Auf dieser Ebene werden die unterschiedlichen Formate behandelt, in denen Daten der Maschinen, Produkte und der Unternehmens-IT abgelegt werden können.

Communication Layer und Information Layer bilden gemeinsam den Kern der Industrie 4.0. Denn Industrie 4.0 beruht im eigentlichen Sinne auf dem Austausch von Daten zwischen Objekten („Internet of Things“) und deren Auswertung. Hier wurde das Problem der fehlenden Standardisierung der Schnittstellen zuerst sichtbar, die meisten angebotenen und in Folgebeiträgen beschriebenen Lösungen setzen deshalb hier an.

  • Der Functional Layer enthält die formal beschriebenen Funktionen eines bestimmten Wertschöpfungsprozesses, beispielsweise bestimmter Transportsysteme, Montage- oder Fertigungsverfahren. In der Fertigung sind dem Functional Layer beispielsweise die Arbeitspläne, Ampelsysteme oder sogar einzelne SPS-Codezeilen zuzuordnen. In der Logistik zählen zu dieser Ebene beispielsweise die Just-in-Time-Logiken von Kanban-Systemen.
  • Der Business Layer enthält die Geschäftslogik der Industrie 4.0-Anwendung, die beispielsweise das Ziel hat, Risiken von Maschinenausfällen zu reduzieren, Produktionsstückkosten direkt zu senken oder aber um eine kundenindividuelle Fertigung zu erreichen und damit den Absatz zu steigern.

Die sieben Hierarchieebenen

Alle Technologien, die in der Industrie 4.0 zum Einsatz kommen, müssen sich in die Hierarchie typischer Fabrikstrukturen unterschiedlichster Branchen einordnen lassen. Die Dimension der Hierarchieebenen orientiert sich an den Normen IEC 62264 und IEC 61512, welche die klassischen sechs Ebenen einer Fabrik beschreiben:

  • Product (das Produkt an sich)
  • Field Device (intelligente Feldgeräte, z.B. Sensoren)
  • Control Device (Steuerungseinheiten für die Produktionsschritte)
  • Station (Produktionsort, an dem spezifische Teilarbeiten erledigt werden)
  • Work Center (Produktionsstäte, an dem alle mit einem bestimmten Prozess verbundenen Aufgaben wie Montage, Lackierung und Schweißen ausgeführt werden
  • Enterprise (Unternehmenssteuerung, Management)

Da die Industrie 4.0 auch über die räumlichen Grenzen der Fabrik hinauswirken soll – denn auch Logistik- und Transportnetze vom Lieferanten bis hin zum Kunden sollen miteinander vernetzt werden – wurde zu diesen sechs Ebenen später die Ebene Connected World, also die Verbindung in die Welt außerhalb der Fabrik, als oberste Hierarchieebene hinzugefügt. Diese erweitert den bisherigen Denkhorizont der Fabriksteuerung und steht somit für den Aufbruch in die Welt der Industrie 4.0.

  • Connected Word (Kommunikation mit der gesamten digitalen Welt)

Produkt-Lebenszyklus und Wertstrom (Prozess Layer)

Jedes Objekt hat einen eigenen Lebenszyklus und eigene Prozesse. Der Lebenszyklus ist angelehnt an die Norm IEC 62890 („Life-cycle-Management von Systemen und Produkten der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik der Industrie“). Ein Objekt in diesem Sinne ist ein Hilfskonstrukt und enthält ein Produkt (das per definitionem zu Wartungszwecken aktualisiert, umstrukturiert, neugestaltet oder reformiert werden kann), physische Entitäten (Maschinen, Motoren, Ersatzteile, Hardwaresystem, Komponenten, Tools, Dateien) oder virtuelle Entitäten (Dokumente, Ordner, Dateien, Projekte, Daten, Projektpläne und Betriebssystem-/Systemsoftware).

In RAMI 4.0 müssen die oben genannten Kriterien für die Produktivität beibehalten, erneuert und optimiert werden. Die Wechselwirkungen der Prozessdimension mit den anderen Architekturebenen sind in RAMI 4.0 definiert, wobei jede Ebene einige Eigenschaften hat, die mit einem Arbeitszyklus unter den Prozessebenen zusammenhängen.

Die Prozessdimension von RAMI4.0 verfügt über zwei grundlegende Methoden, auch „Phasen“ genannt: Typen und Instanzen. Solange ein Produkt noch im Entwicklungszustand ist, bezeichnet man es als "Typ", sobald es in die Produktion übergeht, wird es zu einer "Instanz". Immer wenn ein Produkt neugestaltet wird oder ein neues Feature hinzugefügt wird, wird der Status erneut in "Typ" umgestellt. Jeder Instanz-Zustand hat dabei einen unverwechselbaren Parameter, z. B. hat eine Geräteserie unterschiedliche Seriennummern und Modellidentifikationen.

Fazit

RAMI 4.0 wurde ins Leben gerufen, um ein Jahrzehnte altes Problem anzugehen, das eine wirklich übergreifende Automatisierung der Produktion immer verhindert hat: Verschiedenste Disziplinen müssen zusammenarbeiten und ihre eigenen Digitalisierungsansätze in Form von standardisierten und disziplinübergreifenden Schnittstellen definieren – das betrifft alle Beteiligten vom Produktdesigner über Maschinenbauer und Anlagenplaner bis hin zur Automatisierungsbranche und Produkt Lifecycle Managern.

Damit ist aber nur der erste Schritt getan. Industrie 4.0 und die damit gemeinte vollständige Automatisierung funktioniert nur, wenn diese Schnittstellen auch implementiert und in funktionierende Systeme überführt werden.

In typisch deutscher Gründlichkeit hat man mit dem Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 nun eine deutsche Industrienorm spezifiziert, die tatsächlich alle relevanten Aspekte der Vision „Industrie 4.0“ abbildet. Entstanden ist damit aber auch ein Meisterwerk der Komplexität und damit ein neues Problem. Kaum ein Großunternehmen dürfte in der Lage sein, RAMI 4.0 in allen drei Dimensionen komplett umzusetzen, vom Mittelstand ganz zu schweigen.

Die gute Nachricht an dieser Stelle lautet: Das ist auch nicht erforderlich. Ausgehend vom Internet der Dinge eröffnet sich ein Weg, verschiedene Objekte innerhalb des RAMI 4.0 Referenzmodells sinnvoll zu vernetzen und diese Vernetzungs-Maßnahme einem genauen Ort in Modell zuzuordnen. Auf diese Art und Weise kann die Interoperabilität der verschiedenen Disziplinen, Branchen und Verantwortlichen auf sinnvolle Art und Weise gewährleistet werden – ohne das gesamte Referenzmodell implementieren zu müssen und trotzdem nicht in der Falle der Proprietarität zu landen.

Es geht immer um das Zusammenspiel der drei digitalen Zwillinge

  • Produktzwilling
  • Produktionszwilling
  • Leistungs- oder Ausführungszwilling

in einer gemeinsamen digitalen Welt.

Diese gemeinsame digitale Welt kann auf verschiedenste Arten bereitgestellt werden, zum Beispiel in einem Cloud-Ökosystem, um nur eine Variante zu nennen. Im nächsten Teil dieser Artikelreihe zum digitalen Zwilling der Produktion stellen wir die unserer Meinung nach vielversprechendsten Ansätze detaillierter vor. Gerne finden wir mit ihnen gemeinsam heraus, welche Use Cases der Startpunkt Ihres Unternehmens in die Industrie 4.0 sein können und implementieren eben diese Use Cases in Data4Services, in der SAP Cloud Plattform oder auf Microsoft Azure.

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