Technologien für Digitale Zwillinge - Übersicht und Einordnung

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Für Digitale Zwillinge gibt es eine Vielzahl an Modellen, Technologien und Plattformen. Da stellt sich schnell die Frage, was man wofür einsetzt, besonders dann, wenn man noch neu im Thema ist. Um einen kleinen Überblick zu bekommen, haben wir einige Komponenten aus dem Umfeld des Digitalen Zwillings in der Produktion ausgewählt und näher betrachtet.  Bei der Auswahl haben wir uns auf solche  Komponenten konzentriert, die uns besonders wichtig erscheinen beziehungsweise das Potential haben, zukünftig eine wesentliche Rolle bei der Umsetzung Digitaler Zwillinge zu spielen.

Die Komponenten wurden nach Kategorien geordnet, ihre Verbreitung und Branchenzuordnung bewertet sowie weitere Merkmale beschrieben, die in der folgenden Übersicht dargestellt sind.

Eine besondere Rolle messen wir dem RAMI 4.0 Referenzmodell zu. Daher haben wir die betrachteten Komponenten zusätzlich den drei Ebenen Layers, Life Cyle und Hierarchy Levels des RAMI 4.0 Referenzmodells zugeordnet.

RAMI 4.0

Definition
  • dreidimensionale Landkarte, die beschreibt, wie man das Thema Industrie 4.0 strukturiert angehen kann
  • serviceorientierte Architektur
  • führt alle Elemente und IT-relevanten Komponenten in einem Schichten- und Lebenszyklusmodell zusammen
  • teilt komplexe Abläufe in überschaubare Pakete auf (inkl. Datenschutz und IT-Sicherheit)
Kategorie

Referenzarchitekturmodell

Verbreitung

prototypisch

Branchen
  • In­dus­trie, Ver­ar­bei­ten­des Ge­wer­be
  • per se branchenübergreifend
Standard

Standardisierungs-Organisation

DIN SPEC 16593-1 Referenzmodell Industrie 4.0

Weiterführende Informationen

Abbildung des digitalen Zwillings (Datenmodell und Perspektiven)

Die Verwaltungsschale (AssetAdministrationShell) ist die Implementierung des digitalen Zwillings im Sinne von RAMI.

  • Datenmodell vorhanden
  • Perspektiven wie Identifikation, Dokumentation, Umgebung, Herstellerinformationen und Zustand können als Teilmodelle abgebildet werden
Lizenz

keine

International Dataspace

Definition

Initiative

Ziele:

  • auf Basis eines Referenzarchitekturmodelles einen sicheren Datenraum schaffen
  • Enabler für die souveräne Bewirtschaftung von Datengütern

Zielgruppe: Unternehmen verschiedener Branchen und aller Größen

Übersichtsgrafik

Weiterführende Informationen

Kategorie

Referenzarchitekturmodell

Einordung in RAMI 4.0 Schichtenmodell
  • Layers: Deckt alles ab
  • Life Cycle: Instance
  • Hierarchy Levels: Connected World, Enterprise
Verbreitung

prototypisch

Branchen
  • In­dus­trie, Ver­ar­bei­ten­des Ge­wer­be
  • Trans­port und Ver­kehr
Standard
  • (noch) proprietär
Abbildung des Digitalen Zwillings (Datenmodell und Perspektiven)
  • kein konkretes Datenmodell für Digitalen Zwilling vorhanden
  • Abbildung als „DataAsset“ möglich
Lizenz

keine

OPC-UA

Definition

Open Platform Communications Unified Architecture, kurz  OPC UA

  • industrielles M2M-Kommunikationsprotokoll
  • Sammlung von Standards für die Kommunikation und den Datenaustausch im Umfeld der Industrieautomation
  • Scope
    • Transport von M2M-Daten
    • Schnittstellen
    • Semantik von Daten
    • serviceorientierte Architektur

Weiterführende Informationen

Kategorie

Anwendungsorientierte Technologien

Einordung in RAMI 4.0 Schichtenmodell
  • Layers: Information, Communication
  • Life Cycle: Type und Instance
  • Hierarchy Levels: Control Device, Station, Workcenter
Verbreitung

produktiv selten

Branchen
  • In­dus­trie, Ver­ar­bei­ten­des Ge­wer­be
  • per se branchenübergreifend
Standard

Standardisierungs-Organisation

IEC 62541

Abbildung des Digitalen Zwillings (Datenmodell und Perspektiven)
  • Datenmodell vorhanden
  • CompanionSpecs mit konkreter semantischer Beschreibung
Lizenz

keine

AutomationML

Definition

AutomationML (Automation Markup Language) ist ein neutrales, XML-basiertes Datenformat für die Speicherung und zum Austausch von Anlagenplanungsdaten, das als offener Standard zur Verfügung steht. Ziel der AutomationML ist der Austausch von Engineering-Daten in einer heterogenen Tool-Landschaft von modernen Engineering-Werkzeugen für verschiedene Disziplinen.

AutomationML setzt sich aus verschiedenen Standards zusammen, die über stark typisierte Links verbunden sind.

Weiterführende Informationen

Automationml.org

 

Kategorie

Informationsmodelle

Einordung in RAMI 4.0 Schichtenmodell
  • Layers: Information
  • Life Cycle: Type
  • Hierarchy Levels: Product bis Workcenters
Verbreitung

produktiv selten

Branchen
  • branchenneutral
  • Automobilindustrie ist Vorreiter
Standard

DIN EN IEC 62714-1 Datenaustauschformat für Planungsdaten industrieller Automatisierungssysteme - Automation markup language - Teil 1

Weiterführende Informationen

Abbildung des Digitalen Zwillings (Datenmodell und Perspektiven)
  • Datenmodell für einen Teil des Digitalen Zwillings vorhanden, nicht umfassend
  • Fokus Engineering (Anlagenplanung)
Lizenz

keine

MQTT

Definition

Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) ist ein offenes Nachrichtenprotokoll für Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M), das die Übertragung von Telemetriedaten in Form von Nachrichten zwischen Geräten ermöglicht, trotz hoher Verzögerungen oder beschränkter Netzwerke. Entsprechende Geräte reichen von Sensoren und Aktoren, Mobiltelefonen, eingebetteten Systemen in Fahrzeugen oder Laptops bis zu voll entwickelten Rechnern.

Weiterführende Informationen

Kategorie

Transportorientierte Technologien

Einordung in RAMI 4.0 Schichtenmodell
  • Layers: Communication
  • Life Cycle: Instance Production
  • Hierarchy Levels: Product bis Station
Verbreitung

produktiv häufig

Branchen

Produktion, alle Branchen

Standard

OASIS Standard MQTT 5.0

Weiterführende Informationen

Abbildung des Digitalen Zwillings (Datenmodell und Perspektiven)

kein Datenmodell für Digitalen Zwilling vorhanden

Lizenz

Es gibt verschiedene Implementierungen des Standards MQTT, die ggf. lizenzpflichtig sind.

Freier MQTT-Broker: HiveMQ

BIM

Definition

Der Begriff Building Information Modeling (kurz: BIM; deutsch: Bauwerksdatenmodellierung) beschreibt eine Methode der optimierten Planung, Ausführung und Bewirtschaftung von Gebäuden und anderen Bauwerken mithilfe von Software. Dabei werden alle relevanten Bauwerksdaten digital modelliert, kombiniert und erfasst. Das Bauwerk ist als virtuelles Modell auch geometrisch visualisiert (Computermodell).

Weiterführende Informationen

Kategorie

Methode und teilweise Referenzarchitekturmodell

Einordung in RAMI 4.0 Schichtenmodell

Prinzipell ähnliche Herangehensweise wie RAMI

  • Layers: Deckt alles ab
  • Life Cycle: Type
  • Hierarchy Levels: Workcenter, Station, Enterprise
  • zusätzlich sind in BIM Reifegrade definiert
Verbreitung

international: produktiv häufig

Deutschland: produktiv selten

Branchen
  • Baubranche, TGA
  • Immobilienbranche
  • Infrastruktur
  • Transport (insbesondere Bahn)
  • Konstruktion und 3D-Druck

In der Industrie noch weitgehend unbekannt.

Paper zur Verknüpfung von RAMI und BIM: Synergien der beiden Konzepte BIM und Industrie 4.0

Abbildung des Digitalen Zwillings (Datenmodell und Perspektiven)

Der Begriff des Digitalen Zwillings wurde historisch nicht explizit verwendet, allerdings ist BIM z. B. in Microsofts Azure Digital Twins ein integraler Bestandteil – Stichwort: „contextually-aware IoT Solutions“.

Lizenz

keine

Fiware

Definition
  • Open-Source-Plattform für das Internet der Dinge
  • Definition eines offenen Standards für den Datenaustausch im Bereich IoT „NGSI (Next Generation Service Interface)“
  • IoT-Plattform mit Funktionsbausteinen („Generic Enabler“) zur Realisierung effizienter neuer Lösungen und Smart Services

Weiterführende Informationen

Kategorie

Plattformen / Lösungen

Einordung in RAMI 4.0 Schichtenmodell
  • Layers: Asset, Integration, Communication, Information
  • Life Cycle: Instance
  • Hierarchy Levels: Product bis Enterprise
Verbreitung

produktiv selten

Branchen
  • Smart-Cities: stark
  • Agrifood: schwach
  • Industrie 4.0: schwach
Standard

(noch) proprietär

Abbildung des Digitalen Zwillings (Datenmodell und Perspektiven)
  • rudimentäres Datenmodell für verschiedene UserCases vorhanden
  • mit dem Fiware Kontextbroker lassen sich nicht nur Datenmodelle abfragen, sondern es ist auch möglich, Execution-Kommandos an IoT-Geräte zu übermitteln
Lizenz

prinzipiell OpenSource

Orion Kontext Broker benutzt die GNU AFFERO GENERAL PUBLIC LICENSE > CopyLeft Lizenz

SAP AIN

Definition

Asset Intelligence Network der SAP

Hersteller und Endkunden können Informationen über Equipments über die Verwendung einer Cloud erstellen und teilen. Ziel ist es, ein globales Geräteverzeichnis zu schaffen, welches auf gemeinsame Definitionen zurückgreift. Im Fokus stehen hierbei Klassifizierung und Standardisierung.

Weiterführende Informationen

Kategorie

Plattformen / Lösungen

Einordung in RAMI 4.0 Schichtenmodell
  • Layers: Deckt alles ab
  • Life Cycle: Type Development
  • Hierarchy Levels: Connected World
Verbreitung

produktiv selten

Branchen

Produktion alle Branchen

Standard

proprietär

Abbildung des Digitalen Zwillings (Datenmodell und Perspektiven)

Implementiert den Digitalen Zwilling eines Bauteils

Lizenz

ja

BaSys 4.0

Definition

Basissystem Industrie 4.0

Förderprojekt des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) zur Schaffung einer Offenen Plattform für die vierte industrielle Revolution

Das Ziel von BaSys 4.0 ist die Entwicklung eines Basissystems für Produktionsanlagen, das die effiziente Wandelbarkeit eines Produktionsprozesses als zentrale Herausforderung der vierten industriellen Revolution realisiert. Dabei gilt es, bestehende Technologien so zu vernetzen und zu integrieren, dass Industrie 4.0 Anwendungen realisiert werden können. Hierzu hat das Projekt eine virtuelle Middleware entwickelt, die es erlaubt, die dazu erforderlichen Dienste bereitzustellen und miteinander zu verknüpfen.

Weiterführende Informationen

OpenSource Referenzimplementierung: Eclipse BaSyx

Kategorie

Plattformen / Lösungen

Einordung in RAMI 4.0 Schichtenmodell
  • Layers: Deckt alles ab
  • Life Cycle: Instance
  • Hierarchy Levels:  Product bis Enterprise
Verbreitung

experimentell

Branchen

Produktion alle Branchen

Standard

proprietär

Abbildung des Digitalen Zwillings (Datenmodell und Perspektiven)

Implementierung des Digitalen Zwillings (Verwaltungsschale nach RAMI)

Lizenz

Eclipse BaSyx ist OpenSource

Eclipse Public License - v 2.0

Azure Digital Twins

Definition

Azure Digital Twins ist ein Azure IoT-Dienst zur Erstellung umfassender Modelle der physischen Umgebung mittels Raumintelligenzgraphen, um die Beziehungen und Interaktionen zwischen Personen, Bereichen und Geräten zu modellieren.

Azure Microsoft

Weiterführende Informationen

Kategorie

Plattformen / Lösungen

Zusätzlich Digital Twins-Objektmodell und Raumintelligenzgraphen, die Referenzmodellcharakter haben

Einordung in RAMI 4.0 Schichtenmodell
  • Layers: Deckt alles ab
  • Life Cycle: Type, Instance
  • Hierachy Levels: Deckt alles ab

Alle RAMI Layers sind abgedeckt, aber das Konzept der Azure Digital Twins geht weit darüber hinaus, siehe Abbildung Digitaler Zwilling.

Verbreitung

IoT Hub: produktiv häufig

Azure Digital Twins: experimentell

Branchen

Home und Unternehmen, insbesondere werden genannt und mit Szenarien hinterlegt:

  • Diskrete Fertigung
  • Energieversorgung
  • Prozessfertigung
  • Transportwesen und Logistik
Standard

Proprietär bzw. Industriestandard (je nach Betrachtungsweise und verwendeten Komponenten/Technologien)

Abbildung des Digitalen Zwillings (Datenmodell und Perspektiven)

Umfassend und erweiterbar, Schwerpunkt auf räumlicher Perspektive

Weiterführende Informationen

Lizenz

teilweise OpenSource



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