Scientific news ticker december 2019
Industrie 4.0 Komponenten in AutomationML beschreiben
Ziel der Industrie 4.0 ist es, die verschiedenen, teilweise gegensätzlichen Anforderungen an moderne Produktionssysteme wie zum Beispiel der wachsenden Produktflexibilität zur Kundenwunscherfüllung bei gleichzeitig sinkenden Herstellungskosten oder der verstärkten Schonung von Umwelt und Ressourcen bei gleichzeitig erhöhter Flexibilität der genutzten Produktionstechnologien.
Zwei der wichtigsten dabei verfolgten Entwicklungszweige sind die verstärkte Integration der verschiedenen Phasen und Aktivitäten entlang des Lebenszyklus von Produktionssystemen (insbesondere die informationstechnische Vernetzung) und die verstärkte Nutzung von modularen, intelligenten, vernetzten, selbstorganisierenden und selbststeuernden Produktionssystemkomponenten, die als Cyber-physische Produktionssysteme realisiert und Industrie 4.0 Komponenten genannt werden.
Ein relevantes Kernkonzept ist in diesem Zusammenhang die informationstechnische Repräsentation der Industrie 4.0 Komponente als elementarem Baustein moderner Produktionssysteme in einer Weise, die eine Nutzung dieser Repräsentation entlang des gesamten Lebenszyklus eines Produktionssystems und auf allen Ebenen dieses Produktionssystems ermöglicht. Zu diesem Zweck wurde eine generische Architektur für eine Industrie 4.0 Komponente entwickelt und in der DIN Spec 91345 standarisiert, die auf der Unterscheidung des eigentlichen Assets (also der betroffenen physischen oder logischen Komponente) und seiner Verwaltungsschale aufbaut. Dabei soll die Verwaltungsschale neben dem fachgerechten Zugriff auf das Asset auch dessen umfassende informationstechnische Beschreibung sicherstellen.
Im Rahmen des Entwurfsprozesses eines Produktionssystems soll diese Verwaltungsschale zwecks informationstechnischer Vernetzung zwischen den an diesem Prozess einzelnen beteiligten Parteien austauschbar sein, wie es die neben stehende Grafik zeigt. So sollen unter anderem ein Geräte- und Komponentenhersteller ihre Geräte und Komponenten mittels Verwaltungsschale beschreiben und diese Beschreibung zur weiteren Nutzung einem Systemintegrator zur Verfügung stellen können. Dieser soll die in den empfangenen Verwaltungsschalen enthaltenen Informationen auswählen, kombinieren, bearbeiten und erweitern können, um sie dann zu einer Systembeschreibung für den Anlagenbetreiber zu aggregieren und für diesen und ggf. weitere Unternehmen (z.B. zwecks Steuerung und Wartung) entsprechende Komponentenbeschreibungen zu erstellen.
Ein solcher Informationsfluss über verschiedenste Unternehmen und gleichzeitig über verschiedenste Entwurfsdisziplinen und Entwurfswerkzeuge setzt eine standardisierte Syntax und Semantik für die auszutauschenden Daten voraus.
(A. Lüder, N. Schmidt, R. Drath: Standardized information exchange within production system engineering, In: S. Biffl, A. Lüder, and D. Gerhard, editors, Multi-disciplinary engineering for cyber-physical production systems: data models and software solutions for handling complex engineering projects - Cham: Springer, pp. 235-257, 2017)
Um diese zu erreichen, wurde durch die Plattform Industrie 4.0 ein Metamodell für die relevanten Informationen entwickelt und veröffentlicht:
In Kooperation von Plattform Industrie 4.0 und AutomationML e.V. wurde unter maßgeblicher Beteiligung des IAF für dieses Meta Modell eine Repräsentation mittels AutomationML als einem herstellerneutralen Format entwickelt und zur SPS Messe in Nürnberg Ende November veröffentlicht:
Das genutzte Meta Modell baut auf zwei grundlegenden Säulen auf, der Repräsentation des verwalteten Assets und der Darstellung von Teilmodellen zu diesem Asset. Es wird vorausgesetzt, dass jeder Verwaltungsschale exakt ein Asset zugeordnet ist. Dabei kann unterschieden werden, ob es sich um einen Typ oder eine Instanz eines Assets handelt, d.h. ob das Asset in der Entwurfsphase oder der Nutzungsphase betrachtet wird.
Aufgabe der Teilmodelle (Submodel) ist es, relevante Informationen strukturiert abzulegen und verfügbar zu machen. Sie enthalten Teilmodellelemente (SubmodelElement) die selbst unterschiedlich strukturiert sein können und unterschiedlichen Zielen dienen. Das am weitesten verbreitete Teilmodellelement ist die Property, die einem Attribut bzw. Merkmal entspricht.
Es soll nicht unerwähnt bleiben, dass alle wichtigen Elemente des Metamodells eindeutig identifizierbar sind und über Semantikindikatoren verfügen, die zum Beispiel Semantiken aus eCl@ss oder CDD referenzieren können.
Die Repräsentation des Metamodells der Daten in der Verwaltungsschale mit AutomationML (auch Serializierung genannt) stützt sich auf die Gemeinsamkeiten beider und nutzt insbesondere die Tatsache aus, dass in AutomationML Objektsemantiken über RoleClasses und Objekte über InternalElements und SystemUnitClasses (je nach Kontext) abgebildet werden.
Entsprechend wurden Abbildungsregeln für ein Datenmodell gemäß des Metamodells angegeben, die in 7 Regelgruppen zusammengefasst sind.
Diese Regelgruppen beschäftigen sich zum Beispiel mit der AutomationML-konformen Definition von Rollen, Interfaces und Attributen aus denen heraus entsprechende Rollen- und Interfacebibliotheken erstellt wurden. Sie bilden die relevanten Konzepte des Metamodells semantisch ab.
Zudem beschreiben die Regeln unter anderem, dass jedes Teilmodellelement über ein InternalElement mit entsprechender Rolle abzubilden ist und seine einzelnen Teilmodellelementtypen klare Strukturregeln einhalten müssen oder wann und wie ein Werkzeug, das eine Verwaltungsschale erstellt, eine InstanceHierarchy oder eine SystemUnitClassLib gemäß AutomationML erstellen muss.
Die entwickelten Abbildungsregeln und die aus ihnen hervorgegangenen Bibliotheken sind so gestaltet, dass sie da wo sinnvoll auf bestehenden AutomationML Klassenbibliotheken aufsetzen und generell gemeinsam mit allen bestehenden Bibliotheken verwendet werden können. So ist insbesondere sichergestellt, dass die in Entwicklung befindliche AutomationML Komponentenbeschreibung und die Serializierung der Verwaltungsschale zueinander passen.
Die entwickelte Repräsentation der Industrie 4.0 Asset Administration Shell ermöglicht es, entlang des gesamten Entwurfsprozesses eines Produktionssystems eine standardisierte umfassende und erweiterbare Datenaustauschtechnologie zu nutzen, die zum einen mit den Technologien für den Erstellungsprozesses (XML in Form der AASX) und des Nutzungsprozesses (OPC UA) harmonisiert ist und zum anderen die bestehenden AutomationML Schnittstellentechnologien nutzbar macht. Dies ist ein sehr bedeutender Schritt für die weitere Verbreitung des am IAF maßgeblich mit entwickelten Datenaustauschformates.
Ansprechpartner: apl. Prof. Dr.-Ing. habil. Arndt Lüder
