{"id":4699,"date":"2020-03-17T09:30:21","date_gmt":"2020-03-17T07:30:21","guid":{"rendered":"https:\/\/blog.iese.fraunhofer.de\/?p=4699"},"modified":"2024-02-19T11:47:32","modified_gmt":"2024-02-19T10:47:32","slug":"basys-4-0-eine-dienstbasierte-industrie-4-0-architektur","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.iese.fraunhofer.de\/blog\/basys-4-0-eine-dienstbasierte-industrie-4-0-architektur\/","title":{"rendered":"BaSys 4.0 \u2013 Eine dienstbasierte Industrie 4.0-Architektur"},"content":{"rendered":"

Heutzutage sind Fertigungsanlagen auf die Massenproduktion identischer Waren ausgelegt. Obwohl Fertigungssysteme oft eine gewisse Flexibilit\u00e4t besitzen, sind sie nicht vollst\u00e4ndig wandelbar. Stattdessen sind \u00c4nderungen mit hohen Kosten verbunden. Wandelbare Produktion hingegen erlaubt es Herstellern, schneller auf eine ver\u00e4nderte Nachfrage zu reagieren und kleine Losgr\u00f6\u00dfen effizient zu produzieren. Der Digitale Zwilling<\/a> ist ein Schl\u00fcsselkonzept f\u00fcr die Umsetzung der erforderlichen Wandelbarkeit. Doch diese Wandelbarkeit kann nicht durch die Integration einzelner \u00bbIndustrie-4.0-Ger\u00e4te\u00ab in das Produktionssystem erzielt werden. Vielmehr werden neue Architekturkonzepte ben\u00f6tigt. BaSys 4.0<\/a> definiert eine Referenzarchitektur f\u00fcr Produktionssysteme, die den Wandel zur Industrie 4.0 erm\u00f6glicht. Unsere Open-Source Middleware Eclipse BaSyx<\/a> ist eine Referenzimplementierung der Konzepte von BaSys 4.0.<\/p>\n

Sich wandelnde M\u00e4rkte erfordern eine wandelbare Produktion<\/strong><\/h3>\n

Die zunehmende Nachfrage nach individualisierten Produkten und die immer k\u00fcrzeren Produktlebenszyklen er\u00f6ffnen Fertigungsanlagen neue M\u00f6glichkeiten, sich von der Konkurrenz abzuheben [1]. Traditionell waren die Verkaufsargumente in der Fertigung St\u00fcckkosten und Qualit\u00e4t; heute gewinnt die F\u00e4higkeit, individualisierte Produkte herzustellen, zunehmend an Bedeutung. Hersteller, die in der Lage sind, Produkte zu individualisieren, k\u00f6nnen schon heute wesentlich h\u00f6here Ums\u00e4tze pro Produkt erzielen; ein Hersteller, der zum Beispiel in der Lage ist, ganz bestimmte Bohrungen f\u00fcr Sicherheitsgurte in speziellen Fahrzeugvarianten hinzuzuf\u00fcgen, kann f\u00fcr seine individualisierten Produkte deutlich h\u00f6here St\u00fcckpreise verlangen als f\u00fcr seine regul\u00e4ren Produkte. Bei individualisierten Produkten besteht jedoch die Herausforderung darin, dass solche Produkte nur in kleinen Losgr\u00f6\u00dfen nachgefragt werden. Die \u00c4nderungskosten sind bei traditionellen Fertigungslinien zu hoch, um kleine Losgr\u00f6\u00dfen wirtschaftlich zu realisieren. Andererseits k\u00f6nnte ein wandelbares Fertigungssystem h\u00f6here St\u00fcckkosten f\u00fcr individualisierte Produkte zu geringen Mehrkosten oder gar ohne Mehrkosten f\u00fcr die \u00c4nderung der Fertigungslinien realisieren. Dies bringt Wettbewerbsvorteile [2], erfordert aber eine neue Fertigungsarchitektur f\u00fcr Produktionsanlagen.<\/p>\n

Wandelbare Produktion erfordert Wandelbarkeit sowohl bez\u00fcglich der Produktionsressourcen einer Fertigungslinie als auch bez\u00fcglich der Produktionsprozesse. Zur physikalischen Wandelbarkeit geh\u00f6rt die F\u00e4higkeit, beispielsweise die von einem Roboter benutzten Werkzeuge zu \u00e4ndern, eventuell Produktionsger\u00e4te hinzuzuf\u00fcgen oder zu entfernen und Mitarbeiter auszubilden. Ver\u00e4nderungen der Produktionsprozesse erfordern \u00c4nderungen im Bereich Prozessautomation, Anpassung der Prozess- und Qualit\u00e4tsdokumentation und m\u00f6glicherweise die Einrichtung von Lieferketten und die erneute Zertifizierung von Fertigungslinien, um sicherzustellen, dass sie die Kundenanforderungen erf\u00fcllen.<\/p>\n

Physikalische Wandelbarkeit ist normalerweise in bestehenden Fertigungslinien gegeben. \u00c4nderungen im Bereich Prozessautomation und Re-Zertifizierung sind dagegen die Haupthindernisse, die einer wandelbaren Produktion im Wege stehen. Diese lassen sich nicht einfach durch den Austausch eines einzelnen Ger\u00e4ts erzielen, sondern die Fertigungsprozesse m\u00fcssen an Industrie 4.0 angepasst werden. Heutzutage wird Prozessautomation mithilfe speicherprogrammierbarer Steuerungen (SPS)<\/strong> realisiert. Diese f\u00fchren zyklische Programme aus, die in einer Standardsprache programmiert sind; in den meisten F\u00e4llen handelt es sich hierbei um Sprachen, die den Anforderungen von IEC 61131 entsprechen. Eine einzelne SPS automatisiert eine Produktionszelle oder einen Schritt eines automatisierten Fertigungsprozesses. SPS steuern Arbeitspl\u00e4tze und Roboter und f\u00fchren f\u00fcr jedes Werkst\u00fcck die notwendigen Prozessschritte aus. Programmparameter erm\u00f6glichen eine vordefinierte Flexibilit\u00e4t in der Herstellung, die es m\u00f6glich macht, Produktvarianten herzustellen, z.B. Fahrzeuge mit und ohne adaptive Tempomatsysteme. Der komplette Fertigungsprozess wird auf alle SPS der Fertigungslinie verteilt. \u00c4nderungen in der Prozessautomation erfordern daher die Umprogrammierung der SPS, was heute oftmals unerw\u00fcnschte Seiteneffekte in dem Prozess verursacht. Diese Seiteneffekte f\u00fchren zu deutlich l\u00e4ngeren Stillstand- und \u00c4nderungszeiten sowie h\u00f6heren Kosten.<\/p>\n

Wandelbarkeit m\u00f6glich machen mit BaSys-4.0-Architekturkonzepten<\/strong><\/h3>\n

Wandelbare Prozesse verk\u00fcrzen die Stillstandzeiten von Fertigungslinien bei Prozess\u00e4nderungen. Idealerweise kann die Programmierung ohne Seiteneffekte und ohne jegliche Stillstandzeiten ge\u00e4ndert werden. BaSys 4.0 definiert eine dienstbasierte Fertigungsarchitektur, die diese Wandelbarkeit erm\u00f6glicht. Es sind nicht mehr SPS, die Prozessschritte umsetzen, sondern aufrufbare Dienste, die das tun [3], wie in Abbildung 1 illustriert. SPS-Basisdienste implementieren Echtzeitverhalten, das Fertigungsschritte steuert, z.B. f\u00fcr das Bohren von L\u00f6chern, oder automatisierte Qualit\u00e4tsbewertung. Die Anpassung der Dienste ist mithilfe von Parametern m\u00f6glich, die zum Beispiel die Position und Gr\u00f6\u00dfe von Bohrl\u00f6chern bestimmen. F\u00fcr alle Basisdienste ist es unabdingbar, dass sie atomar und zustandslos sind; d.h. es muss m\u00f6glich sein, sie kontextunabh\u00e4ngig aufzurufen und sie d\u00fcrfen keinen internen Zustand haben. Alle relevanten Parameter und Produktzust\u00e4nde m\u00fcssen beim Aufruf eines Dienstes angegeben werden. Die SPS wei\u00df daher, wie ein Dienst zu implementieren ist, hat aber keine Kenntnis dar\u00fcber, wann ein Dienst aufgerufen wird. Stattdessen steuern Orchestratoren den Aufruf von Diensten und verbinden so Basisdienste mit Fertigungsprozessen. Dies \u00e4hnelt somit dem Ansatz der serviceorientierten Architektur, der in vielen gro\u00dfen Softwareprojekten erfolgreich eingesetzt wird [4]. Der Orchestrator verwendet eine Rezeptur, bei der es sich um ein digitales Prozessmodell handelt, das f\u00fcr jedes Produkt die notwendigen Fertigungsschritte definiert.<\/p>\n

Dank der serviceorientierten Architektur ist die Anpassung von SPS-Programmen lediglich bei der Entwicklung neuer Basisdienste erforderlich; die Anpassung von Produkten erfordert nur \u00c4nderungen an \u00fcbergeordneten Rezepturen. Orchestratoren k\u00f6nnen beispielsweise BPMN-Modelle<\/strong> (BPMN = Business Process Model and Notation) verwenden, um Rezepturen zu beschreiben, und BPMN-Engines, um den Orchestrierungsprozess zu implementieren. Um ein Produkt zu \u00e4ndern, muss dann nur das BPMN-Modell f\u00fcr dieses Produkt ge\u00e4ndert werden, was viel einfacher und weniger zeitaufw\u00e4ndig ist als das SPS-Programm zu \u00e4ndern.<\/p>\n

\"Fraunhofer
Abbildung 1: Traditionelle SPS-basierte Fertigung vs. BaSys 4.0 dienstbasierte Produktionsarchitektur<\/figcaption><\/figure>\n

Ger\u00e4testeuerungskomponenten auf SPS implementieren Dienstanbieter f\u00fcr grundlegende SPS-Dienste. Diese d\u00fcrfen keine Abh\u00e4ngigkeiten zwischen Diensten definieren, z.B. von anderen Diensten, die auf dem gleichen Ger\u00e4t laufen, oder von Diensten auf anderen Ger\u00e4ten. Es darf w\u00e4hrend der Ausf\u00fchrung eines Dienstes keine Kommunikation zwischen SPS stattfinden. Wenn ein Basisdienst ausgef\u00fchrt wird, machen wir zur Bedingung, dass die SPS nur mit denjenigen Sensoren und Aktuatoren kommuniziert, die f\u00fcr die Umsetzung des Fertigungsschritts und f\u00fcr zus\u00e4tzliche Sicherheitsfunktionen notwendig sind. Gruppensteuerungskomponenten implementieren Orchestratoren, d.h. Nutzer eines Dienstes. Wenn sie einen Dienst aufrufen, m\u00fcssen sie den Dienstanbietern alle Parameter zur Verf\u00fcgung stellen. Die Ergebnisse, wie z.B. gesampelte Qualit\u00e4tsdaten und die Dokumentation von Prozessschritten, werden dem Orchestrator nach Abschluss des Dienstes zur Verf\u00fcgung gestellt. Dies verhindert Seiteneffekte bei der \u00c4nderung von Produktrezepturen und der Reihenfolge des Aufrufs von Diensten.<\/p>\n

Die Trennung von Steuerungskomponenten in Ger\u00e4testeuerungskomponenten und Gruppensteuerungskomponenten \u00e4hnelt dem Clean-Code-Prinzip<\/strong> bei der Softwareentwicklung (s. https:\/\/clean-code-developer.com\/<\/a>). Clean Code bef\u00fcrwortet die Trennung von Softwarefunktionen in solche, die das Verhalten von Algorithmen implementieren, und solche, die Funktionen in \u00fcbergeordnete Funktionen integrieren. Dieses Prinzip hat zu leicht wartbaren gro\u00dfen Softwaresystemen gef\u00fchrt. BaSys passt dieses Prinzip an, indem es das Verhalten von Algorithmen durch den Zugriff auf native Ger\u00e4te ersetzt. Sowohl Ger\u00e4testeuerungskomponenten als auch Gruppensteuerungskomponenten implementieren Dienste, unterscheiden sich aber in Bezug auf die Art der implementierten Dienste. Ger\u00e4testeuerungskomponenten bieten Dienste, die direkt auf Prozessger\u00e4te zugreifen, z.B. Lichtschranken und Roboter, doch sie orchestrieren niemals andere Dienste. Gruppensteuerungskomponenten orchestrieren Dienste, greifen aber niemals auf native Ger\u00e4te zu.<\/p>\n

\u00c4hnlich wie BaSys erfordert auch Clean Code, dass der Aufrufer eines Dienstes alle Informationen f\u00fcr den Aufruf mittels Parametern bereitstellt, verlangt, dass die Funktion dem Caller nach Beendigung alle Resultate liefert, und verbietet, dass eine Funktion nach der Beendigung eines Aufrufs einen Zustand beh\u00e4lt.<\/p>\n

Industrie-4.0-Szenarien und -Architekturkonzept<\/strong><\/h3>\n

Die BaSyx-Steuerungskomponenten<\/strong> definieren vereinheitlichte Schnittstellen f\u00fcr die Ger\u00e4te- und Gruppensteuerungskomponenten. Gruppensteuerungskomponenten k\u00f6nnen daher selbst Dienstanbieter sein, was eine hierarchische Abstraktion von Produktionsdiensten erm\u00f6glicht. W\u00e4hrend Ger\u00e4testeuerungskomponenten beispielsweise Basisdienste implementieren, die die Bewegung auf einem Flie\u00dfbandabschnitt implementieren, k\u00f6nnen Gruppensteuerungskomponenten komplexere Dienste implementieren, die selbstst\u00e4ndig den Transport von Werkst\u00fccken durch den Fertigungsprozess hindurch steuern.<\/p>\n

Die Definition gemeinsamer Basisdienste f\u00fcr Ger\u00e4tetypen macht es auch einfacher, Ger\u00e4te bei der Wartung auszutauschen. Wenn ein Ger\u00e4t ersetzt werden muss, z.B. aufgrund der Verf\u00fcgbarkeit von Ger\u00e4ten durch ein anderes Ger\u00e4t, werden Stillstandzeiten deutlich verk\u00fcrzt, wenn das neue Ger\u00e4t das gleiche Set an Diensten implementiert und sich daher nahtlos in die Gruppensteuerungskomponenten integriert, die die Prozessautomation steuern.<\/p>\n

Ger\u00e4tekomponenten werden entweder als explizite Hardwarekomponenten realisiert, die mit Ger\u00e4ten verbunden werden, oder in intelligenteren Ger\u00e4ten als Softwarekomponenten. Der Einsatz zus\u00e4tzlicher Hardwareger\u00e4te erm\u00f6glicht bereits bestehenden Fertigungsanlagen den \u00dcbergang zu Industrie 4.0.<\/p>\n

\"Fraunhofer
Abbildung 2: Beispiel einer dienstorientierten Fertigungsarchitektur<\/figcaption><\/figure>\n

Abbildung 2 zeigt, dass Gruppensteuerungskomponenten Daten \u00fcber das gefertigte Produkt an die Ger\u00e4testeuerungskomponenten liefern m\u00fcssen und die zur\u00fcckgesendeten Werte speichern m\u00fcssen. Herstellerger\u00e4tespezifische Daten, wie etwa die Zahl der Prozessaufrufe, m\u00fcssen eventuell ebenfalls f\u00fcr die sp\u00e4tere Verwendung gespeichert werden. Da Dienste Daten, die \u00fcber Dienstaufrufe hinweg persistent sind, nicht intern speichern d\u00fcrfen, m\u00fcssen solche Daten an anderer Stelle gespeichert werden. BaSyx verwendet Verwaltungsschalen (VS)<\/strong> f\u00fcr den Zugang zu Untermodellen, die Asset-Daten strukturieren. Ein Untermodell fokussiert daher auf eine bestimmte Art von Daten und definiert ein Metamodell, das diese Daten strukturiert. Wenn Verwaltungsschalen Untermodelle definieren, die eine Prognose f\u00fcr ein Asset erm\u00f6glichen, dann wird aus der VS ein Digitaler Zwilling des Assets.<\/p>\n

Verf\u00fcgbarkeit<\/strong><\/h3>\n

Eclipse Basyx wird im Kontext der Projekte BaSys 4.0 und BaSys 4.2<\/a> entwickelt, die vom Bundesministerium f\u00fcr Bildung und Forschung (BMBF) gef\u00f6rdert werden. Es integriert relevante Konzepte aus Forschungs- und Normungsgremien, z.B. von der Plattform Industrie 4.0. Unsere Open-Source-Middleware Eclipse BaSyx (https:\/\/projects.eclipse.org\/projects\/technology.basyx<\/em>) implementiert wichtige Industrie-4.0-Konzepte und bietet Referenzimplementierungen f\u00fcr g\u00e4ngige Industrie-4.0-Komponenten. Au\u00dferdem bietet sie ein Software Development Kit f\u00fcr die Implementierung neuer Industrie-4.0-Komponenten und f\u00fcr die Integration von Ger\u00e4ten und SPS-Controllern. Weiterf\u00fchrende Informationen zu Eclipse BaSyx sind unter <\/em>https:\/\/www.eclipse.org\/basyx\/<\/a> zu finden. <\/em><\/p>\n

 <\/p>\n

Literatur<\/h4>\n
    \n
  • Wang, Y.; Ma, H. S.; Yang, J. H.; Wang, K. S.: Industry 4.0: a way from mass customization to mass personalization production. Advances in Manufacturing, 5 (2017) 4, S. 311-320.<\/li>\n
  • Lasi, H.; Fettke, P.; Kemper, H.-G.; Feld, T.; Hoffmann, M.: Industry 4.0 Business & information systems engineering 6 (2014), S. 239-242.<\/li>\n
  • Colombo, A. W.; Karnouskos, S.; Mendes, J. M.: Factory of the future: A service-oriented system of modular, dynamic reconfigurable and collaborative systems. In Artificial intelligence techniques for networked manufacturing enterprises management. London 2010.<\/li>\n
  • Perrey, R.; Lycett, M.: Service-oriented architecture. In: Applications and the Internet Workshops, 2003. IEEE. 2003 Symposium on (2003), S. 116-119.<\/li>\n<\/ul>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

    Heutzutage sind Fertigungsanlagen auf die Massenproduktion identischer Waren ausgelegt. Obwohl Fertigungssysteme oft eine gewisse Flexibilit\u00e4t besitzen, sind sie nicht vollst\u00e4ndig wandelbar. Stattdessen sind \u00c4nderungen mit hohen Kosten verbunden. 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Since 2008, he has been working at Fraunhofer IESE in the field of software and system architectures, and since 2014 he has been head of the Embedded Systems Department. 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