Eine schichten\u00fcbergreifende Interaktion erfordert einen strukturierten Ansatz f\u00fcr die Darstellung und den Austausch von Daten. Das Konzept der Digitalen Zwillinge, das aus der Erprobung von Avionik-Systemen [2] entsprang, ist ein Schl\u00fcsselkonzept f\u00fcr die schichten\u00fcbergreifende Kommunikation in Industrie 4.0. Ein Digitaler Zwilling ist eine Repr\u00e4sentation des Zustands eines Assets, d.h. einer physikalischen Entit\u00e4t. Er erm\u00f6glicht einen vereinheitlichten Zugang zu den Daten und Diensten eines Assets. Gem\u00e4\u00df der Definition des IIC [3] \u00bbist ein digitaler Zwilling eine formelle digitale Repr\u00e4sentation eines Assets, Prozesses oder Systems, die Attribute und Verhalten dieser Entit\u00e4t erfasst, die f\u00fcr die Kommunikation, Speicherung, Interpretation oder Verarbeitung in einem gewissen Kontext geeignet sind<\/em>\u00ab.<\/p>\n Digitale Zwillinge (DZ) beschreiben alle relevanten Assets bei einer Industrie 4.0-Produktion. Assets sind z.B. herzustellende Produkte, Werkst\u00fccke und Ger\u00e4te. DZ aggregieren in der physischen Welt erzeugte Daten, erm\u00f6glichen das Experimentieren mit diesen Daten in digitalen Repr\u00e4sentationen von I4.0-Assets (physische oder nicht-physische Entit\u00e4ten) und liefern Einblicke, die als aktualisierte Konfigurationen in die physische Welt zur\u00fcckgespielt werden k\u00f6nnen. Auf diese Weise k\u00f6nnen die von Digitalen Zwillingen bereitgestellten Daten zur Orchestrierung und Optimierung einer Anlage verwendet werden.<\/p>\n <\/p>\n Die Einf\u00fchrung des Konzepts der Digitalen Zwillinge allein reicht allerdings nicht aus, um die Vorteile von Industrie 4.0 zu nutzen. Zus\u00e4tzlich wird eine unterst\u00fctzende IT-Infrastruktur ben\u00f6tigt, um eine effiziente Handhabung und Integration von Digitalen Zwillingen zu erm\u00f6glichen. Nachfolgend werden mehrere Szenarien beschrieben, um die Anforderungen an eine Industrie 4.0-IT-Infrastruktur zu motivieren.<\/p>\n Die Ber\u00fccksichtigung dieser Aspekte reicht f\u00fcr den Aufbau der Kern-IT-Infrastruktur f\u00fcr Industrie 4.0 aus. Industrie 4.0 zieht jedoch gro\u00dfen Nutzen aus der Automatisierung und aus der Reduzierung des Bedarfs an menschlichen Eingriffen. Somit l\u00e4sst sich ein optionales Szenario formulieren, das diesen Aspekt einschlie\u00dft.<\/p>\n Zusammenfassend lassen sich die folgenden Anforderungen an eine I4.0-IT-Infrastruktur formulieren, wobei jede durch das Szenario mit der entsprechenden Zahl motiviert ist:<\/p>\n Au\u00dferdem muss die Darstellung des Digitalen Zwillings selbst sorgf\u00e4ltig gew\u00e4hlt werden. Im Idealfall sollte sie die Definition einer Semantik erm\u00f6glichen, um Missverst\u00e4ndnisse zu vermeiden. Zudem sind viele Daten bereits in standardisierter Form verf\u00fcgbar. Die Integration externer Standards sollte also m\u00f6glich sein, damit bestehende Arbeiten wiederverwendet werden k\u00f6nnen.<\/p>\n <\/p>\n Die Standardisierung von Assets ist ein wichtiger Erfolgsfaktor der deutschen Industrie. Dieser Erfolg kann auf die digitale Welt \u00fcbertragen werden. Es ist daher ratsam, ein vereinbartes und standardisiertes Format f\u00fcr die Darstellung von Digitalen Zwillingen zu verwenden. Die Verwaltungsschale (VWS) [4], wie sie von der Plattform Industrie 4.0<\/a> spezifiziert ist, ist ein solches Format. Standardisierte Schnittstellen erm\u00f6glichen dabei den Zugang zu Eigenschaften sowie zu Funktionen. Zus\u00e4tzlich spezifiziert ein definiertes Metamodell einen gemeinsamen Mindestsatz an Informationen, den alle Digitalen Zwillinge exportieren m\u00fcssen. Eine Verwaltungsschale referenziert Teilmodelle, von denen jedes eine bestimmte Sicht des Digitalen Zwillings bietet. Au\u00dferdem lassen sich mit Sichten Informationen nicht nur nach ihrer Art aufteilen, sondern auch nach der Rolle (z.B. Art der Person oder der verbindenden Maschine), die daran interessiert sein k\u00f6nnte. Beispielsweise kann ein Teilmodell die physikalischen Dimensionen des Assets beschreiben, w\u00e4hrend ein anderes Teilmodell Zugang zu Sensordaten bietet und wieder andere Teilmodelle Informationen \u00fcber die Verf\u00fcgbarkeit von Ersatzteilen liefern.<\/p>\n Durch Hinzuf\u00fcgen spezialisierter Teilmodelle k\u00f6nnen VWS zur Implementierung verschiedener Versionen des Digitalen Zwillings verwendet werden. Teilmodelle k\u00f6nnen zum Beispiel statische Daten liefern, wie ein digitales Datenblatt. Sie k\u00f6nnen Zugriff auf Live-Daten bieten, die Steuerung einer Maschine erm\u00f6glichen und ihr eigenes Verhalten implementieren, um Datenstr\u00f6me oder die Verf\u00fcgbarkeit von Ersatzteilen zu \u00fcberwachen. Die Verwendung von Verwaltungsschalen und Teilmodellen macht es m\u00f6glich, eine harmonisierte, dienstbasierte Schnittstelle zum gesamte Produktionssystem bereitzustellen, in dem alle physischen und virtuellen Ger\u00e4te, Produkte, Mitarbeiter und anderen Assets durch ihre eigene Objektinstanz repr\u00e4sentiert werden.<\/p>\n Die VWS ist die standardisierte Selbstbeschreibung einer technischen oder logischen Komponente in der Produktion. Im Wesentlichen ist sie eine maschinenlesbare, technologie- & ger\u00e4teagnostische Beschreibung einer Komponente, die Zugang zu all ihren Eigenschaften und Funktionen bietet.<\/p>\n Ein grundlegender Unterschied zwischen bestehenden L\u00f6sungen und dem Konzept der Verwaltungsschale ist die herstellerunabh\u00e4ngige Standardisierung des VWS-Metamodells [5]. Diesbez\u00fcglich gibt es aktuell im Bereich der Produktionsautomatisierung keine Normen f\u00fcr eine solche technologieneutrale und herstellerunabh\u00e4ngige Selbstbeschreibung von Systemen und Ger\u00e4ten.<\/p>\n <\/p>\n In heutigen Systemen ist die Datensemantik entweder implizit gegeben oder hart kodiert. Die VWS fokussiert sich jedoch auf die semantische Beschreibung von Daten. Letztendlich sollten alle VWS-Daten semantisch beschrieben werden, um ihre Bedeutung zu definieren. In diesem Fall sollte es keine Rolle spielen, wenn sich die Bezeichnung einer Variablen oder die Datenstruktur eines VWS-Teilmodells \u00e4ndert. Hier kommt ein weiterer Vorteil der Verwaltungsschale ins Spiel: Die Verwaltungsschale ist in der Lage, Eigenschaften und Funktionen mit semantischen Informationen zu verkn\u00fcpfen. Beispielsweise verwendet die semantische Beschreibung einer Eigenschaft eine standardisierte Beschreibung f\u00fcr Eigenschaften nach IEC 61360. Dies stellt sicher, dass selbst dann, wenn Komponenten von verschiedenen Herstellern unterschiedliche Feldnamen f\u00fcr Eigenschaften verwenden, eine gemeinsame Definition der Bedeutung von Eigenschaften und Operationen gew\u00e4hrleistet ist. Es gibt bereits umfangreiche Datenbanken, die eine gro\u00dfe Anzahl von Eigenschaften f\u00fcr eine Vielzahl von Ger\u00e4tetypen und Dom\u00e4nen anbieten. Beispiele f\u00fcr solche Datenbanken sind eCl@ss und das Common Data Dictionary (CDD).<\/p>\n Momentan ist nur die Struktur der Verwaltungsschale selbst und die Grundstruktur von Teilmodellen von der Plattform Industrie 4.0 definiert und wird derzeit standardisiert. Die Nutzer sind f\u00fcr den Inhalt eines Teilmodells verantwortlich und k\u00f6nnen zahlreiche verschiedene Arten von Teilmodellen f\u00fcr ihre Ger\u00e4te definieren, die genau ihren Bed\u00fcrfnissen entsprechen. Die Definition von Ontologien, die den Eigenschaften der Teilmodelle eine Semantik verleihen, ist Gegenstand laufender Arbeiten.<\/p>\n \u00a0<\/strong><\/p>\n Unter Verwendung des Konzepts der Verwaltungsschale und unter Ber\u00fccksichtigung der oben spezifizierten Anforderungen kann eine Industrie 4.0-IT-Infrastruktur spezifiziert werden. Dabei werden die folgenden zentralen Komponenten spezifiziert:<\/p>\n Abbildung 2 zeigt die resultierende Infrastruktur. Zus\u00e4tzlich zeigt sie die Ersteinrichtung eines Ger\u00e4ts. Im ersten Schritt pusht das neu verbundene Ger\u00e4t seine VWS und entsprechende Teilmodelle (z.B. ein Dokumentationsteilmodell) zum VWS Server (1). Dann registriert es die gepushte VWS und die gepushten Teilmodelle sowie die direkt in seiner Edge Node gespeicherten Teilmodelle in der Registry, indem es den VWS Descriptor mit den Metadaten und vor allem den Endpunkt der VWS und m\u00f6glicher Teilmodelle zur Verf\u00fcgung stellt (2).<\/p>\n Abbildung 2 \u2013 Start mit Hochladen des Digitalen Zwillings und Registrierung<\/p>\n <\/p>\n Die Interaktionen f\u00fcr den Abruf Digitaler Zwillinge sind in Abbildung 3 dargestellt. Zuerst fordert die Anwendung auf der Grundlage bestimmter Kriterien die VWS von der Registry an (1). Die Registry gibt den VWS Descriptor der entsprechenden VWS aus (2). Die Anwendung verbindet sich mit dem VWS Server und ruft die VWS ab (3). Schlie\u00dflich verbindet sich die Anwendung mit den entsprechenden Teilmodellen, um die ben\u00f6tigten Daten abzurufen (4).<\/p>\n <\/p>\n Abbildung 3 \u2013 Zugang einer Anwendung zu Digitalen Zwillingen<\/p>\n <\/p>\n Sobald die entsprechenden Endpunkte vom Registry-Dienst abgefragt wurden, k\u00f6nnen die Komponenten direkt miteinander kommunizieren, sodass der Ausfall des Registry-Dienstes nicht sofort zu einem Produktionsstillstand f\u00fchrt. Nur im Falle einer ge\u00e4nderten Verf\u00fcgbarkeit einer Komponente m\u00fcssen die Nutzer und die Anbieter eines Dienstes die Registry erneut konsultieren.<\/p>\n <\/p>\n Eine starke IT-Infrastruktur kann f\u00fcr die erfolgreiche Umsetzung von Industrie 4.0 entscheidend sein. Die vorgeschlagene Infrastruktur unterst\u00fctzt die gegebenen Anforderungen und erm\u00f6glicht zentrale Anwendungsf\u00e4lle. Standardisierungsbem\u00fchungen und gemeinsame Datenmodelle k\u00f6nnen allerdings dieses R\u00fcckgrat der intelligenten Fabrik noch weiter st\u00e4rken. Durch die Bereitstellung von Teilmodellen f\u00fcr spezifische Arten von Anwendungen kann der Bedarf an Eingriffen durch den Menschen noch weiter reduziert werden. In einer dienstbasierten Produktion kann zum Beispiel eine Orchestrierungsanwendung neu hinzugef\u00fcgte Ger\u00e4te und ihre F\u00e4higkeiten auf Grundlage eines Teilmodells des Dienstes automatisch erkennen.<\/p>\n Durch die Einf\u00fchrung anwendungs- oder anwendungsfallspezifischer Teilmodelle l\u00e4sst sich die Infrastruktur weiter ausbauen und anpassen. So kann leicht auf unvorhergesehene \u00c4nderungen reagiert werden. Weitere Informationen dar\u00fcber, wie Wandelbarkeit beispielsweise in der aktuellen Pandemie hilfreich sein kann, sind in diesem<\/a> Blog-Beitrag zu finden.<\/p>\n Das Fraunhofer IESE erforscht in BaSys 4.2 die Verwaltungsschale und die Industrie 4.0-IT-Infrastruktur. In diesem Projekt wird Eclipse BaSyx<\/a> als eine Open-Source-Middleware entwickelt, die einen schnellen Einstieg in die Welt von Industrie 4.0 erm\u00f6glicht. Mit ihrer Verwaltungsschale unterst\u00fctzt sie den zuk\u00fcnftig standardisierten Digitalen Zwilling. Au\u00dferdem bietet sie viele Komponenten, die eine einfache Umsetzung von Industrie 4.0 m\u00f6glich machen.<\/p>\n <\/p>\n In Kooperation mit NetApp und objective partner ist ShopFloor 4.0<\/a> die kommerzielle Version der L\u00f6sung, die umfassende Support-Pakete und einsatzbereite L\u00f6sungen bietet.<\/p>\n <\/p>\n Zus\u00e4tzlich f\u00f6rdert<\/a> das Bundesministerium f\u00fcr Bildung und Forschung (BMBF) <\/em>Projekte, die konkrete L\u00f6sungen mit BaSyx umsetzen wollen.<\/p>\n <\/p>\n ___________________________________________________________________<\/p>\n <\/p>\n Sie wollen mehr zu den Industrie 4.0, Digitalen Zwillingen und unserer dienstbasierten Industrie 4.0-Architektur \u00bbBaSys 4\u00ab als Enabler f\u00fcr die flexible Produktion in der Industrie 4.0 erfahren?<\/p>\n <\/p>\n Besuchen Sie unsere Fokusthema \u00bbDigitaler Zwilling<\/a>\u00ab<\/p>\n <\/p>\n <\/p>\n Bei weiteren Fragen oder Anmerkungen freuen wir uns au\u00dferdem \u00fcber Ihre Kontaktaufnahme unter: frank.schnicke@iese.fraunhofer.de<\/a> oder thomas.kuhn@iese.fraunhofer.de<\/a><\/p>\n<\/div>\n [1] International Electrotechnical Commission. \u201eIEC 62264-1 Enterprise-control system integration\u2013Part 1: Models and terminology.\u201c IEC, Genf (2003).<\/p>\n [2] Glaessgen, Edward, and David Stargel. \u201eThe digital twin paradigm for future NASA and US Air Force vehicles.\u201c 53rd AIAA\/ASME\/ASCE\/AHS\/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference 20th AIAA\/ASME\/AHS Adaptive Structures Conference 14th AIAA. 2012.<\/p>\nAnforderungen an eine Industrie 4.0-IT-Infrastruktur, die Digitale Zwillinge unterst\u00fctzt<\/strong><\/h2>\n
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Verwaltungsschalen als standardisierte Digitale Zwillinge<\/strong><\/h2>\n
![\"Verwaltungsschale](\"https:\/\/www.iese.fraunhofer.de\/blog\/wp-content\/uploads\/2020\/10\/Verwaltungsschale.jpg\")
Abbildung 1 \u2013 Die Verwaltungsschale umschlie\u00dft ein Asset und bietet \u00fcber Teilmodelle einen einheitlichen Zugriff auf seine Eigenschaften.<\/p>\nAufbau der Industrie 4.0-IT-Infrastruktur mithilfe von Verwaltungsschalen<\/strong><\/h2>\n
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![\"Digitaler](\"https:\/\/www.iese.fraunhofer.de\/blog\/wp-content\/uploads\/2020\/10\/Bild2.jpg\")
<\/p>\n![\"Digitaler](\"https:\/\/www.iese.fraunhofer.de\/blog\/wp-content\/uploads\/2020\/10\/Bild3-2.jpg\")
<\/p>\nAnpassung der Infrastruktur f\u00fcr Digitale Zwillinge im Hinblick auf Erfolg<\/strong><\/h2>\n
![\"Digitaler](\"https:\/\/www.iese.fraunhofer.de\/blog\/wp-content\/uploads\/2020\/10\/teaser_m-virtual_engineering-iese_2-150x150.jpg\")
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