RAMI 4.0 Standardisierung für Industrie 4.0

Die Voraussetzung für die Interoperabilität in einer Industrie 4.0 sind global gültige Normen und Standards. Deshalb wurde das Referenzarchitekturmodell für Industrie 4.0 entwickelt, um die Systemumgebung zu beschreiben. Dieses Papier gibt eine erste strukturierte Übersicht über Entwicklungen zum Thema Industrie-4.0-Standardisierung.

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Unsere Welt befindet sich in einem digitalen Umbruch, der alle Bereiche der Industrie durchdringen und verändern wird. Dabei steht der Begriff Industrie 4.0 für die vierte industrielle Revolution. Eine der Grundvoraussetzungen ist die Interaktion technischer Gegenstände untereinander sowie die Anwendungsintegration von Cloud-basierten Plattformen. Dieses Umdenken in einer neuen digitalen Welt erfordert eine konsequente Vernetzung mit vielen Möglichkeiten der virtuellen Repräsentation der realen Welt.

Voraussetzung für das erfolgreiche Zusammenarbeiten ist die Interoperabilität der miteinander agierenden Komponenten. Dafür sind Normen und Standards notwendig, die sowohl ein gemeinsames Verständnis der auszutauschenden Daten als auch die Regeln der Interaktion vereinbaren. Für die global agierende und exportorientierte deutsche Industrie ist die Festlegung von technischen Anforderungen in global gültigen Normungssystemen von besonderer Bedeutung. Ziel ist es, Schritt für Schritt alle für die einheitliche technische Funktion und Anwendbarkeit wesentlichen Festlegungen in internationalen Normen zu verankern. Die relevanten Ziel-Normungsorganisationen sind hier insbesondere IEC und ISO.

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Referenzarchitektur wird nötig

Das Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0) und die Industrie-4.0-Komponente bilden somit die Kernbausteine von Industrie 4.0 und dienen gemeinsam als Grundlage für die Entwicklung vernetzter Produkte und Services, basierend auf neuen Geschäftsmodellen [1].

Im breiten Umfeld industrieller Anwendungen existieren bereits unterschiedliche heterogene Softwarewerkzeuge, partielle Modelle und autonom agierende Lösungsansätze. Um die Wertschöpfungsketten horizontal und vertikal vollständig zu integrieren sowie um einen durchgängigen Datenfluss innerhalb der Prozessketten zu sichern, muss die gesamte Systemumgebung basierend auf weltweit anerkannten Normen und Standards umfänglich beschrieben werden. Daraus ergibt sich als eine der zentralen Aufgaben dieses Zukunftsthemas die Notwendigkeit, das Referenzarchitekturmodell für Industrie-4.0-Anwendungen zu entwickeln.

Dazu wurde im September 2015 von Mitgliedern der Plattform Industrie 4.0 das Projekt „DIN SPEC 91345 Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0“ ins Leben gerufen. Bereits im April 2016 konnte der technische Bericht verabschiedet und veröffentlicht werden [2]. Das RAMI 4.0 sichert die Interoperabilität im Anwendungsfall durch eine schlüssige und vollständige Beschreibung des gesamten Lösungsraumes technischer Assets von ihrer Entwicklung, der Produktion über die Nutzung und Wartung bis hin zur Herausnahme aus dem Markt.

Dreidimensionales Modell stellt Industrie-4.0-Lösungsraum dar

Einer der grundlegenden Gedanken zur Referenzarchitektur von Industrie 4.0 ist das Zusammenführen unterschiedlichster Aspekte in einem gemeinsamen Modell. Dieses dient der Orientierung zur systematischen Herangehensweise und ist für die erfolgreiche Umsetzung von Industrie 4.0 in verschiedenen Unternehmen und unterschiedlichen Branchen notwendig.

Eine Referenzarchitektur beschreibt die Struktur eines Systems mit seinen Elementtypen, deren Strukturen und Interaktionstypen untereinander und mit ihrer Umgebung. Grundlegende Konzepte oder Eigenschaften werden definiert und bilden somit zusammen mit seinen Komponenten und deren Zusammenspiel den Rahmen für die Entwicklung, Strukturierung und Einordnung relevanter technischer Systeme.

RAMI 4.0 ist ein dreidimensionales Referenzarchitekturmodell zur Darstellung des Industrie-4.0-Lösungsraumes (Bild 2). Darin können Anwendungsfälle sowie deren Normen und Standards in den drei Achsen Produktlebenszyklus, funktionale Hierarchie und Architekturhierarchie verortet werden. Entlang dieser festgelegten Achsen können so alle relevanten Informationen und Aspekte eines Industrie-4.0-Systems klar strukturiert, eindeutig festgelegt und transparent dargestellt werden.

Struktur von RAMI 4.0

Auf der rechten horizontalen Achse ist die Architekturhierarchie abgebildet. Sie dient der funktionalen Einordnung eines Anwendungsfalls in die formale Struktur technischer Assets. Im Einzelnen sind das die Produkte die Betriebsmittel, gegliedert in ihre unterschiedlichen Funktionalitäten innerhalb einer Fabrik, sowie die miteinander vernetzte Welt außerhalb der Fabrik.

Auf der linken horizontalen Achse ist die Zeitachse des Lebenszyklus abgebildet. Die Eigenschaften eines technischen Assets können also je nach Phase des Lebenszyklus unterschiedlich sein. Eine Instanz ist vergleichbar mit einer Kopie des deklarierten Typs für einen speziellen Anwendungsfall mit spezifischen funktionellen Anforderungen. Mit Beginn der Fertigung eines Produkts werden dem digitalen Typ bei der Instanzdeklaration funktionale Eigenschaften zugewiesen.

Auf der vertikalen Achse wird die funktionale Hierarchie eines technischen Assets abgebildet. Über der eigentlichen Asset-Schicht befindet sich zur Umsetzung einer virtuellen Repräsentation die Integrationsschicht. Sie sichert den Zugriff der Informationssysteme auf die Eigenschaften der physischen Assets. Die Kommunikationsschicht enthält Protokolle zur Übertragung von Daten und dient als Bindeglied zwischen der Integrationsschicht und Informationsschicht. Die Informationsschicht beinhaltet eine Beschreibung aller notwendigen funktionsbezogenen Daten und Dienste von technischen Assets sowie die Semantik als gemeinsame Sprache und ist damit Quelle und Ziel der zu übermittelnden Daten. Die Funktionsschicht enthält alle formal beschriebenen Funktionen und in der Geschäftsschicht ist der relevante Geschäftsprozess abgebildet.

Der „Baumarkt“ für Industrie-4.0-Anwendungen

Das RAMI 4.0 beschreibt die wesentlichen Elemente eines technischen Gegenstandes mithilfe eines dreidimensionalen Schichtenmodells. Der Nutzen eines Referenzarchitekturmodells besteht in der

• Einordnung der Assets des Produktionsszenarios,

• Positionierung innerhalb der Referenzarchitektur,

• Erkennung von Zusammenhängen und speziellen Herausforderungen,

• Vereinfachung durch Aufteilung,

• Einordnung von bestehenden Technologien,

• Verortung relevanter Standards und Normen,

• Kommunikation mit Partnern durch gemeinsame Terminologie.

Die Funktionsweise des RAMI 4.0 kann anhand eines Baumarktes gut erklärt werden: Der Baumarkt hat sich auf Materialien für Heimwerker spezialisiert und sortiert seine verschiedenen Produktgruppen, wie Werkzeuge und Nägel, Farben und Tapeten, Holz und Baustoffe, in unterschiedlichen Gängen und Regalen. Je nach Anforderungsfall entnimmt der Kunde dann die für das individuelle Projekt benötigten Produkte aus den einzelnen Regalen in den Gängen und stellt sich so individuell seinen Warenkorb zusammen. Analog funktioniert die Zuordnung eines technischen Assets und der benötigten Standards zu den drei Achsen im einzelnen, individuellen Industrie-4.0-Anwendungsfall.

Industrie-4.0-Komponente

Ein weiteres wichtiges Element ist die generische Beschreibung des Modells der Industrie-4.0-Komponente. Diese stellt eine Spezialisierung eines cyberphysischen Systems dar und beschreibt, wie aus einem realen technischen Asset durch eine virtuelle Verwaltungsschale eine weltweit eindeutig identifizierbare und kommunikationsfähige Industrie-4.0-Komponente wird.

Die Verwaltungsschale ist die virtuelle digitale und aktive Repräsentanz eines Assets in einem Industrie-4.0-System. Sie und ihre Objekte können innerhalb eines der Assets als eingebettetes System enthalten sein oder aber in ein oder mehrere übergeordnete IT-Systeme verteilt werden. Zudem enthält sie das Manifest und den Komponenten-Manager. Das Manifest ist ein eindeutig aufzufindendes Inhaltsverzeichnis mit allen Informationen, Daten und Funktionen der Verwaltungsschale. Der Komponenten-Manager hingegen organisiert die Adressierung und Identifikation und sichert die Verbindung zu den IT-technischen Diensten der Industrie-4.0-Komponente.

Eine Industrie-4.0-Komponente umfasst aus logischer Sicht einen oder mehrere Gegenstände und eine Verwaltungsschale. Das Konzept sieht vor, dass eine solche Komponente andere Komponenten logisch umfassen, als Einheit agieren und für ein übergeordnetes System logisch abstrahieren kann. dadurch ist es möglich, dass einer Industrie-4.0-Komponente (zum Beispiel einer ganzen Maschine) andere Industrie-4.0-Komponenten logisch zugeordnet werden (zum Beispiel Bauteile einer Maschine), sodass sich eine (temporäre) Schachtelung ergibt.

Der Zustand einer Industrie-4.0-Komponente ist von anderen Teilnehmern einer Industrie-4.0-konformen Kommunikation immer abrufbar. Die Verwaltungsschale ist das Interface zwischen der Industrie-4.0-Kommunikation und dem Asset und folgt einem definierten Zustandsmodell. Sie ist im Netzwerk eindeutig identifizierbar und ihre physischen Gegenstände werden mittels eindeutiger Identifizierungsmerkmale identifiziert.

Verwaltungsschale

Die Verwaltungsschale ist der Datenspeicher aller Informationen zum Asset, wie beispielsweise Konstruktionsdaten, Betriebsanleitungen oder Handbücher. Eine Vielzahl dieser Informationen wird von den Herstellern bereitgestellt. Diese können wiederum von Dienstleistern oder Betreibern von Maschinen, Anlagen und Fabriken um wichtige weitere Informationen ergänzt werden. Außerdem stellt die Verwaltungsschale zusätzliche Funktionen bereit, wie Planung, Projektierung, Konfiguration, Bedienung, Wartung oder komplexe Funktionen der Geschäftslogik. Die Verwaltungsschale fungiert somit als Datenbank über den gesamten Produktlebenszyklus eines Assets.

Die Verwaltungsschale enthält mindestens den Komponenten-Manager sowie das Manifest zur Verwaltung und setzt sich aus Header und Body zusammen. Der Header trägt Informationen zur Identifikation und Bezeichnung des konkreten Assets im Industrie-4.0-System und enthält Informationen zur Verwaltung und Verwendung des Assets. Der Body beinhaltet den Komponenten-Manager, der die zueinander abgegrenzten Teilmodelle mit ihren Merkmalen und Funktionen aus verschiedenen Domänen verwaltet. Jedes Teilmodell enthält dabei strukturierte Merkmale, die wiederum auf in unterschiedlichen Datenformaten vorliegende Funktionen zugreifen. Die Basismerkmale umfassen ein Minimum an Merkmalen, die für Assets unerlässlich zur Verfügung stehen.

Teilmodelle

Ziel der Teilmodelle ist es, Komponenten, Baugruppen, Geräte, Maschinen und Anlagen unterschiedlicher Typen und Hersteller zu vernetzen, um die Interoperabilität in der Wertschöpfungskette zu sichern. Die Teilmodelle beinhalten dabei die mit Hilfe der Verwaltungsschale definierte semantische Beschreibung der auf der vertikalen Achse des RAMI 4.0 verorteten technischen Assets. Die Aufgabe der Teilmodelle ist dabei die Beschreibung der zu nutzenden Merkmale mit ihren Strukturen sowie ihren vernetzten Daten- und Funktionsobjekten.

Die Merkmale müssen, basierend auf den Vorgaben der Industrie-4.0-Referenzarchitektur, inhaltlich erarbeitet und final orchestriert werden. Merkmale, die für alle Verwaltungsschalen verpflichtend und standardisiert sind, werden als Basismerkmale bezeichnet. Darüber hinaus können für einzelne technische Assets sowohl permanent bereitzustellende Pflichtmerkmale als auch optional zu nutzende Merkmale definiert werden. Die Verwaltungsschale soll dabei Merkmale aus unterschiedlichsten Merkmalsmengen und Domänen aufnehmen und voneinander differenzieren können. Einzelne Merkmale müssen unabhängig voneinander mit einer Version versehen und gepflegt werden können.

Dieser Ansatz der Standardisierung durch Industrie 4.0 bietet den Anwendern die Möglichkeit, die Entwicklung von neuen technischen Systemen branchen- und sektorübergreifend zu nutzen. Die Verwaltungsschale muss dabei so gestaltet sein, dass eine geeignete Abbildung zwischen unterschiedlichen Teilmodellen und Merkmalsmengen realisiert werden kann. Dadurch können bestehende Merkmalsmengen auch in unterschiedlichen Domänen genutzt werden. Vorteile für den Anwender ergeben sich zum Beispiel bei der Inbetriebnahme und Integration von Maschinen und Anlagen in eine bestendende Fabrikumgebung.

Semantik und Interaktion

Anwendungsszenarien für Industrie-4.0-Systeme sind stets durch eine hohe Flexibilität, Anpassbarkeit und Autonomie der beteiligten Komponenten während des operativen Betriebs gekennzeichnet. Die wirksame und sichere Kooperation zwischen den einzelnen Verwaltungsschalen der Industrie-4.0-Komponenten orchestrieren letztendlich die Wertschöpfungsketten in einem solchen System. Dafür benötigen sie eine gemeinsame, auf Interaktionsmustern basierende Sprache. Sie setzt sich aus einem Vokabular und dafür definierter Grammatik zusammen, deren Inhalte und Auswirkungen semantisch eindeutig beschrieben werden müssen [5].

Industrie-4.0-Komponenten tauschen Nachrichten aus, welche auf ihr Verhalten einwirken können. Die Nachrichtenelemente sind Teil einer für Interaktionen notwendigen Basis-Ontologie und verschiedener Domänen-Ontologien. Die Inhalte der Ontologie sind im Manifest der Industrie-4.0-Komponente verzeichnet. Die Ontologien sind im Industrie-4.0-System bekannt und eindeutig. Sie können auf Taxonomien beziehungsweise Merkmalkatalogen basieren oder bei Notwendigkeit weitere technologische Konzepte nutzen.

Eine solche Spezifikation legt einen Schwerpunkt auf Interaktionen, um Verhandlungen vorzunehmen und um anwendungsbezogene Funktionalitäten zu nutzen, die in Teilmodellen enthalten sind. Als Interaktion wird die Kombination von Zustandsübergängen wenigstens zweier Systeme bezeichnet, bei der die Ausgabenachrichten eines Systems (Sender) die Eingabenachrichtenwerte des weiteren Systems (Empfänger) darstellen. Diese Beschreibung legt nicht fest, welche Industrie-4.0-Komponenten welche Interaktionen anzubieten haben. Sie legt aber fest, wie die Interaktionen ablaufen, wenn die entsprechende anwendungsbezogene Funktionalität angeboten werden soll

Zusammenfassung

Innovationen gelten als Ursprung und maßgeblicher Treiber dieser wirtschaftlichen Umwälzung. Sie sind die Grundlage für neue Produkte und Dienstleistungen oder dienen zur Straffung und effizienteren Ausgestaltung bestehender Prozesse. Das grundlegende Ziel für kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) ist die Nutzung der bestehenden Normungslandschaft als Grundlage sowie die rasche Umsetzung der im Rahmen der-Industrie 4.0-Strategie neu entwickelten Normen und Standards. Gerade aber diese Unternehmen haben es häufig schwer, im Bereich der Normung Schritt zu halten, sich adäquat in den Normungsprozess einzubringen und diese zeitnah umzusetzen.

Die digitale Transformation bietet gleichermaßen Chancen, birgt aber auch neue Risiken. Dieses Papier gibt eine erste strukturierte Übersicht über Entwicklungen zum Thema Industrie-4.0-Standardisierung. Die beschriebenen Informationen dienen als Orientierung und vermitteln einen groben Überblick. Tiefere Einblicke sowie eine Grundlage für eine schrittweise Annäherung und stufenweisen Einführung neuer Industrie-4.0-Technologien kann Ihnen das Buch „Industrie 4.0: Potenziale erkennen und umsetzen“ vermitteln [6]. Noch ist der Weg von Industrie 4.0 nicht vollständig zurückgelegt; dass es der richtige Weg – auch für mittelständische Unternehmen – ist, kann kaum bezweifelt werden.

Literatur:

[1] Umsetzungsstrategie Industrie 4.0: Ergebnisbericht der Plattform Industrie 4.0. Berlin: Bitkom, Frankfurt am Main: VDMA, ZVEI, April 2015.

[2] DIN SPEC 91345:2016-04 Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI4.0). Berlin: Beuth Verlag, April 2016.

[3] Struktur der Verwaltungsschale, Fortentwicklung des Referenzmodells für Industrie 4.0-Komponeneten, Ergebnispapier. Berlin, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), April 2016

[4] Industrie 4.0. Kommunikation mit OPC UA. Leitfaden zur Einführung in den Mittelstand. Frankfurt am Main: VDMA, Lemgo: Fraunhofer-Anwendungszentrum Industrial Automation (IOSB-INA). 2017.

[5] Weiterentwicklung des Interaktionsmodells für Industrie-4.0-Komponenten, Diskussionspapier. Berlin: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), November 2016.

[6] Schulz, Thomas [Hrsg.]: Industrie 4.0: Potenziale erkennen und umsetzen. Würzburg: Vogel Business Media, 378 Seiten, 2017

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal MM-Maschinenmarkt erschienen.

* Thomas Schulz ist Channel Manager Central and Eastern Europe im Bereich GE Digital bei General Electric in 60313 Frankfurt am Main

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