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Digitaler Zwilling im SAP-Rechenzentrum in St. Leon-Rot? Es scheint fast so auf dieser Aufnahme, aber noch sind wir nicht (ganz) so weit. Der hier vorgestellte Ansatz beleuchtet vielmehr einen Trend in der Praxis, für Produktionsanlagen, Kraftwerke oder einzelne Maschinen einen digitalen Zwilling zu generieren, der mit Software geplant, simuliert und virtuell getestet wird. - Bild: SAP

Einen Paradigmenwechsel markiert Industrie 4.0; die klassische Automatisierungspyramide hat ausgedient. Stattdessen entstehen Netzwerke aus autonom agierenden cyberphysischen Systemen – also intelligente, miteinander gekoppelte Anlagen, Komponenten, Module und Maschinen, die sich selbst steuern. Außerdem verschmelzen betriebswirtschaftliche und fertigungsbezogene IT-Prozesse.

Im Rahmen dieser Transformation stehen die Unternehmen vor der Aufgabe, ihre Prozesse und Geräte nahtlos aufeinander abzustimmen. Nur wenn die Maschinen, Module und Komponenten der verschiedenen Hersteller in Einklang miteinander sind, entsteht ein hocheffizienter Prozess-, Daten- und Monitoring-Kreislauf.

Das Plattform-Dilemma

Insbesondere Anlagen- und Komponentenhersteller entwickeln derzeit eigene Industrie-4.0-Plattformen. Für die Betreiber heißt das: Sie erhalten von jedem Anbieter eine eigene IT-Plattform. Diese sind untereinander allerdings nicht kompatibel, was ein übergreifendes Monitoring aller Anlagen und einen einheitlichen Betriebs- und Instandhaltungsprozess verhindert.

Ein Beispiel: Ein Hersteller bietet für eine seiner Maschinen ‚Predictive Maintenance‘ an, also eine vorausschauende Wartung. Die Strukturen für diese Maschine werden aber sowohl im Servicesystem des Herstellers als auch im Instandhaltungssystem des Betreibers abgebildet – und zwar jeweils unterschiedlich. Zudem weichen beide von der tatsächlichen physischen Gestalt der Anlage ab. Das ist fatal. Denn um den Mehrwert von Predictive Maintenance auszuschöpfen, müssen sich Muster eindeutig identifizieren und den relevanten Ersatzteilen zuordnen lassen.

Außerdem muss bei einem Fehler klar sein, welches Bauteil gerade betroffen ist und wie dieses ausgetauscht werden kann. Dafür ist es erforderlich, Zusammenhänge herzustellen – zwischen den Zeitreihen- und den Strukturdaten, zwischen dem Muster und dem Ersatzteil. Es braucht also im Instandhaltungssystem des Betreibers und im Servicesystem des Herstellers identische Daten.

Zielsetzung: Vereinheitlichung der Daten

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Die größten Herausforderungen beim Internet der Dinge entstehen in der Instandhaltung und auf der Automatisierungsebene. - Bild: Geralt/Pixabay

Alle Teilnehmer der Wertschöpfungskette benötigen dieselben Daten in ihren unterschiedlichen produktionsnahen IT-Systemen – der Anlagenbetreiber für seine Instandhaltung, der Hersteller für seinen Service, der Lieferant für seine Komponenten und der Serviceprovider für Installationen, Wartungen und Reparaturen. Die größten Herausforderungen entstehen dabei in der Instandhaltung und auf der Automatisierungsebene.

Problemfeld Instandhaltung: Hersteller pflegen ihre Systeme heute meist noch manuell, oft sind diese außerdem nicht miteinander verknüpft. Wenn ein Servicetechniker beispielsweise eine Komponente austauschen will und das richtige Ersatzteil nicht dabei hat, ersetzt er es häufig durch ein anderes Bauteil mit entsprechender Funktion. Die Änderung wird im System nicht nachgetragen; die Anlage und ihr digitales Abbild sind nicht mehr identisch. Diese mangelnde Transparenz erschwert durchgängige Industrie-4.0-Prozesse.

Problemfeld Automation: Gerätehersteller sind verpflichtet, verschiedenste Kommunikationsstandards zu unterstützen – je nach regionalem Standort oder Branche herrschen unterschiedliche serielle Feldbusse sowie ethernetbasierte Echtzeit-Systeme vor. Die Zertifizierung erfolgt durch Feldbus-Organisationen. Das kann Probleme aufwerfen, beispielsweise wenn Bewertungen auf Basis subjektiver Urteile oder nicht klar definierter Kriterien erfolgen.

Tatsächlich reicht das Spektrum von eher praxisfernen Zertifizierungsbestimmungen bis hin zu Plugtests, mit denen die Interoperabilität in produktionsnahen Betrieben überprüft wird. Der Einfluss der entsprechenden Steuerungshersteller durch deren technische Ausprägung und Positionierung im Wettbewerb wirkt sich ebenfalls stark auf die Kommunikationssysteme aus.

Hinzu kommt, dass bei der Konzeption von Komponenten unterschiedliche Standards zu berücksichtigen sind und damit auch unterschiedliche Leistungsdaten und Funktionalitäten. Je nach Standard ist die Darstellung von Gerätediagnosen enorm unterschiedlich. Das verzögert Wartungen und wirkt sich damit unmittelbar auf die Gesamtanlagen-Effektivität aus.

Ethernet-Kommunikation ist für die Inbetriebnahme neuer Anlagen selbstverständlich. Aber die bestehenden Feldbusse müssen beim unternehmensweiten Rollout von Industrial-Internet-of-Things (IIoT)- und Industrie-4.0-Konzepten eben doch berücksichtigt werden. Und diese werden auf absehbare Zeit immer noch mehrheitlich auf serieller Kommunikation basieren. Die Kosten der Konfiguration, Instandhaltung und Wartung von Feldgeräten wie Sensoren oder Aktoren werden wesentlich von den dafür zur Verfügung stehenden Engineering-Werkzeugen bestimmt.

Weil die entsprechenden Standards bisher jeweils durch den Steuerungshersteller definiert wurden, unterscheiden sich Darstellung und Beschreibung der Komponenten in den jeweiligen Werkzeugen. Außerdem können Geräte- oder Komponentenhersteller nicht selbst auf ihre im Feld installierten Geräte zugreifen, was deren Möglichkeiten zur Positionierung eigener Software-Produkte signifikant einschränkt.

Aber auch was die Semantik betrifft, braucht es durch Industrie 4.0 ein Umdenken: Auf allen Ebenen der Referenzarchitektur ist es erforderlich, dass sich die an der Wertschöpfung beteiligten Unternehmen auf die zu verwendende Semantik einigen. Die operativen Daten aus Sensoren und Aktoren müssen durch Informationen ergänzt und verfügbar gemacht werden. Die Produktentwicklung muss also in Zukunft mehr als nur die heute verfügbare Dokumentation auf der Ebene von Engineering-Werkzeugen und PLM-System bereitstellen.

Darüber hinaus braucht es vereinfachte, offene Modelle der Zusammenarbeit im gesamten Ökosystem IT/OT. Nur dann kann eine echte Kooperation vom Produktlieferanten oder Maschinenbauer über den Integrator bis hin zum Anlagenbetreiber entstehen.

Ein Lösungsansatz

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Das Internet der Dinge. - Bild: Pixabay

Wie lassen sich die genannten Herausforderungen der Betreiber und Hersteller meistern? Eine Lösung zeichnet sich mittels durchgängiger Wertschöpfungsnetzwerke ab: SAP etwa bietet mit dem ‚SAP Asset Intelligence Network‘ ein Wertschöpfungsnetzwerk für Assets an, also für die Anlagengüter auf dem Shopfloor mit Sichten des sekben Assets für Betreiber und Hersteller.

Das Netzwerk verknüpft sämtliche Geschäftspartner und deren betriebswirtschaftlichen Prozesse und Systeme. Eine Kooperation mit Hilscher und Pepperl+Fuchs ermöglicht es, das SAP Asset Intelligence Network darüber hinaus mit der Automatisierungsebene zu verbinden. Es sind also keine aufwendigen punktuellen Integrationen erforderlich.

Die Vernetzung zwischen Shopfloor-Ebene und SAP Asset Intelligence Network bewerkstelligt in diesem Falle das ‚Hilscher netIOT Edge Gateway‘. Über dieses Gateway lassen sich Informationen bidirektional zwischen der Sensorebene und der virtuellen Darstellung im Netzwerk übermitteln.

Die zusammengeschlossenen Busteilnehmer werden automatisch ‚gescannt‘ und ihre entsprechenden virtuellen Zwillinge generiert beziehungsweise auf dem neuesten Stand gehalten. Darüber hinaus lässt sich jedes Gerät während des Betriebs vom Netzwerk aus ansteuern und mit Konfigurations- oder anderen Daten versorgen.

Mit Hilfe der SmartBridge-Technologie von Pepperl+Fuchs können Daten von Sensoren oder Aktoren ohne Bus-Konnektivität direkt oder über das Edge-Gateway in das SAP Asset Intelligence Network übertragen werden.

Neues Paradigma in der Fertigung

Business- und Automationsebene wachsen zunehmend zusammen. Das SAP Asset Intelligence Network fungiert dabei als Datendrehscheibe. Aber auch wenn beide Ebenen ein gemeinsames Netzwerk teilen, haben sie doch unterschiedliche Anforderungen. Die Echtzeitdaten aus dem Shopfloor müssen auf der Ebene der Sensorik und der Edge Gateways weiter verdichtet werden, um für die heutigen Geschäftsprozesse verwertbar zu sein.

Die Rolle der CPS

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Der stets aktuelle digitale Zwilling im SAP Asset Intelligence Network und die einheitliche Struktur ermöglichen es Betreiber und auch Hersteller, jedes Bauteil einer Anlage detailliert nachzuverfolgen. - Bild: Pixabay

Cyberphysische Systeme (CPS) verändern künftig die klassische Automatisierungspyramide. Es entsteht eine CPS-basierte Automation, unterstützt von intelligenten Komponenten und Geräten auf Sensor-Ebene. Was genau ist ein Cyberphysisches System? Es ist eine Maschine beziehungsweise Anlage, die ihre aggregierten Shopfloor-Daten innerhalb einer serviceorientierten Architektur mithilfe einer domänenspezifischen Semantik an die zugeordneten Geschäftsprozesse koppelt.

Innerhalb einer solchen IP-fähigen, vernetzten Architektur kann die Sensorik als Industrie-4.0-Komponente sowohl synchrone als auch asynchrone Dienste über eine physikalische Schnittstelle bedienen. Die Unterstützung asynchroner Dienste – wie Diagnose und Parametrierung – ist wiederum eine wesentliche Voraussetzung für die Einbindung einer Anlage in SAP Asset Intelligence Network.

Die durchgängige Vernetzung

Die Wertschöpfung beginnt mit dem Konstruktionsprozess beim Anlagenhersteller. Für gewöhnlich wird eine Produktionsanlage mit Engineering- und Konfigurationswerkzeugen entwickelt und betrieben.

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Der digitale Zwilling in der Cloud: Bei ihm laufen in Zukunft die datentechnischen Fäden der Fertigungsanlage zusammen. - Bild: SAP

Entscheidend ist, dass der digitale Zwilling die Konfiguration beider Anteile exakt abbildet – und nicht nur die generellen Modell-Informationen. Dazu müssen alle relevanten Daten im Wertschöpfungsprozess erfasst werden.

Die zuständigen Lieferanten pflegen also alle sicherheits- und funktionsrelevanten Aspekte ihrer Bauteile im Netzwerk ein – inklusive spezifischer Eigenschaften sowie Besonderheiten im Herstellungsprozess und bei der Qualitätsprüfung. Beim Anlagenhersteller wird das Bauteil dann mit der Anlage verknüpft.

Spätestens wenn die Herstellung der Anlage abgeschlossen ist, werden die entsprechenden Anlagenstrukturen, die Besonderheiten im Produktionsprozess (beispielsweise Prüfprotokolle) sowie die komplette Anlagendokumentation (inklusive anlagenspezifischer Wartungs- und Instandhaltungsanleitungen) im SAP Asset Intelligence Network veröffentlicht.

Schließlich wird die Anlage ausgeliefert und beim Endkunden installiert. Dabei ist es wichtig, die tatsächlich installierte Struktur zu erfassen

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Die Herkules-Aufgabe: Alle für den Wertschöpfungsprozess der Anlage relevanten Daten müssen erfasst und aktuell gehalten werden. - Bild: SAP

Sind Serviceanbieter für Installation, Wartung oder Reparatur der Anlage verantwortlich, müssen auch sie die Daten entsprechend pflegen. Der stets aktuelle digitale Zwilling im SAP Asset Intelligence Network und die einheitliche Struktur ermöglichen es Betreiber und auch Hersteller, jedes Bauteil einer Anlage detailliert nachzuverfolgen.

So lassen sich Schwachstellen aufspüren und die Fertigungsleistung permanent verbessern. Voraussetzung dafür ist, dass alle relevanten Bauteile einer Anlage erfasst werden. Gemeint ist nicht jede Schraube. Aber in jedem Fall alle Komponenten, die sicherheitskritisch und damit für ein Monitoring relevant sind. Damit Komponenten erfasst werden können, ist deren eindeutige Identifikation zwingend

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Die Verwaltungsschalen des RAMI-Modells der Plattform Industrie 4.0 spielen eine Schlüsselrolle in dem Modell des digitalen Zwillings. - Bild: SAP

Nur so lassen sich Daten und Bauteile einander eindeutig zuordnen. Eine Identifikation kann entweder durch aktive Kommunikation mit der Komponente selbst erfolgen oder aber passiv durch Einscannen von auf den Bauteilen angebrachten Barcodes oder RFID-Tags.

Während der Installation einer Anlage identifiziert das Edge Gateway alle relevanten Komponenten und hinterlegt diese mit den zugehörigen Beschreibungsdaten im SAP Asset Intelligence Network. So lassen sich die Bauteile auch bei späteren Austauschprozessen eindeutig zuordnen und der digitale Zwilling der Anlage bleibt immer aktuell.

Das Edge Gateway ist in der Folge dafür zuständig, die real verwendeten elektronischen Bauteile und die gesamte Struktur mit ihrem digitalen Zwilling zu synchronisieren. Dies entspricht dem Ansatz der Referenzarchitektur für Industrie 4.0 (RAMI 4.0). Diese Architektur beinhaltet die Industrie-4.0-Komponente, die ein einheitliches Modell für die Beschreibung von Geräten und Komponenten bereitstellt. Das Erzeugen dieser Komponente entspricht dem Hinterlegen der virtuellen Entität im SAP Asset Intelligence Network.

Die Vorteile des Ansatzes

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Das RAMI-Modell der Plattform Industrie 4.0. - Bild: ZVEI

Der durchgängige Lösungsansatz führt zu einer höheren Verfügbarkeit der Produktionsanlage. Ersatzteile lassen sich schneller beschaffen. Weil deren jeweilige Struktur und Geometrie zur Verfügung stehen, können sie darüber hinaus auch rascher repariert werden. Unter dem Strich gibt es so weniger ungeplante Ausfälle.

Für Austausch und Reparatur ermöglicht das SAP Asset Intelligence Network unter anderem, eine gerade benötigte Firmware herunterzuladen. Darüber hinaus entfällt die manuelle Erfassung bei Änderungen der Anlage nahezu vollständig. Das senkt die Kosten.

Wie lässt sich die Automatisierungsanlage an ein solches Netzwerk technisch anbinden? Das Edge Gateway wertet als Busteilnehmer (Slave) die Kommunikation des Echtzeit-Netzwerks aus und ermittelt so die aktuelle Topologie. Da sich jeder Teilnehmer mit einer eigenen ID anmeldet, lassen sich im Netzwerk der Typ und die Instanz der Komponente ermitteln oder – falls noch nicht vorhanden – die Instanz neu anlegen.

Im Netzwerk müssen die Typinformationen und die Instanzen der Komponenten und Maschinen registriert werden. Die Typ- beziehungsweise Modellinformationen stammen dabei aus bestimmten Backend-Bereichen, beispielsweise Engineering-Werkzeugen, PLM- oder CRM-Systemen. Je nach individuellen Freigabeprozessen in der Produktentwicklung werden diese Daten zu den Typinformationen, die dann im Netzwerk als Basis für die Erzeugung der jeweiligen Instanzmodelle dienen.

Der freiwillige Austausch von Daten ist entscheidend für den Erfolg des Konzepts. Die Betriebsdaten gehören in letzter Konsequenz den Betreibern, bei denen die Daten anfallen. Darum entscheiden diese auch, welche Informationen die Hersteller sehen dürfen. Um ihnen für die Freigabe der Daten einen Anreiz zu geben, müssen die Hersteller ihren Kunden einen echten Mehrwert und entsprechende Dienste auf Basis dieser Daten liefern.

Eine Implementierung der Technologie auf der Grundlage vorhandener Standards ist bereits heute möglich. Die Plattform Industrie 4.0 bildet die Voraussetzung für semantische Standards und Protokolle, die es in einer offenen Architektur ermöglichen, Anlagen virtuell im SAP Asset Intelligence Network abzubilden.