Rund um Industrie 4.0 haben sich mittlerweile die unterschiedlichsten Initiativen gebildet. Das Ziel ist allen gemein: das Erkennen von Potenzial zur Optimierung von Produktionsabläufen und Individualisierung von Produkten bei gleichzeitiger Minimierung der Kosten. Eines der vieldiskutierten Themen in diesem Zusammenhang ist die Sicherstellung der Überschaubarkeit eines industriellen Systems inklusive dessen Stakeholder, Maschinen und Produkten. Mit diesem Fokus wurde das Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0) entwickelt.

Die SGAM-Toolbox: Ein Beispiel, wie interdisziplinäre Zusammenarbeit in komplexen Systemen funktionieren kann.

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Mit der Standardisierung von RAMI 4.0 soll grundsätzlich eine langfristige Etablierung einer Architekturbeschreibung der Fabrik der Zukunft sichergestellt werden. Allerdings: Für viele Anwender ist es heute noch eine Herausforderung, damit eine spezifische Aufgabenstellung zu beschreiben. Der Grund ist die unzureichende Dokumentation dieses Modells und das Fehlen von anschaulichen Referenzbeispielen. Dadurch ist zwar geklärt, wie die Grenzen von RAMI 4.0 und dessen Abstraktion ausschauen kann; für eine detaillierte Einordnung innerhalb der einzelnen Schichten sind jedoch kaum Spezifikationen vorhanden. Die Forschungsgruppe ‚Domain Specific Systems Engineering‘ (DSSE) an der FH Salzburg hat sich genau dieses Problems angenommen und eine Software entwickelt, die eine automatisierte Modell-Entwicklung von industriellen Systemen ermöglicht und dabei auf bekannte Technologien wie OPC UA, SysML oder Model Based Systems Engineering (MBSE)) setzt.

Mit der Entwicklung der SGAM-Toolbox hat man sich zwischen 2012 und 2017 eben jener Aufgabe der Modellentwicklung von komplexen Systemen im Smart Grid-Bereich angenommen. Bei der SGAM-Toolbox handelt es sich um ein Werkzeug, mit dem Aufgabenstellungen auf Basis des ‚Smart Grid Architecture Models‘ (SGAM) – die Mustervorlage für RAMI 4.0 – durchgängig modellierbar sind. Sie wurde vom Vorläufer der jetzigen Forschungsgruppe entwickelt und ist zurzeit mit Version 2.0 frei zum Download verfügbar. 

Zurückgreifen auf Bewährtes

Das Resultat der jahrelangen Verwendung dieser Toolbox und die Rücksprache mit Industriepartnern zeigen eindeutig: Interdisziplinäre Zusammenarbeit in komplexen Systemen lässt sich durch geeignete Werkzeugunterstützung erheblich vereinfachen.

Entscheidend dazu beigetragen hat, dass keine neuen Technologien entwickelt, sondern auf für den Anwender bereits bekannte und akzeptierte Methoden zurückgegriffen wurde. Von daher lag es nahe, diese erfolgreich angewandten Ansätze auf eine neue Domäne wie Industrie 4.0 anzupassen. Das Ergebnis ist die ‚RAMI 4.0 Toolbox‘. Entwickelt als Add-In der Modellierungssoftware ‚Enterprise Architect‘ von Sparx Systems vereint sie Methoden des Systems Engineering mit denen von Architekturbeschreibungen zur durchgängigen Entwicklung von Industrie-4.0-Systemen. Dabei werden drei Kernelemente identifiziert: Zum einen das Prozessmodell, welches Standards wie ISO 15288 oder ISO 42010 integriert und einen Entwicklungsprozess beschreibt. Zweitens die domänenspezifische Sprache, bestehend aus Modellen und Elementen, um die Eigen- und Besonderheiten von Industrie 4.0 genau erfassen zu können. Und drittens der Tool-Support, welcher den Anwender in Sachen Usability unterstützt.

Dekomposition von RAMI 4.0

Model Driven Architecture (MDA) liefert die Grundlage für die Abstrahierung von RAMI 4.0: Im Idealfall wird mit Hilfe dieses Ansatzes maschinenlesbarer Code direkt aus der Systemspezifikation erstellt.

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Um eine branchenübergreifende Anwendung des dreidimensionalen RAMI-4.0-Modells zu garantieren, muss dieses erst in seine Einzelteile zerlegt werden. Dabei helfen Methoden aus dem Bereich der Architekturentwicklung. Einen wichtigen Ansatz liefert hier die Model Driven Architecture (MDA). Dabei wird die gesamte Architektur in verschiedene Abstraktionsstufen unterteilt, je nach beschriebenem Sachverhalt. Zu diesem Zweck werden Modelle und Transformationen eingeführt. Ziel dabei ist es, ein Modell so zu übertragen, dass derselbe Inhalt für verschiedene Perspektiven aufbereitet wird. Angewandt auf RAMI 4.0 bedeutet dies, das System im ersten Schritt auf eine für den Endanwender verständliche Art zu beschreiben.

Wird etwa das Modell des Wertschöpfungsprozesses eines Schuhherstellers erstellt, so werden in dieser Phase alle beteiligten Geschäftsakteure wie Zulieferer oder Maschinenanbieter und ihre Wünsche beziehungsweise Anforderungen dargestellt. Somit lässt sich der Kontext des Systems modellieren, ohne dabei auf Details wie spezifische Fertigungsmaschinen oder Übertragungstechnologien einzugehen. Zu diesem Zweck kommen in der Regel verständliche Sprachen wie UML und deren Use-Case-Diagramm zur Anwendung.

Der ‚Business Layer‘ von RAMI 4.0 ­liefert die passende Vorgabe dafür, indem er als oberste Abstraktionsebene genau diese generische Beschreibung abbildet. Im ‚Function Layer‘ werden anschließend auf Basis der zuvor spezifizierten Anforder­ungen die Funktionen der jeweiligen ­Kom­ponenten dargestellt. Diese bilden die Grundlage für die Architektur des ­Systems, abgebildet auf den unteren Layern von RAMI 4.0. Dabei finden einzelne technische Spezifikationen wie Schnittstellen, Datenübertragung und die Modellierung der Komponente selbst statt. Am Ende wird maschinenlesbarer Programmcode generiert und kann mittels Round-Trip-Engineering ständig gewartet werden. Die grundlegende Idee hinter diesem ­Prozess ist die vollständige Automatisierung der technischen Infrastruktur aus dem zuvor formal beschriebenen System­entwurf.

Während MDA die grobe Einteilung liefert, kann mit Hilfe der ISO 42010 eine konkretere Architekturbeschreibung erfolgen. So werden im ersten Schritt die Stakeholder identifiziert. Diese haben unterschiedliche Interessen und Anforderungen an das System, welche anhand sogenannter ‚Concerns‘ dargestellt werden: Den Geschäftsführer interessieren beispielsweise ökonomische Faktoren, während der Netzwerk-Administrator Informationen über die IKT-Infrastruktur benötigt. Die ISO 42010 spezifiziert zu diesem Zweck ‚Views‘ und ‚Viewpoints‘. Um die unterschiedlichen Betrachtungen auf das System zu ermöglichen und dadurch die Bedürfnisse der Stakeholder zu befriedigen, werden verschiedene Arten von Modellen verwendet. Auf dem Business und Function Layer kommen hierbei Technologien wie UML-Use-Case-Diagramme oder die ‚Business Process Management Notation‘ (BPMN) zum Einsatz.

Damit sind die Zusammenhänge ­zwischen den einzelnen Akteuren oder der Fertigungsprozess selbst darstellbar. Für die detaillierte Betrachtung wird auf SysML, eine Sprache zur Beschreibung von hauptsächlich industriellen Systemen – wie beispielsweise die Maschinen der Fertigungsstraße selbst – zurückgegriffen, um im letzten Schritt mit Modellierungssprachen wie AutomationML detaillierte Design-Aspekte zu behandeln.

Bei der RAMI-4.0-Toolbox handelt es sich letztlich um ein Kollektiv aller Mittel und Methoden, die eine praktische Umsetzung von RAMI 4.0 ermöglichen. 

Die RAMI-4.0-Toolbox

Die drei Hauptbestandteile der Toolbox sind einerseits die domänenspezifische Sprache sowie die Modellierungsvorlagen und Referenzdaten, andererseits das Add-In zur Bereitstellung dieser Daten. Das Fundament der Toolbox wird durch Enterprise Architect (EA) repräsentiert. Sowohl die domänenspezifische Sprache als auch das Add-In sind von dessen Funktionalität abhängig. Dazu steht ein Setup zur Verfügung, welches die Toolbox in die jeweilige Installationsumgebung von EA integriert und deren Funktionsumfang erweitert. Generische UML-Diagramme werden dabei um domänenspezifische Elemente ergänzt und erlauben dadurch die Beschreibung der unterschiedlichen Modelle, spezifiziert auf den jeweiligen Ebenen von RAMI 4.0. Unterstützend dazu handelt es sich bei den Modellvorlagen um Demo-Modelle, welche die Eigenheiten und Besonderheiten jeder einzelnen Schicht von RAMI 4.0 demonstrativ als eine Art Tutorial darstellen, um den Einstieg in die Erstellung von Industrie-4.0-basierten Architekturen zu erleichtern. Diese Modelle sind in geringem Ausmaß mit nur wenigen Systemelementen gehalten, damit lediglich ein Durchstich durch das Beispiel gegeben ist, anhand dessen individuelle Modelle entstehen können. Außerdem besitzen sie Kommentare sowie Anleitungen zum korrekten Vorgang der Entwicklung.

Ein großer Vorteil von Enterprise Architect ist die individuelle Erweiterbarkeit durch programmiertechnische Steuerung. So bietet die RAMI-4.0-Toolbox verschiedenste Funktionen zur Automatisierung monotoner Aufgaben und Erfassung von Benutzereingaben. Dazu zählen unter anderem die Bewertung von Key-Performance-Indikatoren (KPIs) oder das automatische Anlegen von Verbindungselementen sowie deren Schnittstellen. Außerdem können einzelne Modelle als 3D-Modell zur besseren Übersichtlichkeit exportiert werden. Der so erhaltene hohe Grad an Usability bewirkt bei den Anwendern enorme Zeit- und Ressourceneinsparungen.

Der Entwicklungsprozess

Die Struktur der RAMI-4.0-Toolbox kann man sich anhand mehrerer Säulen vorstellen: Aufbauend auf Enterprise Architect (EA) wird deren Funktionalität erweitert und durch das Add-In zur Ver­fügung gestellt.

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Die Entwicklung eines komplexen industriellen Systems soll gut durchdacht sein. Das heißt: Ein eigens definierter Entwicklungsprozess steuert idealerweise die Strukturierung des Systems bis hin zur Adaption auf die zuvor erklärte Architekturbeschreibung von RAMI 4.0. Dabei werden die einzelnen Prozessschritte mit den Modelltransformationen von MDA verglichen. Zu diesem Zweck bietet sich der Standard ISO 15288 an, welcher die Lebensdauer von Systemen beschreibt. Neben unterschiedlichen Management-Prozessen, wie Ressourcen-, Risiko- oder Qualitätsmanagementprozesse, werden hier vor allem die technischen Prozesse verwendet. Zu diesen zählen unter anderem die Anforderungsanalyse, Architekturentwicklung und Implementation bis hin zum Evaluierungs- und Verwerfungsprozess.

Zusammengefasst wird somit im ‚Domain Specific Systems Engineering‘ (DSSE) die Erstellung des Systems in drei Phasen gesteuert. In der Systemanalyse-Phase erfolgt die Definition der Bedingungen und Abgrenzungen. Anschließend dient die Systemarchitektur-Phase zur Beschreibung der Komponenten als sogenannte ‚black boxes‘, um deren Zusammenhänge und Verbindungen aufzuzeigen. In der Design-Phase wird nun jede Komponente als ‚white box‘ dargestellt. Damit lassen sich die verschiedenen Zustände und Parameter jeder einzelnen Komponente erfassen.

Anwendungsbeispiele aus der Praxis

Die Sicherstellung der praktischen Anwendbarkeit der RAMI-4.0-Toolbox ist entscheidend für deren Verwendung. Mit anderen Worten: Es sollen industrielle Abläufe vereinfacht und kein zusätzlicher Overhead geschaffen werden. Aus diesem Grund wurden bereits mehrere industrielle Anwendungsfälle durchmodelliert – unter anderem die Entwicklung von in­dividuellen Schuhen in Losgröße 1 oder die Bereitstellung von intelligenten Schienen für U-Bahn-Strecken. Das Ergebnis dieser Anwendungsfälle steht online als durchklickbares Modell zur Verfügung.

Die ‚Blaupause‘ für die RAMI-4.0-Toolbox, die SGAM-Toolbox, findet bereits international Verwendung und kommt in einer Vielzahl an Projekten zur An­wendung. Für die RAMI-4.0-Toolbox gilt nun dieselbe Messlatte. Da es in diesem Bereich erst wenige Spezifikationen und Standards und noch viel weniger Erfahrung gibt, gilt es ständig Fortschritte aus Forschung und Wirtschaft zu evaluieren und die Toolbox um diese zu erweitern beziehungsweise darauf anzupassen. Zugute kommt hierbei ein agiler Entwicklungsprozess, welcher ständig durch einen Zyklus aus Entwicklung, Evaluierung und Anforderungsmanagement iteriert und somit stetig neue Ergebnisse integriert werden können.

Die aktuelle Version 0.5 der RAMI-4.0-Toolbox zeigt bereits, wie die Modellierung eines industriellen Systems aussehen kann. Dabei wird mit Partnern aus der Wirtschaft kooperiert und stetig an Optimierungen und der Integration von Standards gearbeitet. Die aktuelle und auch ältere Versionen der Toolbox sind ebenfalls online frei verfügbar und beinhalten den in den einzelnen Entwicklungsphasen erzielten Fortschritt. 

Ziel ist es, noch in 2018 eine Version 1.0 zu veröffentlichen und damit den ersten Schritt in Richtung einer unternehmensübergreifenden Verwendung zu gehen.

Autoren:
Christoph Binder ist Junior Researcher in der DSSE-Gruppe am Zentrum für sichere Energieinformatik (ZSE);
Christian Neureiter ist Gruppenleiter der DSSE-Gruppe am ­Zentrum für sichere Energie­informatik (ZSE);
Oliver Jöbstl ist Geschäftsführer von Success­factory Management ­Coaching.