SeRoNet-Demonstrator: Die Kommissionierungs­anlage wird die sensorgesteuerte, adaptive Warenentnahme ermöglichen.

© FZI Karlsruhe

Neben den technischen Informationen gehören zu praktisch jeder Komponente noch weitere allgemeingültige oder domänenspezifische Informationen wie bestehende Serviceverträge, Bezahlmodelle oder Garantiefristen. Deren Gesamtmenge kann umfangreich und heterogen sein. Die einheitliche Darstellung solcher Informationen in einer maschinenverarbeitbaren Form ist eine wichtige Aufgabe im Zuge der Industrie 4.0 und in SeRoNet. Sie wird durch die sogenannte ‚Verwaltungsschale‘ der Initiative ‚Plattform Industrie 4.0‘ ermöglicht. 

Ein zentrales Ergebnis dieser Initiative ist die Ende 2018 veröffentlichte Spezifikation ‚Verwaltungsschale im Detail‘ (VWSiD). Dort sind ein Metamodell der Verwaltungsschale, der digitalen Repräsentanz jedes Industrie-4.0-kompatiblen Assets – zum Beispiel Komponenten einer Anlage, ganze Fertigungssysteme, aber auch Werkstücke – sowie einige Abbildungen dieses Modells auf konkrete Technologien (aktuell XML und JSON) definiert. Weitere Abbildungen – etwa RDF oder auch OPC UA – sind angedacht beziehungsweise in Vorbereitung. Es ist jedoch nicht die Aufgabe der VWSiD-Spezifikation, die konkreten Inhalte von Verwaltungsschalen zu definieren. Dies ist, bedingt durch deren Vielfältigkeit, die Aufgabe dedizierter Organisationen/Gremien.

Modellierung und Standardisierung

In der Modellierung greift SeRoNet die Konzepte der Verwaltungsschale auf und leistet damit Vorarbeit für weitere Standardisierungsarbeiten, validiert die bisherigen Standardisierungsergebnisse in der Praxis und stellt damit die Zukunftsfähigkeit und Anwendbarkeit der Projekt-Ergebnisse in der Industrie sicher. So kann die einheitliche Komponentenmodellierung – insbesondere das technische Datenblatt – in die VWSiD-Form gebracht werden. Gleichzeitig sind weitere Beschreibungsmodelle für in der Servicerobotik oft verwendete Hardware- oder Softwarekomponenten definierbar. 

Das zentrale Ziel der Plattform robot one, und zwar das Auffinden möglichst geeigneter Komponenten zu einer Aufgabenstellung beziehungsweise das Zusammenführen passender Akteure, führt mittelfristig zu einer umfangreichen Datenbank, in der die Beschreibungen der Komponenten vorzugsweise in Form der Verwaltungsschalen vorgehalten werden. Innerhalb der Vermittlungsplattform wird dazu RDF, das ‚Resource Description Framework‘ des WorldWideWeb Consortium, verwendet. Eine Methode für die Abbildung des VWSiD-Metamodells auf RDF wird aktuell in SeRoNet in enger Abstimmung mit den Industrie-4.0-Gremien entwickelt und soll im Projekt evaluiert werden. 

Dadurch, dass OPC UA als anerkannter Industriestandard ein mächtiges Informations-Metamodell definiert, ist zu erwarten, dass zukünftig die Verwaltungsschalen oder zumindest Teilmodelle vieler Assets in OPC UA beschrieben werden. Dies betrifft insbesondere solche Assets, die gleichzeitig OPC-UA-Komponenten sind, also den Anforderungen der OPC UA Foundation an Schnittstellen und Informationsmodellen genügen. Mit SeRoNet entwickelte Komponenten sind automatisch solche OPC-UA-Kompo­nenten. Durch die Verwendung des ­standardisierten VWSiD-Metamodells wird es für robot one mit geringem Aufwand möglich sein, die im OPC-UA-­Format vorgehaltenen Komponenten­beschreibungen zu importieren. 

Um die Heterogenität aller potenziellen Assets abbilden zu können, bietet das VWSiD-Metamodell viele Freiheitsgrade in der Modellierung. Auch wenn diese Flexibilität notwendig ist, um alle denkbaren Szenarien abzubilden, lassen sich für spezifische Problemstellungen Einschränkungen definieren, um die Interoperabilität zu erhöhen. Für besonders wichtige und allgemeingültige Anwendungsfälle sind solche Einschränkungen in Form weiterer Standards oder Profile formalisierbar. In SeRoNet werden beispielsweise Vorschläge zur Abbildung von Hierarchien von Komponentenklassen erarbeitet und implementiert.

Semantisches Backend

Die robot-one-Plattform nutzt ein semantisches Backend zur strukturierten und erweiterbaren Datenhaltung. Diese Datenbank auf Basis des RDF organisiert die durch die Industrie-4.0-Verwaltungsschale und weitere technische Modelle beschriebenen Assets in nutzerorientierte Klassen und rollenspezifische Sichten für die Plattform. Vorhandene Software- und Hardwarekomponenten, für robot one zentrale Rollen (Kunde, Systemintegrator und Komponentenhersteller) sowie die entstehenden Verbindungen (zum Beispiel Erfahrungen bezüglich Komponenten von Systemintegratoren) werden in einem strukturierten Graph abgelegt.

Um zu gewährleisten, dass die modellierten Instanzen alle nötigen Informationen beinhalten und vorhandene Bedingungen einhalten (zum Beispiel einen Link zu einer Komponentendokumentation), werden neu eingefügte oder geänderte Komponenten automatisiert gegen ein Modellschema geprüft. Bei Nichterfüllung der Schemata können die genauen Fehlerquellen gefunden und dem Ersteller der Komponente gezeigt werden. Um den Zugriff durch die Plattformnutzer zu ermöglichen, erfolgt eine Aufbereitung des Datenbestandes für eine Facetten- und eine Volltextsuche. Des Weiteren stellt robot one Formulare zur Bearbeitung der Daten durch ihre jeweiligen Eigentümer bereit. 

Um einen initialen Datensatz für robot one zu generieren, bietet das Projekt mehrere Möglichkeiten, um eine Förderung zur Integration von existierenden Software- und Hardwarekomponenten zu beantragen. Teilnehmer erhalten frühen Zugriff auf die Werkzeuge aus SeRoNet und können als erste mit ihren Produkten auf der Plattform vertreten sein.

Aufruf zu einer geförderten Teilnahme

Darüber hinaus sind die Teilnehmer eingeladen, die Ausprägung der Modelle und die Plattform selbst weiter mitzugestalten. Der erste Aufruf wird voraussichtlich am 2. September 2019 veröffentlicht und richtet sich an Anbieter von Mechatronik oder reinen Software-Roboterkomponenten. Die einzubringenden Komponenten sollten wiederverwendbar sein, ein SeRoNet-konformes Informationsmodell erhalten und über das spezifizierte Backend – sprich OPC UA – kommunizieren. Die Förderung im Umfang von 20.000 bis 40.000 Euro soll den zusätzlichen Aufwand für die Anpassung der Komponenten an die SeRoNet-Modelle und OPC-UA-Schnittstellen finanzieren. Für alle Beteiligungsaufrufe zusammen stehen Mittel von 1 Mio. Euro zur Verfügung.

Es sind drei Ausschreibungsrunden geplant, die jeweils einige Wochen auseinanderliegen und einen breiten Bereich von Roboterkomponenten für robot one liefern sollen. Beispiele für Komponenten sind sowohl Sensoren und Aktoren zur Erfassung der Umgebung oder Interaktion als auch Softwarekomponenten, die beispielsweise unter Zuhilfenahme der Sensordaten eine kollisionsfreie Navigation ermöglichen. Auch abseits der Fördermöglichkeiten wird das Projekt Komponenten interessierter Anbieter nach einer Qualitätssicherung in die Plattform integrieren.

Autoren:
Dr. Björn Kahl ist Projektleiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA;
Yevgen Kogan ist Teamleiter bei Kuka Deutschland;
Jörn Steffen  Menzefricke ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Heinz-Nixdorf Institut, ­Universität Paderborn.