Das Referenzarchitekturmodell des Zukunftsprojekts Industrie 4.0 (RAMI 4.0) wurde erstmals auf der Hannover Messe 2015 mit der Publikation der Umsetzungsstrategie zur vierten industriellen Revolution vorgestellt. Seitdem arbeitet die Dialogplattform Industrie 4.0, die um weitere Akteure aus Politik, Wirtschaft und Gewerkschaften ergänzt wurde, unter der Schirmherrschaft der Bundesministerien für Wirtschaft und Energie (BMWi) sowie für Bildung und Forschung (BMBF) in fünf Arbeitsgruppen an zentralen Themen. Dazu zählen Standards, Arbeit, Sicherheit (Informationssicherheit und funktionale Sicherheit), Recht und Forschung.

Aufgrund seiner Komplexität und der ungewohnten dreidimensionalen Darstellung erweist sich die Verwendung von RAMI 4.0 in den Verbänden, Normungsorganisationen und Industrieunternehmen teilweise als Herausforderung. Benötigt wird daher eine Unterstützung, die über die Beschreibung in der Umsetzungsstrategie hinausgeht.

Referenzmodelle für Netzwerk-Protokolle: Neben dem OSI-Modell haben sich weitere, für den Verwendungszweck angepasste Referenzmodelle in der Technik etabliert; gleiches ist auch für RAMI 4.0 vorstellbar.

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Gemäß dem Glossar Industrie 4.0 des Fachausschusses VDI/VDE-GMA 7.21 'Industrie 4.0' ist ein Referenzmodell als Modell definiert, das allgemein genutzt wird und als zweckmäßig anerkannt ist (mit Empfehlungs-Charakter), um spezifische Modelle abzuleiten. In der Technik gibt es viele Beispiele. Am bekanntesten ist sicher das OSI-Modell (später ISO/OSI-Modell) als Referenzmodell für Netzwerk-Protokolle, das Ende der 1970er-Jahre entwickelt wurde und bis heute in der Netzwerk- und Kommunikationstechnik Anwendung findet. Das OSI-Modell setzt sich aus sieben Schichten zusammen. Jeder Schicht werden besondere Aufgaben zugewiesen, die zur Datenübertragung zwischen zwei Endgeräten erforderlich sind.

Neben dem OSI-Modell haben sich leicht abgewandelte Modelle etabliert, die andere Anwendungsdomänen adressieren - beispielsweise das Internet-Modell mit vier Schichten oder das TCP/IP-Referenzmodell mit fünf Schichten. Sämtliche veränderten Varianten lassen sich jedoch in das OSI-Modell überführen. Der Vorteil, der sich aus dem Einsatz solcher Referenzmodelle ergibt, liegt im gemeinsamen Verständnis für die Funktionalität, die von jeder Schicht zu erbringen ist, sowie den definierten Schnittstellen zwischen den Schichten. Auf diese Weise können konkurrierende Implementierungen entstehen, die anschließend in breit angewendeten Normen und Standards dokumentiert werden. Als Beispiel seien die unter der IEEE 802 erarbeiteten Ethernet-Standards aufgeführt, die den Schichten 1 und 2 im OSI-Modell zuzuordnen sind.

Industrielle Produktion als Anwendungsbereich

Bei der Entwicklung von RAMI 4.0 stand die industrielle Produktion als Anwendungsbereich im Zentrum der Überlegungen. Das Spektrum reicht dabei von der diskreten Fertigung bis zur Prozesstechnik. Der Fokus auf die industrielle Produktion (Smart Production) grenzt das Zukunftsprojekt Indus­trie 4.0 vom weiter gefassten IoT-Ansatz (Internet of Things) des Industrial Internet Consortium (IIC) ab. Denn IoT beinhaltet neben der Smart Production Bereiche wie Smart Home, Smart Mobility und Healthcare.

... das SGAM-Framework, welches 2012 von CEN, CENELEC und ETSI publiziert wurde, um europäischen Normungs­organisationen die Identifikation und Weiterentwicklung von relevanten Standards im Bereich der intelligenten Stromnetze zu ermöglichen.

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In den Gremien der Verbändeplattform wurde deutlich, dass ein Architekturmodell, welches als Referenz dienen und eine zielgerichtete Diskussion beispielsweise im Hinblick auf Standardisierung und Normung ermöglichen soll, eine dreidimensionale Darstellung erfordert. Auf den drei Achsen von RAMI 4.0 werden dementsprechend die Hierarchie-Stufen einer über das Internet vernetzten Fertigungsanlage, der Lebenszyklus von Anlagen und Produkten sowie die IT-Repräsentanz einer Industrie-4.0-Komponente beschrieben. Als Vorlage hierfür fungierte das bereits etablierte Smart Grid Architecture Model (SGAM), das die Energie-Erzeugung und -verteilung in den Mittelpunkt stellt.

Die Hierarchie-Stufen einer Produktionsanlage gleichen im Wesentlichen den Stufen der bekannten Automatisierungspyramide. Formal ist die Anlagenhierarchie aus der IEC 62264 und IEC 61512 abgeleitet, am unteren Ende allerdings durch Produkte und Feldgeräte (aus der Automatisierungspyramide) ergänzt worden. Die Erweiterung um das Produkt erweist sich als notwendig, damit die Steuerung der Fertigungsanlage durch das Produkt im Modell abgebildet werden kann. Dies ist ein wesentliches Merkmal von Industrie 4.0.

Notwendige Ergänzung der Automatisierungspyramide

Die Hierarchie einer Industrie-4.0-­Produktionsanlage kann aus den Stufen der erweiterten Auto­matisierungs­­pyra­mide abgeleitet werden; die ­Funktionalität der Stufen löst sich mit Industrie 4.0 auf.

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Am oberen Ende der Hierarchie wurde die Connected World hinzugefügt, um die Internet-basierte Vernetzung von Produktionsanlagen, die sich zum Beispiel an verschiedenen Standorten befinden, darstellen zu können.

Die Beschreibung des Lebenszyklus von Anlagen und Produkten in RAMI 4.0 mit seinen vier charakteristischen, im Zyklus enthaltenen Wertschöpfungsketten ('Produkt- und Produktlinien-Entwicklung', 'Verfahrens- und Anlagenentwicklung', 'Produktproduktion und After Sales Services', 'Technische Anlage') orientiert sich am Entwurf der IEC 62890. Die Norm unterscheidet zwischen Typ und Instanz im Lebenszyklus. Im Entwicklungsprozess entsteht in mehreren Phasen der Typ eines Produkts. Er wird mit der Freigabe einer speziellen Produktversion abgeschlossen. Auf Basis des für die Serienfertigung freigegebenen Typs stellt die Anlage anschließend Produkte her, die Instanzen des Typs sind. Bauteil-Abkündigungen oder Verbesserungen können Änderungen an den Produkten erforderlich machen. Sie werden am Typ vorgenommen und nach Abschluss und Freigabe der Anpassung als neue Produktversion in die Produktion eingesteuert.

Sinnvolles Clustern komplexer Prozesse

Schon heute stehen die in den Prozessketten generierten Daten - etwa das Layout, Stücklisten oder Qualitätsdaten aus der Fertigung - weitgehend in digitaler Form zur Verfügung. Danach werden sie in PLM- (Product Lifecycle Management) und ERP-Systemen (Enterprise Resource Planning) verarbeitet. Hinsichtlich der Standardisierung und Harmonisierung dieser Daten besteht jedoch Optimierungspotenzial, da je nach verwendetem System die Daten konvertiert und teilweise manuell nachbear­beitet werden müssen. Ein hersteller­übergreifender Austausch der digitalen Informationen wird so erschwert. Die Herstellung individueller Produkte verlangt an dieser Stelle ebenfalls die Möglichkeit, Daten, die der Kunde zur ­Fertigung seiner Instanzen an den ­Produzenten übergeben hat, in geeigneter Form elektronisch in den IT-Systemen bei den Instanz-bezogenen Daten zu speichern. Sie müssen über den gesamten Lebenszyklus der Instanz vorhanden und mit dem zugehörigen Typ verbunden sein.

Gemäß der Denkweise der IT ist die IT-Repräsentanz einer Industrie-4.0-Komponente auf der senkrechten Achse anhand von sechs aufeinander gestapelten Schichten (Layer) visualisiert. Die Layer verdeutlichen die Sichtweise von Geschäftsprozessen, funktionalen Beschreibungen, Datenabbildern, des Kommunikationsverhaltens inklusive Quality of Service (QoS) sowie der Anbindung der Assets  über einen Integration Layer. Dieser für die Automatisierungstechnik ungewohnte Ansatz wird in der IT erfolgreich zum Clustern komplexer Prozesse verwendet.

Im Zusammenhang mit dem Asset Layer taucht häufig die Frage nach den Elementen auf, die zu dieser Schicht gehören. Neben den physischen Bestandteilen wie Produkten, Teilen, Komponenten, Maschinen oder Anlagen umfasst der Asset Layer Daten aus dem Entwicklungsprozess.

Als Beispiel seien eine Produktunterlage, die alle im Entwicklungsprozess generierten Daten zum Bau des Artikels enthält, sowie die im Entwicklungsprozess entstandene Geräte-Firmware angeführt. Die bei der Produktion anfallenden und zum Teil kundenindividuellen Daten zur spezifischen Instanz sind ebenfalls als Asset zu betrachten. In diesem Sinne muss der Mensch, der als Anlagenbediener, Service-Techniker oder Programmierer über den Integration Layer mit den Assets interagiert, ebenso auf dem Asset Layer verortet werden. Durch die eindeutige Kennzeichnung aller Industrie-4.0-Komponenten bietet die Anordnung sämtlicher Assets einen erweiterten Spielraum für ein Asset Management, das bereits heute in IT-Umgebungen vorzufinden ist. Ein solches Szenario vereinfacht darüber hinaus eine aus Gründen der IT-Sicherheit durchzuführende Bedrohungsanalyse der Fertigungsanlage.

RAMI 4.0 sieht keinen separaten Layer für IT-Sicherheit - und auch die Funktionale Sicherheit - vor, da das Thema integraler Bestandteil des Zukunftsprojekts und daher als Teil des Designs einer Industrie-4.0-Lösung aufzufassen ist. Die Assets müssen auf allen Hierarchiestufen über die für ihre Aufgabe und den Schutz erforderlichen Security-Eigenschaften verfügen respektive diese bereitstellen. Der jeweilige Besitzer - beispielsweise der Entwickler oder Anlagenbetreiber - hat die IT-Sicherheit über den gesamten Lebenszyklus der Assets zu berücksichtigen. Kurzum: Aus IT-Sicht betrifft die Sicherheit sämtliche Layer und ist deshalb ganzheitlich zu bewerten.

Kommunikation über die ­etablierten Protokolle

Rollenbasierte Darstellung in RAMI 4.0: Das Bild macht die unterschiedlichen Sichten auf ein Asset für Komponentenhersteller, Maschinenbauer und Anlagen­betreiber deutlich.

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Ein Anwendungsfall, der zum Beispiel die Rollen Komponentenlieferant, Maschinenbauer und Anlagenbetreiber beinhaltet, ist in RAMI 4.0 sinnvollerweise so abzubilden, dass pro Rolle ein RAMI-4.0-Bild gezeichnet wird. Am Beispiel des Asset Layer erkennt man, dass sich je nach Rolle und Lebenszyklus die Position des Asset auf dem Asset Layer im RAMI 4.0 verändert.

Viele Anwender stellen sich im Zusammenhang mit Industrie 4.0 die ­Frage, wo die etablierten industriellen Kommunikationssysteme - etwa die Feldbusse - einzuordnen sind und ob sich deren Rolle zukünftig verändern wird. Hier bleibt festzustellen, dass die Protokolle weiterhin Assets (beispielsweise Feldgeräte und Steuerungen) über den Integration Layer und den Communication Layer (zum Beispiel Profinet) verbinden. Das steht in keinem Widerspruch zu Industrie 4.0. Mit der weiteren Verfeinerung der Industrie-4.0-Komponente und der zugehörigen Verwaltungsschale werden 2016 erste Implementierungen einer Industrie-4.0-konformen Kommunikation sowie eine Darstellung der Informationen entstehen und in Testapplikationen erprobt werden können. Insbesondere die durch die Nutzerorganisationen entwickelten Profile und Merkmalsdefinitionen lassen sich in die Industrie-4.0-Welt über­führen. Das vereinfacht ein Mapping auf einen zu Industrie-4.0-konformen 'Information Layer' oder 'Function Layer'.

Neue Ergebnisse zur Hannover Messe 2016

Das ZVEI-Siegelgremium 'Modelle und Standards' hat die Definition der Industrie-4.0-Komponente sowie die Struktur der Verwaltungsschale seit April 2015 weiter detailliert. Ergebnisse werden zur Hannover Messe 2016 publiziert. Dort bietet sich für die Messebesucher auf dem Forum Industrie 4.0 (Halle 8, Stand D19) die Gelegenheit, sich über den aktuellen Stand der Arbeiten zu informieren und in den Dialog mit den Experten aus den Arbeitsgruppen der Plattform Industrie 4.0 zu treten.

Autor:
Frank Schewe ist Master Project Manager im Bereich Development Network Technology bei Phoenix Contact Electronics.