ifak & Papiertechnische Stiftung PTS

Standards im Praxistest

17. Juni 2021, 9:31 Uhr | Meinrad Happacher

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Aufbau der Verwaltungsschale

Zu Beginn lassen sich in der Verwaltungsschale statische Informationen zum Asset, vergleichbar mit einer Bedienungsanleitung oder Typenschild, speichern. Die Lagerung von Produktinformationen in Aktenordnern kann somit ein Relikt der Vergangenheit werden. Ein Speichern und Betrachten von Produktdatenblättern, CAD-Dateien oder weiteren Dokumenten ist mit geeigneter Software möglich. Die Plattform Industrie 4.0 empfiehlt die kostenfreie Open Source Software AASX-Explorer (Asset Administration Shell) zum Anlegen und Darstellen von Verwaltungsschalen.

Innerhalb eines Forschungsprojektes erfolgte die Ausstattung der Messgeräte der Papiertechnischen Stiftung mit einer solchen Verwaltungsschale, unter Nutzung des AASX-Explorers. Die Daten, die bis dahin als Tabelle in Excel vorlagen, wurden in eine XML-Darstellung transformiert und lassen sich nun über den AASX-Ex-plorer übersichtlich betrachten. Mit der standardisierten XML-Darstellung sind die Informationen nicht mehr nur für den Menschen lesbar, sondern auch maschinenlesbar und zum Weiterverarbeiten geeignet.

Eine Möglichkeit der Verknüpfung der statischen Informationen des Sensors mit dynamischen Informationen – wie kontinuierlich erzeugten Messwerten – bietet OPC UA. Innerhalb des Projektes wurde zusätzlich eine Datenbanklösung entworfen, die Messwerte abspeichert und über eine OPC-UA-Schnittstelle verfügt. Eine solche Verwaltungsschale, welche dynamische Daten mit anderen Systemkomponenten austauschen kann, enthält die folgenden Komponenten A bis D.

A: Der Adapter an das Industrie 4.0-System ist spezifisch für das konkret eingesetzte Kommunikationsprotokoll umzusetzen und bindet die Verwaltungsschale an ein I4.0-Netzwerk an, welches auf dem gleichen Protokoll beruht. Aktuell ist keine spezifische Kommunikationstechnologie für Industrie 4.0 vorgeschrieben. Für die Umsetzung einer Verwaltungsschale empfiehlt es sich, den Adapter von der restlichen Logik der Verwaltungsschale zu separieren, um die weitere Entwicklung flexibel verfolgen zu können.

Sollen Verwaltungsschalen nicht nur ein reiner Datenlieferant sein (passiv), sondern von sich aus weitere Industrie 4.0-Komponenten anfragen (aktiv), müssen sowohl die Client- als auch die Serverrollen beziehungsweise Publisher-/Subscriberrollen implementiert werden.

B: Das Asset-Modell beinhaltet Asset-spezifische Analysefunktionen und Modelltransformationen wie die Interaktion mit Kommunikationsprotokollen. Die Asset-Modelle stellen den Hauptbestandteil einer Verwaltungsschale dar. Dabei handelt es sich in der Regel um Software, welche die Schnittstelle zum Asset nutzt. Des Weiteren liegen hier zusätzliche Softwarekomponenten wie Datenbanken vor. Es liegt daher nahe, die Umsetzung einer Verwaltungsschale generell als Problem der Abbildung von Softwaremodellen auf die Industrie 4.0-Schnittstellen aufzufassen. Softwaremodelle entstehen durch Bibliotheken zum Zugriff auf die Kommunikationsprotokolle oder Datenstrukturen, welche Engineeringdaten beschreiben.

C: Die Schnittstelle zum Asset: Sie dient zur Kommunikation der Verwaltungsschale mit dem Asset. Je nach Asset kommt hierfür eine Kommunikationstechnologie wie beispielsweise OPC UA oder Profinet zum Einsatz. Wird das Asset durch Daten oder Software wie Simulationsmodelle gebildet, kommt hierfür die entsprechende Schnittstelle zur Anwendung.

D: Die Abbildung des Asset-Modells zum Industrie 4.0-Teilmodell: Diese dient der Anbindung der Asset-spezifischen Modelle an die standardisierten Teilmodelle einer Industrie 4.0-Verwaltungsschale, beispielsweise der Zustandsmaschinen zur Interaktion. Das Asset-Modell beschreibt den Zugriff auf das Asset und ist dabei eine Software-Komponente. In vielen Fällen lassen sich diese Software-Komponenten teilautomatisiert untersuchen (durch Reflektion oder eine Compiler-gestützte Analyse). Auf diesem Weg lässt sich die Abbildung der Asset-Modelle auf standardisierte Industrie 4.0-Modelle teilautomatisiert vornehmen. Die standardkonformen Teilmodelle lassen sich leicht aus der offiziellen Swagger-Schnittstellenbeschreibung für die gewünschte Plattform generieren. Mit der von den Autoren entwickelten Software können diese Teilmodelle anschließend automatisch an das Industrie 4.0-System über OPC UA, REST Services oder MQTT angebunden werden.

Die Datensicherheit

Richard Fankhänel
Richard Fankhänel ist Projektmitarbeiter, Papiertechnische Stiftung, Heidenau.
© PTS

Die Verwaltungsschale muss den Anforderungen an die Datensicherheit der Industrie entsprechen. Eine Möglichkeit, dies umzusetzen, ist die Verwendung der Verwaltungsschale als Datei. Mit der Produktübergabe wird diese Datei mit übergeben und liegt auf den Servern des Kunden. Dies hat den Vorteil, dass keine permanente Datenverbindung zwischen den Unternehmen existieren muss, welche eine potenzielle Gefahr darstellen kann.

Björn Zimmermann
Björn Zimmermann ist Projektleiter, Papiertechnische Stiftung, Heidenau.
© PTS

Der Nachteil besteht darin, dass die Verwaltungsschale auf die Informationen begrenzt ist, welche bei Produktverkauf übergeben wurden. Eine kontinuierliche Aktualisierung des Herstellers ist nicht möglich. Außerdem können keine Fehler entdeckt werden, die dem Kunden beim Umgang mit der Verwaltungsschale unterlaufen.

Die M2M-Connectivity

Holger Zipper
Holger Zipper ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im ifak e.V. Magdeburg.
© ifak

Weiterhin wurde im Projekt eine Möglichkeit untersucht, M2M-Connectivity über eine Cloud zu entwickeln. Am Use Case des Sensors bedeutet dies, dass beim Kunden eine Messung stattfindet, die Daten in eine Datenbank auf der Cloud eingespeist werden und von dort aus in die Systeme des Kunden eingelesen werden können. Für die Integration dieser Industrie 4.0-Anwendungen in das IT-Security-Konzept erfolgte eine Erweiterung der Firewall-Lösung um eine Demilitarisierte Zone (DMZ). In diesem Bereich können die Anwendungen laufen, welche über eine permanente externe Datenverbindung verfügen, ohne dass sie eine Gefahr für den Rest des Unternehmens darstellen.

Die Entwicklungen erfolgten im Rahmen des BMWi-geförderten Projekts INVITE4.0.


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