Anfang 2016 hat der ZVEI zusammen mit dem Lehrstuhl für Prozessleittechnik der RWTH Aachen University das Projekt ‚openAAS‘ (open Asset Administration Shell) mit einer zweijährigen Laufzeit gestartet. Das Projekt soll das Konzept der Verwaltungsschale mit einer praktischen Implementierung stützen, um eine Grundlage für weitergehende Diskussionen zu schaffen und mögliche Spezifikationslücken aufzeigen.

Ein Steering Committee, das aus Vertretern von ZVEI-Mitgliedsfirmen besteht, unterstützt den Lehrstuhl und entscheidet über den Projektverlauf, die Umsetzung sowie die nächsten Meilensteine. Zusätzlich soll openAAS im Bereich der Arbeitsgruppen der verschiedenen Verbände die Arbeiten synchronisieren und Grundlagen schaffen, um weitere Entwicklungen anzuregen.

Das Projekt ist insofern etwas Besonderes, da die Entwicklung offen stattfindet. Konkret heißt das: Sowohl Spezifikationen als auch geschriebener Quellcode stehen auf Github allen Interessierten zur Verfügung. Des Weiteren werden durch Workshops Entwickler angesprochen, die sich mit der praktischen Implementierung der Verwaltungsschale beschäftigen. So hofft man, eine direkte Rückmeldung für den Verlauf des Projekts zu erhalten.

Die Projektziele

Das Projekt verfolgt wesentlich zwei Ziele: Die Gestaltung und Auswahl der Modelle für die Verwaltungsschale sowie die konkrete Umsetzung. Das heißt, es gibt einen Durchstich von der konzeptionellen Ebene bis hin zur Implementierung. Da das Modell technologieneutral spezifiziert wurde, lässt sich es sich mit verschiedenen auf dem Markt befindlichen Technologien umsetzen. In openAAS hat man zunächst auf OPC UA gesetzt, da es als eine aussichtsreiche Technologie gilt, die die Grundlagen für sichere Kommunikation schafft (Verschlüsselung, Authentifizierung) und andererseits die Möglichkeit zur Informationsmodellierung bietet.

Konkret wurden die in openAAS entwickelten Modelle auf Basis des freien OPC-UA-Stacks open62541 implementiert. Dadurch ist die Offenheit der Lösung sichergestellt und Interessierte können die Arbeiten nachvollziehen und gegebenenfalls weiterverwenden. Nachdem im ersten Teil des Projekts die Adaption und Entwicklung einzelner Modell-Elemente (Merkmale, Life-Cycle, Kommunikation) im Vordergrund waren, steht die konkrete Implementierung im zweiten Teil im Fokus.

Die Verwaltungsschale ist ein Konzept, über das die Automatisierungs-Branche seit 2015 diskutiert. Es ermöglicht, den Lebenszyklus jeglicher individueller Gegenstände, die für ein Unternehmen einen Wert (Asset) darstellen, zu verwalten.

Konzept der Verwaltungsschalen

Industrie-4.0-Komponenten bestehen aus einer Verwaltungsschale und einem Asset und bieten eine einheitliche Dienste-Schnittstelle zur Kommunikation an.

© RWTH Aachen

Das Konzept der Verwaltungsschale lässt sich dabei auf Assets anwenden, die sowohl materiell (ein Sensor, ein Motor) als auch immateriell (ein Plan, ein Rezept) sein können.

Das heißt, das Unternehmen sieht den individuellen Gegenstand als so bedeutend an, dass es diesem sinnvoll erscheint, den Lebenszyklus dieses Gegenstands zu dokumentieren. Beispielsweise kann es für einen Schraubenproduzenten weniger wichtig sein, den Lebenszyklus einer einzelnen einfachen Schraube zu verfolgen. Der Schraubentyp hingegen, der mit seinen Konstruktions- und Fertigungsplänen festhält, wie eine Schraube produziert werden kann, stellt für ein Unternehmen einen Wert dar, der sich über eine Verwaltungsschale verwalten lässt. Der Vorteil der Verwendung der Verwaltungsschale liegt darin, unterschiedlichste Assets auf die gleiche Art und Weise zu verwalten und mit ihnen in Interaktion zu treten. Zusammen mit dem Asset stellt die Verwaltungsschale die Industrie-4.0-Komponente dar.     

Was enthalten sie?

Im Kern ist die Verwaltungsschale eine schmale, generische Schnittstelle, die sich durch sogenannte Teilmodelle erweitern lässt. Es lässt sich daher nicht eindeutig sagen, dass etwas ‚in‘ der Verwaltungsschale lokalisiert ist, vielmehr stellt sich die Verwaltungsschale als Zugangspunkt dar, der mit seiner weltweit eindeutigen ID identifizierbar ist. Die Verwaltungsschale kapselt damit die innere Struktur nach außen über eine Dienste-Schnittstelle ab. Aktuelle Diskussionen drehen sich darum, welche Funktionalitäten sich über die Verwaltungsschale realisieren lassen. Grundsätzlich ist dabei unstrittig, dass die Verwaltungsschale administrative Informationen und Funktionen bereitstellt, die über Services abrufbar sind.

Wo liegen sie?

Grundsätzlich gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, an welcher Stelle die Daten der Verwaltungsschale liegen. Einerseits in einem Repository, das sich dadurch auszeichnet, dass es hochverfügbar  und unabhängig von den aktuellen Kommunikationseigenschaften des Assets ist. Andererseits besteht die Möglichkeit, die Verwaltungsschale auf dem Asset selbst zu hinterlegen. Dies ist zum Beispiel bei intelligenten Feldgeräten denkbar, die entsprechende Kommunikations- und Speicherfähigkeit besitzen. Bei den unterschiedlichen Betrachtungsweisen ist außerdem zu berücksichtigen, welche Informationen und welche Funktionen mit der Verwaltungsschale bereitgestellt werden sollen.

Im Projekt openAAS geht man davon aus, dass Verwaltungsschalen in einem Repository eines Unternehmens liegen, so dass Verwaltungsinformationen auch zu Zeitpunkten, in denen ein Asset nicht im Netz eingebunden ist – zum Beispiel weil es gerade gewartet wird, verfügbar sind.

Wer besitzt sie?

Einhergehend mit der Annahme, dass Verwaltungsschalen nicht auf dem Asset selbst liegen, legt sich das Projekts fest, dass nicht pauschal ganze Verwaltungsschalen zwischen unterschiedlichen Organisationen ausgetauscht werden, sondern nur einzelne, per Vertrag geregelte Information. Das wiederum bedeutet auch, dass sich mehrere Verwaltungsschalen auf den gleichen Gegenstand beziehen können. So ist davon auszugehen, dass jede Organisationseinheit eine eigene Verwaltungsschale mit den zur Verwaltung benötigten Informationen erstellt und pflegt.

Informationen und Merkmale

Ein zentrales Konzept, welches auch im Rahmen der Modellierung von Verwaltungsschalen genutzt wird, sind Merkmale. Mit Merkmalen und den diesen zugeordneten Ausprägungsaussagen lässt sich ein Sachverhalt eindeutig beschreiben – wobei man die Merkmal-Definitionen innerhalb eines Repositorys macht. Ein Beispiel für ein Merkmal-Repository ist ecl@ss. Jedoch ist zu erwarten, dass der Umfang noch deutlich erweitert werden muss, da der Katalog von ecl@ss bisher nur Produktmerkmale erfasst.

Jede Ausprägungsaussage verweist mit einer eindeutigen ID auf eine Definition. Im Rahmen von Industrie 4.0 werden zwei Arten von ID bevorzugt: Entweder wird ein URI (Uniform Resource Identifier) oder ein Identifikator nach ISO 29002-5 verwendet. Zur Verwaltung eines Assets gehört auch die Dokumentation von Lebenszyklus-Ereignissen. Beispielsweise können das Betriebsverhalten, Wartungsaufgaben oder auch Kommunikationszugriffe protokolliert werden. Die Archivierung ist Grundlage für datenbasierte Dienste wie predictive Maintenance und Betriebsoptimierung.

Innerhalb von openAAS wird zwischen drei grundlegenden Kommunikationsmustern separiert, die sich in ihrer Semantik unterscheiden: den Nachrichtentransport, die Modellinteraktion und die n:n-Kommunikation für den Austausch von Massendaten.

Muster der Kommunikation

Die Kommunikationsmuster der Verwaltungsschale

© RWTH Aachen

Nachrichtentransport: Die Verwaltungsschalen stellen zusammen mit ihren Assets eigenständige Komponenten dar, die Dienste bereitstellen und über ihre eindeutige ID adressiert werden können. Im Projekt geht man davon aus, dass ­Verwaltungsschalen zur Kommunikation mit anderen Verwaltungsschalen nur den Zugangspunkt zum Netz kennen müssen. Dieser wird abgebildet durch eine Infrastruktur-Komponente. Die Netzin-frastruktur ist damit für die Verwaltungsschale vollständig gekapselt. Das führt zu einer klaren Trennlinie zwischen Verwaltungsschale und der verwendeten Kommunikationstechnologie. Für den Empfang von Nachrichten, wie zum Beispiel Dienstanfragen oder auch Dienst-antworten, verfügt die Verwaltungsschale über eine Art Briefkasten. Für die Verarbeitung der Nachrichten innerhalb dieses Briefkastens ist die Verwaltungsschale selbst verantwortlich.

Modellinteraktion: Anders als beim Nachrichtentransport ist bei der Modellinteraktion nicht die Verwaltungsschale der Adressat der Anfrage, sondern das System, in dem die Verwaltungsschale eingebettet ist. In openAAS wird dieser Zugriff insbesondere beim Engineering der Verwaltungsschale genutzt, so können beispielsweise grundlegende Strukturen im Zielsystem angelegt werden.

Massendaten: Gegebenenfalls kann es sinnvoll sein, in der Verwaltungsschale aktuelle Zustände aus verschiedenen Quellen zu sammeln oder für andere ­Teilnehmer bereitzustellen. Es ist also eine n:n-Kommunikation notwendig. Für diese Art der Kommunikation hat sich das Publischer/Subscriber-Muster bewährt.

Auf der Hannover Messe 2017 wurde der Industrie-4.0-Demonstrator, der schon auf dem ­IT-Gipfel 2015 und der HMI 2016 zu sehen war, mit dem aktuellen Softwarestand von openAAS ausgestattet, um verschiedene Use-Cases zu demonstrieren. Unter anderem zeigte der UseCase ‚Live Analytics‘, wie sich Diagnose-Sensoren flexibel in bestehende Anlagen integrieren lassen und entsprechend gesammelte Daten in der Verwaltungsschale verfügbar ­gemacht werden können.

Besucher konnten zudem sehen, wie sich mit der Verwaltungsschale der Ansatz Plug’n’Produce umsetzen lässt. Mit dem Demonstrator wurde zum ersten Mal die Funktionalität von openAAS im Rahmen einer industrienahen Umgebung erprobt und einem breiten ­Publikum vorgeführt.

Autor:
Florian Palm ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Prozessleittechnik RWTH Aachen University.