Zehn Jahre, nachdem deutsche IT-Fachleute erstmals den Begriff ‚Industrie 4.0‘ im Rahmen der Hannover Messe 2011 geprägt haben, wird die Bezeichnung inzwischen zwar weltweit mit der Bundesrepublik in Verbindung gebracht. Von der digitalen Zielgeraden ist Deutschland allerdings noch weit entfernt. Laut dem aktuellen ‚Digitalisierungsindex Mittelstand 2020/21‘ kommen die hiesigen Industrieunternehmen derzeit nur auf 62 von 100 möglichen Punkten hinsichtlich ihres Digitalisierungsgrades. 
Berücksichtigt man zudem die Tatsache, dass Industrie 4.0 weit über die bloße digitale Transformation von Produktionsprozessen hinausgeht, würde das Ergebnis sicherlich noch erschreckender ausfallen. Irrtümlicherweise wird die vierte industrielle Revolution nämlich häufig mit dem Sammeln von Daten gleichgesetzt. Dabei geht es beim Wandel vielmehr darum, eine durchgängige Vernetzung aller Maschinen zu erzielen. Nur, wenn alle Maschinen systemübergreifend miteinander kommunizieren können, ist eine entsprechend flexible – und somit wandelbare – Produktion überhaupt möglich. Zunächst stellt sich jedoch die Frage: Woran liegt es, dass wir in puncto industrieller Transformation derzeit maximal von 3.5 sprechen können? Vom angestrebten Status 4.0 sind wir noch weit entfernt. 

Das Damoklesschwert für KMU

Die Gründe dafür sind vielseitig: Über vielen insbesondere kleinen und mittleren Unternehmen schwebt die Digitalisierung wie ein Damoklesschwert – es ist klar, dass der digitale Wandel unausweichlich ist. Wie er jedoch praktisch und möglichst effizient angegangen werden kann, scheint vielen Industriellen noch immer ein großes Rätsel zu sein. 

Zudem erschweren die oftmals mangelnden finanziellen und personellen Ressourcen den Fortschritt zusätzlich. Und: Insbesondere die bislang fehlende Umsetzung der relevanten Konzepte und Standardisierung als Software-Lösungen hat bei den Firmeninhaberinnen und -inhabern zusätzlich die Sorge geschürt, mit dem Beginn der Transformation ein großes Risiko einzugehen. 

Die Angst war sicherlich in Teilen berechtigt; seit Mitte März 2021 ist jedoch ein Produkt auf dem Markt, das den digitalen Wandel beflügeln und deutlich sicherer machen könnte. Die Rede ist vom 1.0 Release der Eclipse BaSyx Middleware. Zugegeben – der Name klingt abstrakt und lässt sich keineswegs in nur einem Satz erklären. Eines sei an dieser Stelle jedoch schon vorweggenommen: Der Release markiert einen bedeutenden Meilenstein in der Umsetzbarkeit von Industrie 4.0 und könnte die digitale Transformation ab sofort in die Breite tragen. Die Sachlage nun aber Schritt für Schritt:

Was ist die Middleware BaSys 4?

Mitte 2016 war es so weit: Das Bundesministerium für Bildung und Forschung hat gemeinsam mit 14 weiteren Partnern aus Wirtschaft und Forschung das Projekt ‚Basissystem Industrie 4.0‘ (kurz: BaSys 4.0) ins Leben gerufen. Die Konsortialleitung hat seitdem das Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering IESE in Kaiserslautern inne.
Ziel des Forschungsprogramms war es, ein Technologiesystem für Produktionsanlagen zu entwickeln, das die effiziente Wandelbarkeit eines Herstellungsprozesses als zentrale Herausforderung der vierteln industriellen Revolution realisiert. 

Der Plan wurde inzwischen in die Tat umgesetzt: Mit der ‚BaSys 4‘-Middleware hat das Konsortium eine Referenzarchitektur entwickelt, die die Umstellung der Unternehmen auf eine wandelbare Produktion breitenwirksam ermöglicht. Dafür ist es zunächst notwendig, die Datenmodelle und Protokolle so aufzubereiten, dass sie interoperabel sind – also miteinander ‚kommunizieren‘ können. Damit dies möglich wird, enthält die Middleware eine Sammlung wohldefinierter Building-Blocks, die zu einer zentralen oder dezentralen beziehungsweise verteilten Systemarchitektur verknüpft und miteinander integriert werden können. Kurzum: Der Aufbau der Middleware gleicht also einem Baukasten-Prinzip. Jedes Unternehmen kann dabei selbst auswählen, welche Komponenten es jeweils für seine Anwendungsfälle benötigt und diese dann individuell zum Einsatz bringen. 

Angenommen eine Firma steht bei der Transformation noch gänzlich am Anfang, so muss beispielsweise zuerst der Shopfloor mit dem Officefloor verknüpft werden. Mit Hilfe des im Rahmen des Forschungsprojekts entwickelten Virtual Automation Bus (VAB) wurde eben dafür ein Konzept entwickelt, das eine netzwerk- und protokoll-übergreifende Peer-to-Peer-Kommunikation zwischen den Produktionsmaschinen und der IT Wirklichkeit werden lässt. 
Liegen auf diese Weise sämtliche Daten einer Maschine digital vor, geht es anschließend darum, diese in eine gemeinsame Form ‚zu gießen‘. Denn: Eine einheitliche Sprache ist die Grundvoraussetzung, um die Produktionsanlagen vernetzen zu können.
 

Wie gelingt die Losgröße-1-Fertigung?

Übersicht über die Komponenten der BaSys 4 Middleware.

© Fraunhofer IESE

Für den Sprach-Transfer aller Daten sieht BaSys 4 das Prinzip der Verwaltungsschalen vor. Hierbei handelt es sich um standardisierte Digitale Zwillinge, die entsprechend einer einheitlichen Struktur aufgebaut sind. Jede Verwaltungsschale enthält Teilmodelle, die sowohl den Zustand eines realen Assets virtuell abbilden als auch bei Bedarf Live-Daten über diese zur Verfügung stellen. Der Clou dabei: Die Verwaltungsschalen können nicht nur an andere Unternehmen weitergegeben werden; der Standard ist vor allem offen und jederzeit einsehbar. 

Plant ein Unternehmen nun, eine effiziente Losgröße-1-Fertigung zu realisieren, hält BaSys 4 das Konzept der Führungskomponenten bereit. Jedes Gerät erhält dadurch eine einheitliche Dienstschnittstelle – und zwar indem die Ausführung von Produktionsprozessen von Produktionsdiensten getrennt wird. Zudem wird jede Fähigkeit einer Maschine ausreichend exakt beschrieben, sodass eine Fertigungsanlage möglichst einfach und effizient auf die Herstellung einer Sonderanfertigung umgestellt werden kann. 

Damit die BaSys 4 Middleware möglichst vielen Unternehmen die digitale Umstellung erleichtern kann, steht die Referenzimplementierung Eclipse BaSyx den Firmen Open Source zur Verfügung – und das gänzlich ohne Lizenzkosten. Software-Entwickler können den zur Verfügung gestellten Code in Form einbindbarer Bibliotheken direkt anwenden und sparen so wertvolle Zeit, die sie ansonsten selbst zur Code-Entwicklung und zum Beispiel zur Umsetzung des Verwaltungsschalenstandards und dessen Schnittstellen benötigen würden. Selbst Anwendern ohne Programmierkenntnisse ist es mittels der Off-the-Shelf-Komponenten somit möglich, direkt durchzustarten. Ebenso verringert es durch die vielen Beispiele die Einarbeitungszeit in die Thematik der Verwaltungsschale immens.

Was ändert sich mit dem 1.0 Release?

Frank Schnicke ist Expert ‚Industrie 4.0 System Architectures‘ am Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering IESE in Kaiserslautern. Außerdem koor-diniert er die Implementierung von Eclipse BaSyx am IESE.

© Fraunhofer IESE

Beim 1.0 Release handelt es sich um ein Versprechen: Die Middleware macht es ab sofort möglich, die im Rahmen der vom Bundeswirtschaftsministerium 2013 gegründeten ‚Plattform Industrie 4.0‘ entwickelten Standards und Konzepte flächendeckend und standardkonform umzusetzen.

Als ein Teil der Plattform hat sich hierbei die Arbeitsgruppe ‚Referenzarchitekturen, Standards und Normung‘ in den vergangenen Jahren eingehend mit der Entwicklung offener und einheitlicher Standards für die Industrie 4.0 beschäftigt. Diese sollen sowohl einen fairen Wettbewerb sichern als auch die Investitionsrisiken für Unternehmen senken. Die Standards schließen sämtliche Bereiche einer vernetzten Produktion mit ein: Hardware und Software, Anwender- und Anbieterbranchen sowie Produktdesign bis Produktrecycling. 
Dank des 1.0 Release sind ab sofort nun auch sämtliche Schnittstellen der Eclipse BaSyx Middleware stabil und die Kompatibilität zu zukünftigen Updates gegeben. Dadurch haben die Unternehmen die Garantie, auch zukünftige Features und Updates ohne Änderungen an bestehendem Code integrieren zu können. 

Wo kommt die Middleware zum Einsatz?

Constantin Ziesche ist Projektleiter für Produktentwicklung bei der Robert Bosch GmbH und Hauptentwickler des .NET Stacks der Middleware Eclipse BaSyx.

© Bosch

Eine Veranschaulichung, welche Vorteile der Einsatz der Middleware in der praktischen Anwendung bietet, liefert die Robert Bosch GmbH. Das Unternehmen war von Beginn an an der Entwicklung der Middleware beteiligt. Aktuell wird der 1.0 Release nun an vielen Stellen in der Produktentwicklung erprobt: von der Geräte- und Anlagenautomation über Plattform-applikationen bis hin zur Anwendung von Cloud-Szenarien. 

Ein konkreteres Beispiel liefert etwa der Nexo-Funk-Akkuschrauber aus der industriellen Schraubtechnik von Bosch. Bereits die nächste Generation des Schraubers wird über eine Verwaltungsschale verfügen, die mittels BaSyx entstand. Das heißt: Durch die Modularität und die vielfältigen Deployment-Möglichkeiten der BaSyx Building Blocks kann eine Verwaltungsschale sogar auf einer (Kleinst-)Steuerung bereitgestellt werden, die direkt in der Schrauber-Hardware integriert ist.
Für die Zukunft erhofft sich Bosch eine breite Anwendung der BaSyx Middleware in unterschiedlichsten Szenarien. Gerade beim Thema Vernetzung der Produktion sieht das Unternehmen großes Potenzial für die Anwendung der Middleware. 

So etwa im Customer Experience Center am neuen Standort Ulm, wo die Middleware eingesetzt wird. Sämtliche Geräte, Maschinen und Anlagen verfügen dabei über eine Verwaltungsschale, die mittels BaSyx erstellt wurde. Diese integrieren sich in einer zentralen Registry und ermöglichen dabei eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsfälle, die als Applikationen darauf aufsetzen. Eine Anwendung ist die Ablaufsteuerung der Anlage mittels eines Business Process Modells (BPMN) und einer Workflow Execution Engine. Dieses System an Modellen und Applikationen für die Ablaufsteuerung bezeichnet Bosch als Orchestrierungslösung.hap