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Der Produktdatenstandard „eCl@ss“ für die Industrie-4.0-Ontologie

Die Expertenrunde fand großes Interesse bei den Besuchern, die sich aktiv mit Fragen an der Diskussion beteiligt haben

Am Beispiel des „eCl@ss“-Produktdatenstandards diskutieren führende Köpfe der Industrie 4.0 Anforderungen an eine konsensuale I4.0-Semantik. Der bewährte Standard mit seinen 40.800 Produktklassen und bereits mehr als 17.000 Merkmalen ist in rund 3.200 Unternehmen erfolgreich im Einsatz und soll nun als Bestandteil der Industrie-4.0-Komponente der Lieferant konsensualer Semantik werden.

Hat „eCl@ss“ das Potenzial, eine vollständige I4.0-Ontologie zu liefern? Welche Voraussetzungen müssen geschaffen werden, welche Anforderungen erfüllt sein? Diesen Fragen ging eine Industrie-4.0-Expertenrunde nach. Zuerst stellt sich dabei immer die Frage, was überhaupt unter Industrie 4.0 zu verstehen ist. „Industrie 4.0 ist zunächst einmal die Nutzung neuer IT-Technologien aus der Webwelt für die Automatisierungstechnik, die zu neuen Möglichkeiten im Zusammenspiel der Komponenten einer Automatisierungsanlage führt“, betont Dr. Peter Adolphs. Die Nutzung dieser Möglichkeiten biete ebenso Vorteile für Produktion und Engineering wie für das Handling von Produktionsanlagen. Neue Geschäftsmodelle seien ein ebenso wichtiges Thema, so Dr. Michael Hoffmeister: „Wir müssen nicht unbedingt alles verändern, haben aber die Möglichkeit, neue Player einzuladen und Externe in das Wertschöpfungssystem zu integrieren. Digitale Information und Vernetzung können dann relativ schnell gemanagt werden. An dieser horizontalen Integration müssen wir arbeiten.“ Michael Ziesemer will das Thema „im Zusammenhang mit den heutigen Gegebenheiten“ betrachtet sehen. Automatisierung mithilfe von Digitaltechnik und Software sei seit mindestens zwei Jahrzehnten etabliert. Neu sind drei Aspekte: „Wir haben heute Rechnerleistung und Speicherplatz wie nie zuvor sowie das Internet als standardisiertes Informationsmedium, auf das wir zurückgreifen können. Vieles ist datengetrieben, auch die neuen Geschäftsmodelle mit ihrer zunehmenden Veränderung vom Produkt- hin zu einem Dienstleistungsgeschäft.“ Für Prof. Dr.-Ing. Arndt Lüder bedeutet Industrie 4.0 einen „Technologiesprung“: „Industrie 4.0 könnte in Zukunft die automatische Integration von Fertigungssystemen zu Herstellung unbekannter Produkte auf Basis von Produkt- und Produktionssystembeschreibungen ermöglichen; sozusagen die Realisierung des Model Driven Engineering in der Produktion“, ist Prof. A. Lüder überzeugt. „Aber bis dahin ist noch ein weiter Weg zu gehen.“ In der bisherigen Automatisierung rede man häufig davon, dass man Daten nutzt, um etwas zu automatisieren. Jetzt vollziehe man einen Sprung von Daten zu Informationen. Ein Datum wird zum Beispiel mit einer bestimmten Bedeutung transportiert: „Die gemeinsame Nutzung von Daten und ihrer Bedeutung ist ein intensiver Treiber für die erwartete Durchgängigkeit.“ Und Johannes Kalhoff ergänzt: „Genau das ist ein wichtiger Punkt: Informationen vernetzen sich automatisch an die verschiedenen Teilnehmer. Das ist ein Schritt weiter nach vorn, der mit CIM vor 20 Jahren begann und an Barrieren, die jetzt aufgelöst werden, zu scheitern drohte. Der Mensch mit seiner Entscheidungsverantwortung wird integriert. Die gelieferten Daten bieten die Entscheidungsgrundlage für sein individuelles, qualifiziertes Handeln und ermöglichen schnelleres Arbeiten.“

Dinge und Funktionen
Was lässt sich nun unter konsensualer I4.0-Semantik verstehen? Es geht – einfach ausgedrückt – um die „Beschreibung von Dingen, die verwendet werden sollen“ – auf eine einheitliche Art und Weise, so J. Kalhoff weiter. Dinge könnten dabei Software oder auch Funktionen sein. „Beides – Dinge und die Funktion – werden gemeinsam beschrieben.“ Als griffiges Beispiel nennt er Tisch und Stuhl. Beides für sich sind Dinge, die Funktion wäre zum Beispiel, den Stuhl unter den Tisch zu stellen. Die Beschreibung der Dinge und ihrer Funktionen in einer für die automatisierte Verarbeitung geeigneten Art und Weise sei die Herausforderung der Zukunft. Dr. P. Adolphs erläutert anhand eines einfachen Beispiels: „Schließe ich einen Sensor an eine Steuerung an, beschreibt die Semantik, dass das Kabel aus einem Sensor herauskommt und an einem bestimmten Port angeschlossen werden soll. Übertragen auf Industrie 4.0 hängt der Sensor aber nicht mehr nur an einem Port einer Steuerung, sondern an einem Netz in einer Cloud. Jeder Teilnehmer kann dann im Netz oder in der Cloud Verbindung mit diesem Sensor aufnehmen.“ Man müsse andere und neue Wege finden und den jeweiligen Zugriff normen, sodass beliebiger Zugriff möglich werde und zum Beispiel von beliebiger Stelle auf einen beliebigen Sensor zugegriffen werden könne. Das sei die Anforderung an die Semantik.

Praktische Erfahrungen
„Erfahrung ist etwas, das man nicht hat, bis kurz nachdem man es gebraucht hätte“, heißt es. Der „eCl@ss“- Standard ist nicht neu. „Wir haben bereits unsere gesamte Produktdatenbank nach diesem Standard strukturiert“, stellt Dr. P. Adolphs für Pepperl+Fuchs heraus. „Unsere Daten werden, zum Beispiel für die Erstellung von Datenblättern, gemäß dem Standard archiviert.“ Und M. Ziesemer ergänzt aus dem Blickwinkel der Prozessautomatisierung: „Es geht auf der einen Seite um die technischen Merkmale, sowohl in Richtung von Projekten und Projektierung als auch Engineering und den Bereich der Instandhaltung. Schließlich kommen Beschaffungsprozesse und die kommerzielle Seite hinzu. Erfahrungen mit einigen Kunden liegen vor und liefern eine praktische Basis, auf die man aufsetzen kann.“ Die Kunden seien dabei zufrieden. „Sie könnten allerdings noch zufriedener sein, wenn wir mehr Schnittstellen in den entsprechenden CAE-Tools hätten“, schließt er an. Dr. M. Hoffmeister betont den Charakter des Miteinanders: Entsprechend des „Konsensualen“ geht es darum, „miteinander zu schnellen Lösungen zu kommen. Das ist eine zentrale Forderung für die nächsten Jahre.“ Welche Produktdaten werden konkret hinterlegt? „Produktdaten, die normalerweise in einem Datenblatt zu finden sind, werden zum Kunden im elektronischen Datenverkehr weitergegeben“, erläutert Dr. M. Hoffmeister das Vorgehen am Beispiel seines Unternehmens. „Konfigurationsgenaue Daten für jedes Gerät sind nur eines der Stichworte. Die nächste Herausforderung ist, zu beschreiben, wozu die Geräte geeignet sind, und die Applikation exakt zu definieren. Wartung und das entsprechende Engineering sowie die Aufbereitung von CAD-Daten kommen hinzu.“ J. Kalhoff ergänzt: „Im Prinzip hat sich der Standard schon relativ gut durchgesetzt und beschreibt umfassend, was wir im industriellen Umfeld an Produkten auf den Markt bringen.“ Das „eCl@ss“-Konsortium deckt eine große Bandbreite von Produkten ab. Erste Applikationen zeigen den Wert der Weiternutzung der Datenketten bis hin zur Wartung. Darüber hinaus gibt es laut Prof. A. Lüder noch weitere wichtige Aspekte: „Die im Konsens getroffenen Beschreibungen gehen über den bisherigen Anwendungsfall hinaus. Aspekte des Einkaufs und der Wartung können schon im Engineering berücksichtigt werden und an Bedeutung gewinnen. Ein Kürzel definiert und identifiziert Objekt und Bedeutung eindeutig. In jedem weitergetragenen Datensatz kann darauf verwiesen werden und jeder, der diesen Datensatz bekommt, kann damit weiterarbeiten. Über verschiedene Hersteller und Werkzeuge hinaus können Informationen übertragen und Daten genutzt werden, ohne irgendetwas zu Papier zu bringen.“

Security im Fokus
„Eine große Herausforderung bei Industrie 4.0 stellt die Security dar“, unterstreicht Dr. M. Hoffmeister. „Wenn das nicht gelingt, ist das ganze Konzept gescheitert. Eine eigene Arbeitsgruppe der Plattform beschäftigt sich deshalb damit. Der Zugang zu Merkmalen bei gleichzeitiger Sicherheit und Unveränderbarkeit dieser wird ein wichtiges Thema zwischen den und für die vielen unterschiedlichen Wertschöpfungspartner sein. Wir können uns die IT zum Vorbild nehmen und viele Dinge aus der Informationstechnologie übernehmen.“ Prof. A. Lüder stellt hierzu heraus: „Die Industrie hat die Verantwortung, sich nicht nur auf die staatlichen Stellen zu verlassen. Partner sind erforderlich, die nicht unbedingt in den etablierten Strukturen verankert sind.“ Er schlägt vor, das Thema Security zum Beispiel auch gemeinsam mit dem Chaos Computer Club zu bearbeiten. „Semantik, deren Erstellung und die digitale Beschreibung von Produkten ist das eine“, differenziert J. Kalhoff. „Auch hier haben wir Daten, die an den Kunden weitergegeben werden, und solche, die im Unternehmen bleiben. Den Kunden werden digital schneller Daten über öffentliche Schnittstellen zur Verfügung gestellt. Das Einbeziehen des Kunden mit entsprechenden IT-Mechanismen und entsprechender Semantik sowie angemessener Sicherheitsstruktur ist ein wichtiges Thema.“

RAMI 4.0 – Referenzarchitekturmodell für die Zukunft
Im Zusammenhang mit Industrie 4.0 entstand die Referenzarchitektur RAMI 4.0. „Es handelt sich um einen Versuch, die Industrie- 4.0-Welt in ein Modell zu fassen und das Verständnis zu erleichtern“, erläutert Dr. P. Adolphs. Die besondere Idee ist, die Kommunikation in der Betriebsphase mit der Datenerfassung für die Lifecycle- Betrachtung zu verbinden. Dazu wurde die sogenannte I4.0-Komponente als wesentlicher Baustein definiert. Sie besteht immer aus einem Asset, einem Stück Hardware, und einem Stück zugehöriger IT, in der ein digitales Abbild der Hardware liegt. Die Kombination aus beidem definiert die I4.0-Komponente. Zwischen diesen Komponenten findet Kommunikation statt, die weit über eine Feldbus-Kommunikation hinausgeht. Es kann sich um Kommunikation während des Betriebs, aber eben auch um den Zugriff auf ein drei Jahre altes Datenblatt handeln . Eine I4.0-Komponente kann eine Maschine, ein einzelner Sensor oder ein Werkstück sein. Im Modell kann sogar eine ganze Fabrik als I4.0- Komponente betrachtet werden. Im RAMI-4.0-Modell sollen alle I4.0- Komponenten miteinander agieren und kommunizieren. Hier hat man bei der IT Anleihen genommen und betrachtet verschiedene Layer oder Ebenen, auf denen sich diese Komponenten miteinander unterhalten. Einer davon ist der Information Layer, der die Daten der Komponente, etwa den Zustand einer Maschine oder eines Sensors, enthält. „Wie die entsprechenden Daten hier abgelegt werden, wird mittels ‚eCl@ss‘-Standard geregelt“, fährt Dr. P. Adolphs fort. Im sogenannten Functional Layer geht man dann den umgekehrten Weg und beschreibt, wie von außen auf die I4.0-Komponente eingewirkt und zugegriffen werden kann. Das ist die Idee des Referenzmodells. Kommunikation und Zugriff erfolgen auf zwei Achsen, einmal in der Hierarchie und zum anderen in der Historie.“ Wie kann die Offenheit für zukünftige Entwicklungen gewährleistet werden? Schließlich könne doch nur Vergangenes geregelt und standardisiert werden. „Wir haben ein Modell und einen Datencontainer als Verwaltungsschale“, erklärt Dr. M. Hoffmeister. „Wichtig ist der Inhalt eben dieses Containers. Wir müssen über die Konzepte hinaus jetzt Inhalte definieren; die Daten müssen sich an Standards orientieren. Es muss nicht jedes Rad neu erfunden werden, aber es ist festzulegen, welche Merkmale erfüllt werden müssen – und das regelt die Semantik. Größere Datenmengen, etwa CAD-Objekte, müssen ebenso eingepasst werden. In jedem Fall muss zu jeder Zeit aus verschiedenen Sichten, etwa der des Engineerings oder der Wartung, Zugriff auf die Daten und ihre Historie möglich sein.“ Prof. A. Lüder räumt in diesem Zusammenhang ein, dass nicht alle technologischen Entwicklungen vorausgeahnt werden können. Es werde immer Weiterentwicklungen geben. Aber: „Die Standards, die derzeit im I4.0- Umfeld entwickelt werden, sind alle objektorientiert und behandeln Eigenschaften, Attribute und Funktionen“, betont Prof. A. Lüder. „Es gibt derzeit aus meiner akademischen Sicht heraus nichts, was mit diesem Modell nicht beschrieben werden könnte.“ J. Kalhoff ergänzt: „Industrie 4.0 bedeutet auch Lebenszyklus-Unterstützung. Das schließt die Erweiterung eines solchen Modells ein. Auch heute haben wir schon Anlagen, die in das Modell überführt werden müssen. Wir müssen verinnerlichen, dass wir eine gute Basis für Migrationsfähigkeit geschaffen haben. Die Semantik zielt auf den Erhalt der Funktionsfähigkeit des Modells hin. Wir wollen kein Weltmodell entwickeln, das ein für alle Mal gültig bleibt, sondern eines, das sich auch zukünftigen Anforderungen anpasst.“ Dr. M. Hoffmeister greift diesen Gedanken auf: „Wir reden nicht von fixen Objekten, sondern von Erweiterungsmöglichkeiten, die jederzeit gegeben sein müssen. Auch eine Maschine in einer Fabrik wird umgebaut oder erweitert. Das semantische Modell muss hier Flexibilität gewährleisten. Gleichzeitig werden die größeren Zusammenhänge beständig aktualisiert.“ „Mit RAMI 4.0 haben wir ein Kommunikationsmodell geschaffen, das sowohl den Lebenszyklus als auch den Aspekt der aktuellen Daten berücksichtigt“, ergänzt Dr. P. Adolphs. „In einer solchen Datenleiste gibt es dann Daten, die sehr früh entstehen – etwa die Abmessungen eines Sensors –, und solche, die während der Laufzeit anfallen, zum Beispiel Schaltzustände. Im Referenzmodell werden alle Aspekte berücksichtigt.“ Die Historie im Lebenszyklus und das Kommunizieren im Ist und Jetzt sind nicht mehr getrennt, sondern zusammengefasst. Prof. A. Lüder verweist in diesem Zusammenhang auf die Bedeutung der Durchgängigkeit im Engineering: „Die standardisierte Beschreibung von ‚eCl@ss‘ bietet eine wesentliche Hilfe, um auch Informationen von einem frühen Entwurf der Anlagen-Grobstruktur über das CAD-Tool bis hin zum CAE und zur SPS-Programmierung zu verstehen.“ Er schätzt, dass der Engineering- Aufwand um 15 % bis 20 % reduziert werden kann.

Branchenübergreifendes Modell
Der implementierte Standard soll weitergepflegt werden. „Der ‚eCl@ss e. V.‘ selbst hat entsprechende Mechanismen implementiert, die es dem Anwender ermöglichen, seine implementierten Varianten zu pflegen“, betont Prof. A. Lüder. „Mit einer neu veröffentlichten Version wird immer gleichzeitig eine Beschreibung zur Übertragung und Aktualisierung auf die aktuelle Version geliefert werden. Somit steht dem Anwender ein automatisierter Mechanismus zur Aktualisierung zur Verfügung, der mit jeder Version bereitgestellt wird.“ Ausgebaut wird auch die branchenübergreifende Kommunikation: „Das Industrie-4.0-Konsortium ist dazu da, die verschiedenen Welten zusammenzubringen“, leitet J. Kalhoff ein. Es gibt eine „hohe Motivation für die IT, auf die Industrie zu schauen und zu sehen, welche Daten und Standards hier verwendet werden.“ Der Sinn des sogenannten Big-Data-Konzepts begründet sich in einer einheitlichen Beschreibung für alle Standards. „Der Bedarf für die Nutzung gemeinsamer Schnittstellen wächst, auch für unsere eigenen Systeme“, betont der Phoenix-Contact-Mann. „Integration in unterschiedliche Tools wird gebraucht“, ist auch M. Ziesemer überzeugt. Dies beschränkt sich nicht nur auf MES- und ERP-Lösungen. Beispielhaft sei hier auch die Kooperation zwischen „AutomationML“ und „eCl@ss“ genannt. „Die Kombination beider ist ein wichtiger Ansatz für das Datenmanagement in Industrie 4.0“, so Prof. A. Lüder. „Beide Standards bedienen aber unterschiedliche Zielrichtungen. ‚eCl@ss‘ beschreibt genau eine Komponente mit ihren Eigenschaften, ‚AutomationML‘ beschreibt hingegen Systeme von Komponenten und ihre Zusammenhänge in ihrer Hierarchie und ihren Relationen zueinander. In ‚AutomationML‘ haben wir uns bewusst entschieden, keinen neuen Standard für Komponenten zu schaffen. Die gemeinsame Arbeitsgruppe von ‚AutomationML e. V.‘ und ‚eCl@ss e. V.‘ hat schon sehr viel erreicht. Gemeinsam haben wir beschrieben, wie eine ‚eCl@ss‘-Klassifikation in ,AutomationML‘ zur Festlegung der Semantik von Datenpunkten genutzt werden kann.“ Auch hinsichtlich der Übertragung von ‚eCl@ss‘- Merkmalen über OPC UA oder Prostep-Schnittstellenlösungen gebe es „kein technisches Limit“, ergänzt Dr. M. Hoffmeister. „Die Kooperation von OPC UA, ,AutomationML‘ und ‚eCl@ss‘ erhöht die Effizienz des Engineering.“ Die Automatisierungswelt rückt zusammen. „Die Referenzarchitektur gibt Richtung und Struktur vor“, so M. Ziesemer. „Die Zusammenarbeit ist konstitutiv für Industrie 4.0. Die Blickwinkel sind vielfältig; es ist vieles entwickelt worden und muss nun genutzt werden.“ Ein nächster Schritt wird eine formelle Zusammenarbeit zwischen ZVEI und dem „eCl@ss“-Konsortium sein.

Erwartungen an „eCl@ss“ in Bezug auf I4.0
„Heute weiß noch niemand, wie Industrie 4.0 funktioniert; dazu ist das Thema zu komplex“, so Dr. M. Hoffmeister. Er betont, dass es in diesem Zusammenhang wichtig sei, sich zu engagieren. „ ‚eCl@ss‘ ist eine wunderbare Plattform, um konsensual zu Lösungen zu kommen.“ Die Offenheit der Kommunikationsstandards ist eine wesentliche Voraussetzung für neue Geschäftsmodelle. „Solange Automatisierungsstandards – so wie wir es heute noch oft vorfinden – proprietär aufgebaut sind, werden wir keine wirkliche Offenheit haben“, betont Dr. P. Adolphs. „Insofern ist das Finden von Standards für den semantischen Austausch eine wesentliche Voraussetzung, um mit neuen Ideen neue Services zu etablieren. Das wird uns vorantreiben und jeder i-Phone-Nutzer kann das bestätigen.“ Ergänzend dazu führt J. Kalhoff an: Der Nutzen bei den Apps ist so hoch, dass automatisch neue Geschäftsmodelle entstehen. Im Hinblick auf ‚eCl@ss‘ müssen wir den Austausch fördern und die Geschwindigkeit forcieren. Erste Schritte sind gemacht; nun gilt es, ‚weiße Flecken‘ aufzudecken, und eine strukturierte Herangehensweise ist gefragt.“ Schließlich führt M. Ziesemer an: „Heute erkennt man, dass ‚eCl@ss‘ sehr vielseitig genutzt werden kann. Was Industrie 4.0 selbst betrifft, so ist es vor zwei Jahren aus der Taufe gehoben worden und zeigt mittlerweile imponierende Auswirkungen.“ Er begrüßt auch den Schritt von Industrie 4.0 von der reinen Verbändeplattform in eine breitere Plattform mit der Politik, dem Wirtschafts- und Forschungsministerium und den Gewerkschaften. „Für die nächsten zwölf Monate würde ich mir wünschen, dass wir 100 unterschiedliche Anwendungen in unterschiedlichen Branchen haben“, schließt er ab. (hz)

Teilnehmer der Expertenrunde
Dr. Peter Adolphs ist CTO bei Pepperl+Fuchs sowie bei der Plattform Industrie 4.0 Sprecher der Arbeitsgruppe 2: Referenzarchitektur, Standardisierung und Normung.

Dr. Michael Hoffmeister vom Portfoliomanagement Software bei Festo ist in verschiedenen Gremien des ZVEI und der Plattform Industrie 4.0 tätig.

Johannes Kalhoff ist im Bereich Corporate Technology von Phoenix Contact für das Segment Industrie 4.0 zuständig und in verschiedenen Arbeitsgremien des ZVEI und der Plattform Industrie 4.0 aktiv.

Prof. Dr.-Ing. Arndt Lüder hat an der Universität Magdeburg das Lehr- und Forschungsgebiet Fabrikautomation inne und ist Vorstandsmitglied des Automation ML e. V.

Michael Ziesemer ist Chief Operating Officer von Endress + Hauser und Präsident des ZVEI.

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