A A A
| Sitemap | Kontakt | Impressum | Datenschutz
ETZ Logo VDE Verlag Logo

Engineering 4.0 – anwenderorientierte Datenplattformen

(Bild: fotolia_everythingpossible)

(Bild: fotolia_everythingpossible)

Expertenrunde auf dem VDMA-Forum

Expertenrunde auf dem VDMA-Forum

Prof. Arndt Lüder: „Wir brauchen in einer zentralen Datenhaltung nicht nur die technische Beschreibung, also die Syntax, sondern auch die Semantik, die Bedeutung der Daten“

Prof. Arndt Lüder: „Wir brauchen in einer zentralen Datenhaltung nicht nur die technische Beschreibung, also die Syntax, sondern auch die Semantik, die Bedeutung der Daten“

Dr. Michael Hoffmeister: „Mit dem Einheitsblatt VDMA 66415 schaffen wir vor allem Sicherheit“

Dr. Michael Hoffmeister: „Mit dem Einheitsblatt VDMA 66415 schaffen wir vor allem Sicherheit“

In den Entwurfsprozessen des Maschinen- und Anlagenbaus werden immer mehr Softwarewerkzeuge verwendet. Deren datentechnische Vernetzung ist einer der derzeit am meisten untersuchten Hebel für eine effizientere Gestaltung des Engineering-Workflows. Eine Expertenrunde diskutierte im VDMA-Forum der Automatisierungsmesse SPS IPC Drives neue Lösungsansätze. Aktueller Hintergrund: Das „PAiCE“-Forschungsprojekt „INTEGRATE“, das VDMA-Einheitsblatt 66415 „Universelle Anwender-Datenbasis“ [1] und das Datenaustauschformat „AutomationML“.

Maximale Produktionsergebnisse mit minimalem Zeitaufwand bei maximaler Bezahlung – so lautet das Ziel vieler Produktionsoptimierer. Das Engineering ist dabei oft ein Störfaktor. Denn besonders im – disziplinenübergreifenden – Engineering der automatisierungstechnischen Ausrüstung von Maschinen, Anlagen und Produktionssystemen ist der (manuelle) Aufwand für das Engineering trotz vieler Fortschritte in den Softwaretechnologien immer noch hoch.
„Engineering wird immer von mehreren Personen realisiert, die fachspezifisch unterschiedliche Entwurfsmittel benutzen und verschiedene Entscheidungen und Ergebnisse erzeugen, die dann wiederum von anderen Disziplinen benutzt werden müssen“, betont Prof. A. Lüder. „Es ist nur zu menschlich, dass bei der Nutzung und Weitergabe der Daten Fehler gemacht werden und dafür Zeit benötigt wird.“ Erforderlich ist eine konsistente Nutzung der Informationen entlang der gesamten Entstehungskette einer Maschine, eines Produktionssystems oder eines technischen Objekts. „Besseres Engineering heißt vor allem auch schnelleres Engineering mit weniger Fehlern“, bestätigt H. Steininger. „Entstehende Daten sollen nicht nur am Anfang beim Bau einer Anlage genutzt werden, sondern auch im laufenden Betrieb.“ Dies sei ein wertvoller Schatz für den Betrieb und die Wartung. Dr. M. Hoffmeister betont, dass für das gesamte System ein Mehrwert mittels modellbasiertem Engineering geschaffen werden muss: „Es muss an Lösungen gearbeitet werden, die es den unterschiedlichen Nutzern und allen am Prozess Beteiligten ermöglichen, einheitliche Sichten zu bekommen, ohne aus ihrem gewohnten Umfeld herausgerissen zu werden.“
„In der Fertigungsrealität hat man meist sehr gute Ideen, was eine Maschine alles ausmacht. Im Laufe des Betriebs einer Maschine gibt es daher Änderungen durch verschiedene Personen“, nennt Dr. M. Hoffmeister als Grund für das Streben nach Vereinfachung des Engineerings. „Informationen laufen auseinander. As planned soll aber – auch und gerade im Zusammenhang mit Industrie 4.0 – das gleiche sein wie as build und as operated.“ Er fordert: „Wir müssen dafür sorgen, dass die digitalen Modelle nicht nur am Anfang des Lebenszyklus mit der Realität übereinstimmen, sondern immer und kontinuierlich.“ Daher müsse man sich tatsächlich über die verschiedenen Sichtweisen auf die digitalen Daten und das Anwenderwissen über die Anforderungen an die Maschine unterhalten. Dies sei auch ein wesentlicher Bestandteil der Entwurfsarbeit zum VDMA­Einheitsblatt 66415.

Heinrich Steininger: „Besseres Engineering heißt vor allem auch schnelleres Engineering mit weniger Fehlern“

Heinrich Steininger: „Besseres Engineering heißt vor allem auch schnelleres Engineering mit weniger Fehlern“

Dr.-Ing. Lorenz Hundt: „Bei ‚INTEGRATE‘ handelt es sich um ein Forschungsprojekt mit dem Ziel, eine offene Plattform für kooperative Engineering-Prozesse zu entwickeln“

Dr.-Ing. Lorenz Hundt: „Bei ‚INTEGRATE‘ handelt es sich um ein Forschungsprojekt mit dem Ziel, eine offene Plattform für kooperative Engineering-Prozesse zu entwickeln“

Wichtige Informationen selektieren
„Dabei geht es nicht um alle Daten dieser Welt, sondern um die für den Anwender relevante Datenmenge und deren Filterung“, betont Dr. M. Hoffmeister in Bezug auf die zu verwendenden Daten. Letztlich sei es wichtig zu erkennen, welche Informationen die beteiligten Gewerke übergreifend benötigen. „Das wird heute schon – jeweils proprietär mit Bauteil­, Stück­ und E/A­Signallisten – realisiert“, setzt er fort. Die Informationen sind vorhanden, oftmals aber würden die gleichen Informationen mit unterschiedlichem Wording mehrfach weitergegeben.
Zunächst muss daher eine Datenbasis generisch definiert werden, um die für den Anwender bei der Projektierung und im Betrieb relevanten Daten zu filtern und – an den Bedürfnissen der Anwender orientiert – einheitlich nutzbar zu machen. „Wir möchten eine anwendernahe Skalierung vom einfachen Tabellenformat bis hin zur Server­basierten Lösung vornehmen“, ergänzt Prof. A. Lüder. „Der Anwenderbedarf steht dabei im Fokus.“ Allerdings müsse es eine klare Unterscheidung geben: „Es gibt immer die Fragen: Was will ich bewegen und wie will ich es bewegen? Das VDMA­Einheitsblatt 66415 konzentriert sich auf das Was. Dahinter steht das entsprechende Management der Daten und deren Organisation.“ Er ergänzt: „Es geht weniger darum, einen bestimmten Dialekt zu definieren, sondern herauszufinden, welche Datenschnittmengen die beteiligten Ingenieure der verschiedenen Disziplinen gemeinsam haben.“
H. Steininger bestätigt: „Ingenieure konstruieren Maschinen und Anlagen, sie sind keine ‚Datenverschieber‘, sondern Mechaniker, Elektriker oder Steuerungsprogrammierer. Wenn man ihnen Unterstützung bei der Verwaltung ihrer Daten geben will, dann muss man sie dort abholen, wo sie derzeit sind: Bei den Werkzeugen, die sie heute einsetzen und mit denen sie arbeiten, um sie dann Schritt für Schritt zu mehr Effizienz zu führen.“ Ingenieure müssen bei jedem Schritt einen Nutzen erkennen.

Einheitliche Lösung
Welcher Nutzen entsteht durch Standardisierung? „Viele Hersteller definieren letztlich Datenformate und Protokolle proprietär und betreiben jeweils den gleichen Aufwand“, betont Dr. M. Hoffmeister. Eine gemeinsame Dateninfrastruktur spart hingegen individuellen Aufwand.“ Die Nutzung der Daten sollte so selbstverständlich wie bei Mobiltelefonen und Apps sein. Die Daten sollten sich auf verschiedene Werkzeuge situativ anwenden lassen, ohne jedes Mal eine neue Speziallösung schreiben zu müssen.“
Im VDMA­Einheitsblatt 66415 wird kein einzelnes neues Datenformat beschrieben. Es definiert vielmehr laut Prof. A. Lüder „die Geräteliste oder E/A­Signalliste als generisches Tabellenobjekt“. VDMA 66415 bildet die funktionale geräteorientierte Struktur innerhalb eines Projekts möglichst einfach ab und ordnet allen Objekten auf den unterschiedlichen Ebenen beschreibende Informationen zu. „Dabei beschränkt es sich auf allgemeine Funktionen, die jedes Objekt haben muss und die es dem Anwender zugleich ermöglichen, seine anwendungsspezifischen Applikationsparameter ebenfalls in der Beschreibung abzulegen. Am Ende entsteht also eine umfangreiche Tabelle als Datenlistenobjekt, welches das konsistente Management der Informationsmenge und deren Weitergabe ermöglicht“, so Prof. A. Lüder. H. Steiniger ergänzt „Diese Tabelle soll eine verlässliche Struktur haben, verständlich und belastbar sein.“
Dr. M. Hoffmeister fährt fort: „Um die Geräteliste in einen Kontext bringen zu können, gehören noch zwei ‚Flügel‘ dazu: Auf der einen Seite müssen Strukturen definiert werden – etwa eine Produktionslinie, die aus Geräten besteht, welche wiederum hierarchisch strukturiert sein können. Auf der anderen Seite der Geräteliste finden sich Informationen, die darüber hinaus benötigt werden, zum Beispiel in Richtung Verdrahtung oder Programmierung.“
„Mit dem Einheitsblatt schaffen wir vor allem Sicherheit“, ist Dr. M. Hoffmeister überzeugt. „Alle am Engineering­Prozess Beteiligten nutzen die gleiche Semantik und können auf konsistente Informationen zugreifen.“ Disziplinenübergreifend sind alle benötigten Informationen enthalten und jeder kann mit dieser Datenbasis als dem kleinsten gemeinsamen Nenner der Anwenderinformationen arbeiten. Dies betrifft auch Teilaufträge, sofern die Datenbasis gemeinsam gepflegt und aktualisiert wird. Dr. L. Hundt findet diese Aktivitäten sinnvoll, da verlässliche Strukturen entstehen, in denen „auch kleinere Engineering­Dienstleister in größeren Prozessen mitarbeiten und zum Beispiel als Zulieferer teilhaben können“. Laut Prof. A. Lüder werden zukünftig auch andere Formate, wie ‚ „AutomationML“, in das VDMA­Einheitsblatt eingebunden: „Solche Fragen sind Gegenstand diverser Projekte, wie etwa ‚INTEGRATE‘.“

Forschungsprojekt „INTEGRATE“
„Bei ‚INTEGRATE‘ handelt es sich um ein Forschungsprojekt mit dem Ziel, eine offene Plattform für kooperative Engineering­Prozesse zu entwickeln“, so Dr. L. Hundt. Unterschiedliche Engineering­Werkzeuge sollen sich über offene Konnektoren anbinden und mittels dieser Plattform vielfältige Prozesse bedienen können. Integriertes Modellmanagement und integrierte Security­Funktionen sind weitere wichtige Bestandteile. „Es handelt sich dabei nicht um ein Tool oder eine simple Datenbank, sondern um eine echte Plattform, die von unterschiedlichen Nutzern benutzt werden kann“, schließt Dr. L. Hundt an.
„Der Einsatz geht in zwei Richtungen“, fügte H. Steininger hinzu. „Einerseits haben wir bereits existierende Anwendungen mit entsprechenden Engineering-Tools, die ihre Daten über diese Plattform beziehen bzw. einspielen können und die dann auf der Plattform versioniert und integriert werden. Zum Zweiten dient das so entstehende Anlagenmodell für Services wie Konsistenzprüfung oder Analyse des Prozesses.“ Es gibt also einerseits die Tooldaten­Integration und andererseits die Service­Schnittstelle, die entwickelt wird, um es unterschiedlichen Service­Anbietern zu erlauben, Daten kontrolliert zu nutzen. Prof. A. Lüder ergänzt, dass man „nicht nur auf das Engineering, sondern auch im Besonderen auf die Laufzeit der Anlage“ schaue. „Die Informationen, die im Engineering entstehen, müssen auch während der Lebenszeit der Anlage nutzbar gemacht werden.“ Überprüft werden Möglichkeiten, diese Daten, etwa via OPC UA, wieder auf die Anlage zu spielen.

Zusammenhänge der Integration
„Wir brauchen in einer zentralen Datenhaltung nicht nur die technische Beschreibung, also die Syntax, sondern auch die Semantik, die Bedeutung der Daten“, betont Prof. A. Lüder. „VDMA 66415 liefert die Basis für die semantische Beschreibung der Objekte sowie Informationen über die Hierarchie der Datenpunkte, die strukturiert werden sollen. Es beschreibt, was wir ablegen, ‚AutomationML‘ definiert das Wie und ‚INTEGRATE‘ liefert die technische Realisierung des Ganzen als darüber liegendes technisches Management der Daten.“
„Mit dem Ansatz des VDMA­Einheitsblatts ist es möglich, die Tabellendarstellung in eine ‚AutomationML‘­Darstellung zu transformieren und dann mit der Integrate­Plattform zu verwenden“, erläutert H. Steininger. „Die Verlässlichkeit der Tabelle als stabiles Format für den Anwender wird also genutzt, um ein neues, höherwertiges Datenformat, wie AutomationML, zu generieren und damit die ‚INTEGRATE‘­Plattform zu befüllen.“
Welcher Nutzen entsteht daraus? „Die ‚INTEGRATE‘­Plattform bietet die Möglichkeit, über das VDMA­Einheitsblatt den Engineering­Prozess zu organisieren und erlaubt zudem dem Nutzer, seine bekannten Formate weiter zu verwenden und sie in Kombination mit anderen Planungswerkzeugen, die vielleicht noch komplexere Datenmodelle im Hintergrund haben, einzusetzen“, antwortet Dr. L. Hundt. Genau darin sieht auch Prof. A. Lüder den „größten Mehrwert, da die Plattform zusätzliche Funktionalitäten erlaubt, die es dem Nutzer ermöglichen, Konsistenzprobleme beim Engineering zu vermeiden“. Als einfaches Beispiel nennt er einen Geräteverbund, die mit Ethernet vernetzt werden soll. Der Mechaniker stellt die Geräte zusammen, der Elektriker verkabelt sie und niemand schaut auf die maximal zulässige Leitungslänge von 100 m. Solche Konsistenzregeln werden nun ganz simpel gecheckt.
Für Prof. A. Lüder ist „AutomationML“ das „HTML“ des Engineerings: „Alle relevanten Daten werden abbildbar.“ Für Dr. L. Hundt ist „Automation ML“ „ein Modell für Komponenten jeder Art, mit dem die Informationen sofort zur Verfügung gestellt werden können. Laut Dr. M. Hoffmeister werden mit Industrie 4.0 Datenformate wie ‚AutomationML‘ und gleichzeitig standardisierte Informationsmodelle beschrieben: „Erst dann stehen alle wesentlichen Informationen zur Verfügung.“

RAMI 4.0 und Datenaustauschformate
Mit dem RAMI­4.0­Modell wird laut Dr. M. Hoffmeister gezeigt, wie man über den gesamten Lebenszyklus von Maschinen und Anlagen, aber eben auch von Bauteilen ein gemeinsames Referenzmodell verwenden kann. Damit können alle Beteiligten agieren, um Funktionalität, Information und Integration zu gewährleisten: „Man kann schneller etwas auslagern, schneller Alltagsaufgaben des Engineerings an Softwaretools delegieren, schneller neue Wertschöpfungsketten bilden und dort Informationen kreisen lassen.“ Das alles setzt voraus, dass nicht nur Technologien entwickelt, sondern auch Informationen standardisiert werden, um Interoperabilität zu gewährleisten. „Die Beschreibung der verschiedenen Domänen ist einer der Schwerpunkte von Industrie 4.0“, erklärt Dr. M. Hoffmeister. „Dazu zählt auch die Beschreibung von Engineering­Prozessen und deren Vereinfachung – Schwerpunkt des VDMA­Einheitsblatts 66415.“
Den Zusammenhang mit der Verwaltungsschale beschreibt Dr. M. Hoffmeister folgendermaßen: „Bis jetzt haben wir immer die Verwaltungsschale als etwas gesehen, das sich wie ein Gerät anfühlt. Jetzt versuchen wir, Verbundkomponenten in einer Engineering­Situation zu beschreiben. Verschiedene in sich gekapselte Komponenten werden über Referenzen miteinander verbunden und innerhalb eines Asset­Systems einheitlich einschließlich ihrer Funktionalität und der Struktur der Maschine beschrieben.“ Auch Use Cases wie etwa künstliche Intelligenz müssen ein Verständnis für die Komponente haben. „Verschiedene Abnehmer, zum Beispiel Asset­, Assistenz­ und Virtual­ Reality­Systeme, sollen in gleicher Art und Weise Zugriff auf die Verbindungsinformationen haben“, schließt er an. „Das ist dann auch wiederum der Brückenschlag zum ‚INTEGRATE‘­Projekt.“ H. Steininger bestätigt: „Die Verwaltungsschale als komplexe Verbundkomponente arbeitet mit Mitteln, wie Tabellen und Listen, die bereits etabliert sind.“
„Die Verwaltungsschale entsteht auf Grundlage der Engineering­Informationen und enthält diese“, berichtet Prof. A. Lüder. „Im Engineering entsteht ein Daten­Cluster und die Verwaltungsschale benötigt bestimmte Informationen, die geeignet klassifiziert und strukturiert werden müssen. Wichtig ist, zu definieren, welche Informationen gebraucht werden.“ Für Dr. L. Hundt steht fest: „Dem Maschinen­ und Anlagenbauer kann nicht zugemutet werden, alle Konzepte vor­ und mitzudenken, aber technische Lösungen und Hilfsmittel, wie VDMA­Einheitsblatt und Verwaltungsschale, liefern einen Einstieg in Industrie 4.0.“

Zusammenarbeit der Initiativen
Laut H. Steininger ist ein 30%iger Effizienzgewinn im Engineering nach der Datenintegration möglich. Das Forschungsprojekt „INTEGRATE“, „AutomationML“ und der VDMA­Fachverband Elektrische Automation mit dem Einheitsblatt 66415 wollen zukünftig zusammenarbeiten. Im Rahmen der Messe SPS IPC Drives unterzeichneten der VDMA Elektrische Automation und der „AutomationML e. V.“ eine Absichtserklärung („Memorandum of Understanding“) zur Erarbeitung einer „AutomationML“ VDMA 66415 Application Recommendation. Mit VDMA 66415 wird der Anwenderbedarf als generische „Universelle Datenbasis“ formuliert. Sie bestimmt Informationsinhalte, ­gliederung und Anwendungsvorgehen. Das Forschungsprojekt „INTEGRATE“ und „AutomationML“ sorgen für das Bereitstellen einer zentralen Datenhaltung für Entwurfsprojekte, für die Anbindung von Entwurfswerkzeugen mit Open Source API, für die Verbindung von Entwurfs­ sowie Laufzeitdaten und ermöglichen Mehrwertdienste über Daten, zum Beispiel zur Konsistenzsicherung. (hz)

Literatur [1] Heinze, R.: Universelles Datenformat für das auftragsbezogene Engineering. etz elektrotechnik & automation 137 (2016) H. 4, S. 18 – 22

Die Teilnehmer der Expertenrunde