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Digitale Zwillinge im Datenraum

Basis für automatisierte und vertrauensvolle Kooperation

Das Bild der Industrie 4.0 skizziert den Wandel zu einer auf digitalen Daten basierenden prosperierenden Industrie und Gesellschaft. An Momentum gewann die Vision, als erste digitale Zwillinge physische Systeme in cyber-physischen Systemen (CPS) abbildeten, um ihren Nutzen in realen und digitalen Wertschöpfungssystemen auszuspielen. Mit der Initiative Manufacturing-X könnte der Wandel wieder an Fahrt aufnehmen.

 (Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH / Mit Material von shutterstock)

(Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH / Mit Material von shutterstock)

Die Interaktionsfähigkeit der Asset Administration Shell (AAS) als digitalem Zwilling in der Industrie 4.0 bildet die Grundlage für die Datenlogistik der CPS. Die Datenlogistik sorgt neben einem standardisierten Zugriff auf Datenobjekte ebenfalls für deren sichere Verwendung und die semantische Interpretationsfähigkeit zwischen den Akteuren. Industrie 4.0 zielt darauf ab, durch die Digitalisierung mehr Innovation zu ermöglichen, Geschäftsmodelle und Wertschöpfung resilienter gestalten zu können und letztendlich Industrie und Gesellschaft zu Nachhaltigkeit und CO2-Freiheit zu befähigen. Um diesem Anspruch gerecht zu werden, muss – abgesehen von einer standardisierten Datenlogistik – die Zusammenarbeit der handelnden Akteure weiter unterstützt und vereinfacht werden. Dazu bieten Datenräume die notwendigen Mechanismen, sodass die Akteure einfach und vertrauensvoll in digitalen und automatisierbaren Ökosystemen handeln können.

Schwierig abbildbare Wertschöpfungsketten

Gerade das Teilen von Daten führt vielfach zu Dissonanzen hinsichtlich der Nutzung und Werteinschätzung zwischen den Beteiligten. Dies ist besonders hemmend, wenn der Vorteil lediglich in einer wenn möglich sogar automatisierbaren Kooperation erzeugt werden kann. Zudem lassen sich Wertschöpfungsketten entlang einer Zulieferkette oft nur unvollständig nachvollziehen und mit hohem Aufwand abbilden. Das reduziert die Flexibilität und erschwert den zunehmenden Anspruch an die Resilienz in den Geschäftsmodellen. In Summe liegen Potenziale brach, die sich durch vertrauensvolle Zusammenarbeit erschließen lassen. Die Kooperation zwischen Unternehmen wird heute meist durch bilaterale Verträge definiert, was die Kenntnis über den Partner, eine Beschreibung des Verhandlungsgegenstands und rechtssichere Vereinbarungen im Umgang miteinander beinhaltet. Diese Abstimmung geschieht meist personenbezogen in Verhandlungen zwischen den Parteien. Ungleiche Machtverhältnisse und rechtliche Interpretationen, gerade zwischen internationalen Akteuren, können die Absprache beeinträchtigen oder sogar verhindern. Vertrauen hat hier verschiedene Facetten: Auf der einen Seite gilt es, das Mindset der Beteiligten im Umgang mit Daten von deren Besitz bis zur Weitergabe zu verändern. Dies ist auch eine gesellschaftliche Aufgabe der Politik und Verbände. Andererseits muss der technische Unterbau für die vertrauensvolle Zusammenarbeit in automatisierbaren Systemen sichergestellt werden.

Asset Administration Shell (AAS) – Datenlogistik für Datenräume (Bild: angelehnt an RAMI 4.0 / ©Plattform Industrie 4.0 / Phoenix Contact Deutschland GmbH)

Asset Administration Shell (AAS) – Datenlogistik für Datenräume (Bild: angelehnt an RAMI 4.0 / ©Plattform Industrie 4.0 / Phoenix Contact Deutschland GmbH)

Einheitliche Interaktion mit Unternehmen und Produkten

Das Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (Rami 4.0) stellt als Schichtmodell die Übergänge von der realen in die digitale Welt der interoperablen Datenkommunikation und Geschäftsmodelle als Layer dar. Während die beiden unteren Schichten die Physik und Migration zur Digitalisierung beschreiben, wird im Layer Communication die interoperable und standardisierte Industrie-4.0-Kommunikation über die AAS abgebildet. Sie kann in ihrer Architektur Teilmodelle verankern, die Informationen für Geschäftsprozesse verfügbar machen. Die ebenfalls als Datenlogistik bezeichneten Layer Communication und Information fungieren als interoperabler Kern der Industrie-4.0-Architektur. Technisch umfasst die Asset Administration Shell als Kernarchitektur folgende Bestandteile:

  • • Methoden zur Bildung digitaler Zwillinge mit dem AAS-Metamodell. Dies schließt die automatisierbare Verwendung bestehender oder in unterschiedlichen Domänen eingesetzter Modelle ein.
  • • Teilmodelle, die auf Standards basieren und die Informationen von Produkten, Wertschöpfungsketten oder Geschäftsmodellen bereitstellen. Das beinhaltet die automatisierbare Übersetzungsfähigkeit, die für die Kopplung von Datenräumen oder Sektoren notwendig ist.
  • • Rest API, das den Zugriff auf die AAS und ihre Teilmodelle über Services erlaubt.
  • • Security-Fähigkeiten, die den sicheren Datenzugriff auf verwendete Teilmodelle bis zu einzelnen Objekten organisieren und die Authentifizierung und Autorisierung sicherstellen. Dies umfasst auch die Usage Policy, die automatisierbare Nutzungsrichtlinien für ein selbstbestimmtes Handeln mit Daten in eigenen Geschäftsprozessen ermöglicht.

In Summe liefert die Datenlogistik über ein einziges Verfahren einen Kommunikationszugang für die einheitliche Interaktion mit hunderten Unternehmen und einer Vielzahl von Komponenten und Produkten.

Was Datenräume ausmacht

Datenräume schaffen die Voraussetzungen für eine automatisierte und vertrauensvolle Zusammenarbeit in den Use Cases. Zu klären ist, wer ist beteiligter Akteur? Was sind die gemeinsam akzeptierten rechtlichen Vereinbarungen? Und welche technische Interaktion in Semantik und Funktion wird eingesetzt? Bedingung ist eine verlässliche Interaktionsmethodik, die durch die AAS als Datenlogistik zur Verfügung gestellt wird. Zu den zentralen Elementen von Datenräumen zählen:

Abgestuftes Nutzungspotenzial

In Datenräumen finden Partner zusammen, die ähnliche Aufgaben gemeinsam lösen wollen. Ziel ist es effizienter zu arbeiten, Aufgaben in Kooperation zu bewältigen oder Fähigkeiten zu erhalten, die ein Unternehmen allein nicht erreichen kann. Als Beispiel sei Catena-X als Datenraum für die Wertschöpfungsketten in der Automobilindustrie genannt. Mit Manufacturing-X wird nun die Brücke über zahlreiche Industrien und Applikationen geschlagen, die über eine standardisierte Architektur für eine gemeinsam verwendete Datenlogistik verfügt: gemeinsam in der Architektur sowie föderal und souverän in der technischen Ausführung und Datennutzung. In einem industriell verwendeten Datenraum von Komponentenlieferanten, Integratoren/Maschinenbauern und Betreibern von Produktionssystemen lässt sich das Nutzungspotenzial in Stufen denken. Je komplexer und vielseitiger das Produkt ist, umso mehr Technik muss entwickelt und mit gemeinsamen Diensten verknüpft werden, die es mit externen Partnern abzustimmen gilt. Perspektivisch werden die Fähigkeiten von Unternehmen im Markt wesentlich durch ihren Einsatz von Digitalisierung sowie einer Datenlogistik zwischen den Partnern bestimmt.

Kosten durch Materialanlage

Produkte und deren Informationen liefert der Hersteller schon heute über seine Internetpräsenz offen und suchbar in einer vom Menschen lesbaren Form oder als Datensatz. Das Anlegen von Materialien erfordert allerdings hohen manuellen Aufwand für das Interpretieren und Einpflegen von Informationen und Investitionen zur technischen Anbindung der unterschiedlichen IT-Produkte. Bei der großen Transaktionsmenge – beispielsweise beim Anlegen neuer Materialien im Product Lifecycle Management (PLM), der Dokumentation aller in der Konstruktion verwendeten und an den Kunden ausgelieferten Komponenten im ERP-System oder dem Update- und Patch-Management softwarebasierter Produkte während des Lebenszyklus – erweist sich der Aufwand als erheblich. Neben den direkten Kosten der Implementierung verschiedener Datenschnittstellen und der Datenübernahme aus unterschiedlichen Systemen oder Dokumenten entstehen bei fehlender Datenqualität indirekte Kosten. Die Nutzung einer standardisierten Datenlogistik via Asset Administration Shell und eines industriellen Datenraums vereinfachen hingegen das Bereitstellen von digitalen Produktdaten im Engineering-Prozess oder als Digital Product Passport (DPP) in papierloser Form für ausgelieferte Produkte.

Teilmodelle bereits festgelegt

Als Vereinbarung umfasst der DPP dazu die Verwendung einer einheitlichen Schnittstelle mit QR-Code zur Identifizierung des Produkts, die AAS in den IT-Systemen sowie die Produktinformationen in definierten Teilmodellen. Für ausgelieferte Produkte sind die Teilmodelle für das ‚Nameplate‘, ‚Technical Data‘ und ‚Handover Documentation‘ bereits festgelegt. Spezifische und schützenswerte Informationen lassen sich hier ebenfalls abbilden. Über Zertifikate oder andere Security-Mechanismen können nur zugelassene Nutzer auf die Dateninhalte zugreifen.

Digitaler Product Passport (DPP) (Bild: angelehnt an das digitale Typenschild des ZVEI / Phoenix Contact Deutschland GmbH)

Digitaler Product Passport (DPP) (Bild: angelehnt an das digitale Typenschild des ZVEI / Phoenix Contact Deutschland GmbH)

Manufacturing-X als Umsetzungsinitiative

Wie die Beispiele zeigen, kann die Beteiligung an Datenräumen schon mit wenig Aufwand höhere Effizienz und Kundennutzen in Produktivprozessen erzeugen. Die beteiligten Akteure und rechtlichen Vereinbarungen im Kundenkontakt sind bekannt. Die technische Interaktion kann durch die AAS und oft bereits vorhandenen Definitionen in Teilmodellen verwendet oder umgesetzt werden. Voraussetzung für den Erfolg ist eine breite Nutzung der AAS als Basistechnologie für die Datenlogistik in Industrie 4.0-Applikationen. Außerdem müssen Teilmodelle und Services festgelegt werden. Hier stellt die Industrial Digital Twin Association (IDTA) die Infrastruktur zur Verfügung. Mit den Verbänden VDMA, ZVEI und Bitkom werden die Hersteller von IT- und OT-Produkten gebündelt, um die notwendigen Definitionen und Services weiterzuentwickeln und über die Mitgliedsunternehmen anzuwenden.

Bereit zur Zusammenarbeit

Die Initiative Manufacturing-X der Plattform Industrie 4.0 regt Unternehmen an, einen industriellen, branchen- und unternehmensübergreifenden sowie souveränen Datenraum zu schaffen. Sie fördert eine multilaterale Zusammenarbeit entlang der Wertschöpfungsprozesse. Use Cases wie Collaborative Condition Monitoring (CCM) oder datenbasierte Geschäftsmodelle werden hier ebenso erprobt wie der Digital Product Passport, das Update- und Patch-Management oder die Ausweisung des CO2-Fußabdrucks entlang der Lieferkette. Der Einsatz der Asset Administration Shell könnte mit Manufacturing-X Fahrt in Richtung eines breiteren industriellen Einsatzes aufnehmen.


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