Wenn Maschinen sprechen lernen
Die Plattform Industrie 4.0 arbeitet an neuen Kommunikationsstandards für die digitalisierte Industrie

Martin Hankel, Bosch Rexroth AG und Christian Diedrich, Institut für Automation und Kommunikation, Magdeburg

Die Digitalisierung verändert die industrielle Produktion in Deutschland nachhaltig: In der Industrie 4.0 entstehen aus Produktionsanlagen sowie Informations- und Kommunikationstechnik intelligente Wertschöpfungsnetzwerke. Mit dem Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 legt die Plattform Industrie 4.0 erstmals ein Koordinatensystem vor, das alle wesentlichen Aspekte von Industrie 4.0 in drei Dimensionen sortiert. Das RAMI-Raster bringt Orientierung, zeigt aber auch weiteren Handlungsbedarf auf dem Weg in die digital-vernetzte Produktion. Ein wesentlicher Bedarf besteht in einem einheitlichen Interaktionsmodell. Sollen Maschinen, Anlagen, Sensoren und Produkte miteinander interagieren, müssen sie die gleiche Sprache sprechen. In der Arbeitsgruppe „Referenzarchitekturen, Standards und Normung“ der Plattform Industrie 4.0 arbeiten Experten aus verschiedenen Bereichen daran, diesen Kommunikationsstandards näher zu kommen und legten im November 2016 neue Ergebnisse vor.

Mit RAMI 4.0 zu einheitlichen Standards 
„Referenzarchitekturmodell der Industrie 4.0“ – kurz RAMI 4.0 – wurde von der Arbeitsgruppe „Referenzarchitekturen, Standards und Normung“ der Plattform Industrie 4.0 entwickelt. RAMI 4.0 kann als dreidimensionales Koordinatensystem verstanden werden, in dem erstmals alle wesentlichen Aspekte von Industrie 4.0 abgebildet sind: In der Dimension der Hierarchiestufen werden die unterschiedlichen Funktionalitäten innerhalb der Fabrik oder der Anlage dargestellt – vom Produkt bis zur „Connected World“. Die zweite horizontale Dimension beschreibt den Lebenszyklus von Anlagen und Produkten – von der Entwicklung über die Produktion bis zu Gebrauch und Wartung. Die vertikale Dimension der Layers stellt die IT-Repräsentanz dar, das heißt das digitale Abbild von beispielsweise einer Maschine.
Dieses Referenzmodell bietet Unternehmen aus verschiedenen Branchen – von der Fertigungsautomatisierung über den Maschinenbau bis hin zur Verfahrenstechnik – einen einheitlichen Orientierungsrahmen. Komplexe Zusammenhänge können so in kleinere, überschaubare Pakete aufgegliedert und bestehende Standards identifiziert werden, die für die spezifischen Anwendungsszenarien eines Unternehmens relevant sind. Zudem werden durch RAMI 4.0 Überschneidungen und Lücken in der Standardisierung sichtbar. 
Auf Initiative der Arbeitsgruppe ist das Referenzarchitekturmodell RAMI 4.0 als DIN-Spezifikation DIN-SPEC 91345 genormt und veröffentlicht worden. Zudem wird RAMI 4.0 seit kurzem auch in den internationalen Normungsorganisationen International Organization for Standardization (ISO) und International Electrotechnical Commission (IEC) diskutiert.


Bild 1: Das dreidimensionale Referenzarchitekturmodell
Industrie 4.0 (RAMI 4.0) | 
© Plattform Industrie 4.0 und ZVEI.

Layer-Dimension: Beispiel einer servohydraulischen Achse
RAMI 4.0 ist vertikal in sechs Architekturschichten unterteilt. Die unterste Schicht repräsentiert alle Assets, in der alle realen Dinge verortet sind. Die Integrationsschicht sorgt für den Übergang zwischen realer und digitaler Welt, die weiteren vier Schichten (Kommunikations- bis Geschäftsschicht) stellen die digitale Welt dar, wie sie bei Industrie 4.0 zum Tragen kommt.
Am Beispiel der servohydraulischen Achse können die Layer-Dimensionen verdeutlicht werden. Die Assets sind in einer servohydraulischen Achse: der hydraulische Zylinder, der Block mit der eingebauten Pumpe, aber auch der Servomotor. Über ein Verbindungskabel ist ein Antriebsverstärker angeschlossen. Der Antriebsverstärker selbst ist ebenfalls ein Asset. Er dient aber auch als Verbindungselement für den elektrischen Servomotor, d. h. seine Hardware ist in der Assetschicht verortet, sein digitaler Anteil liegt dafür in der Integrationsschicht (Bild 2). Die proprietären Funktionen wie die Momenten- und Geschwindigkeitsregelung sind ebenfalls der Integrationsschicht zuzuordnen – genau wie die dafür notwendigen Daten. Es können auch Zusatzfunktionen in den Antriebsverstärker geladen werden, die ebenfalls proprietär sein können. In unserer Beispiel-Achse soll eine Energieeffizienz-Funktion mit I4.0 Daten gegeben sein, deswegen wurden keine Zusatzfunktionen in den Antriebsverstärker geladen. Ebenso soll die Lageregelung z. B. mit einer standardisierten Funktion aus der PLCopen realisiert sein und damit auch standardisierte Daten nutzen. Daher werden die notwendigen Daten über eine I4.0 Kommunikation (hier im Beispiel über OPC-UA auf Ethernet Kabel) übertragen und als I4.0 Daten in der Datenschicht zur Verfügung gestellt. Die beiden Funktionen (Lageregelung nach PLCopen und Energieeffizienz nach IEC) können nun mit den I4.0 Daten arbeiten. Im Businessprozess ist ein Energiemanagement (z. B. nach ISO 50001) hinterlegt, das auf die Auswertung der Energiedaten in der Funktionsschicht zugreift.

Die Lageregelung selbst ist in diesem Beispiel mit einer weiteren RAMI 4.0-Komponente (z. B. einer Kopfsteuerung) verbunden. D. h. die Lageregelung bezieht ihre Positionsvorgaben von der RAMI 4.0-Komponente der Kopfsteuerung über eine I4.0 Kommunikation und verwendet diese für ihre eigene Lageregelung.
An dem Beispiel sieht man, dass momentan nur sehr wenige Daten als I4.0 Daten angewendet werden. Hier zeigt sich die Migration von heutiger Technik in Richtung Industrie 4.0. Es können nach und nach Daten für die Industrie 4.0 angelegt werden. Ob diese dann in einer Komponente abgelegt sind oder in einer Plattform, obliegt der Implementierung. Viele Funktionen, die z. B. sehr maschinenah auszuführen sind, werden komponentennah realisiert, andere Funktionen, wie z. B. ein Energiemanagement für eine Fabrik, sind eher übergeordnet angesiedelt. 
Für eine gute Migration nach Industrie 4.0 ist es aber wichtig, die wesentlichen Daten bereits als I4.0 Daten zu definieren, egal wo sie gehalten werden.

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