Transferprojekte

Konzept und Umsetzung für einen digitalen Zwilling für Regel- und Standardbasierte Assistenz bei der Anlagenkonfiguration (XPS 4.0)

Industrielle IT-Infrastrukturen auf Basis des Digitalen Zwillings/der Verwaltungsschale automatisch konfigurieren

In dem Projekt haben die iplus1 GmbH und das Fraunhofer IOSB-INA das Software-Werkzeug XPS 4.0 entwickelt, das auf Basis der Verwaltungsschale (VWS), eines Industrie 4.0 Standards, Instanzen von industrieller IT-Infrastruktur automatisch erzeugen und an IT/OT-Umgebungen anpassen kann. Die Machbarkeit wurde am Beispiel der automatischen passgenauen Erzeugung von Datenvisualisierungen und Dashboards für unterschiedliche Umgebungen von Anlagenbetreibern gezeigt.

Die VWS ist eine Umsetzung des digitalen Zwillings für Industrie 4.0. Sie integriert Assets (Produkten, Geräten, Maschinen und Anlagen) in die IT-Welt, bildet ihren gesamten Lebenszyklus ab und schafft herstellerübergreifende Interoperabilität.

In der industriellen IT-Welt dominieren de-facto Standards von marktdominierenden Softwarekonzernen oder (zunehmend) Open-Source-Software.

Problemstellung

Eine Integration von Assets in die IT-Welt, z.B. an Industrie-4.0-Datenplattformen, bedeutet eine Anpassung von IT-Software. Für Datenanalysen, KI-Anwendungen oder Dashboards, die das neue Asset einbeziehen, muss meist jede Software angepasst werden, die an der Kette der industriellen Informationsverarbeitung beteiligt ist, wie Dateneingänge, Gateways, Software zur Vorverarbeitung, Strukturen in Datenbanken und Datenvisualisierungen/Dashboards.

In klassischen Integrationsprojekten wird die Erweiterung der IT-Welt um ein weiteres Asset (bzw. dessen Rekonfiguration) einzeln behandelt: Experten mit Kenntnis vom Asset legen fest, welche Informationen woher kommen, wie sie abgefragt, vorverarbeitet und genutzt werden können. Die Informationen dazu werden in der Regel aus Hersteller-Dokumentationen und in Interaktion mit Service-Personal des Herstellers ermittelt.

Die Nutzung der Informationen auf IT-Seite in nachgelagerter Software (ERP, Visualisierung, Data Warehouse) erfordert einen Teil eben dieser Informationen sowie Wissen um die Art und Eigenschaften der Datenablage in der IT, so dass hier eine Interaktion zwischen den Experten des Assets und der IT üblich ist. Sind lokale sowie zentrale IT-Abteilungen beteiligt, ergibt sich hier weiterer Abstimmungsbedarf.

Meist sind viele, oft sehr unterschiedliche, Assets und unterschiedliche Abnehmerkreise der Daten auf IT-Seite beteiligt. Dadurch ist praktisch jede Kombination aus Asset und IT-System eine neue Aufgabe. Es kommt zu einer sehr ungünstigen Variantenexplosion und damit zu unerwünscht hohem Aufwand.

Lösung

In diesem Projekt wurde XPS 4.0 entwickelt, das auf Basis der Teilmodelle der VWS und einem eigenen Teilmodell mit Expertenwissen in der Lage ist, IT-Software automatisch zu instanziieren, zu konfigurieren und anzupassen.

Da die VWS den gesamten Lebenszyklus abbildet, kann mit XPS 4.0 die IT-Welt eines Assets zustandsabhängig (Simulation, Inbetriebnahmen, Betrieb) konfiguriert und auf Zustandsänderungen (Wartung, Erweiterung oder Änderungen an Hardware Parametern) reagiert werden.

XPS 4.0 hält also die IT-Welt auf Basis der VWS synchron zum Asset.

Das führt zu erheblichen Mehrwerten für die typischen Rollen in Industrie-4.0-Projekten. Beispiele:

  • Anlagen-/Maschinenbauer: Eine in der Produktentwicklung mit der VWS modellierte Anlage kann mit XPS automatisch in die IT/OT-Landschaft beim Anlagenbetreiber integriert werden.
  • Anlagenbetreiber: Anlagen auch unterschiedlicher Hersteller, die mit der VWS modellierte sind, können mit XPS schnell und zuverlässig in die eigene IT-Landschaft eingefügt werden.
  • IT-Leiter: Die Integration von Anlagen in die IT-Landschaft kann durch die zentrale IT-Abteilung mit Hilfe von Policies in XPS gesteuert werden.

Implementierung am Beispiel Dashboarding/Monitoring

XPS 4.0 nutzt Regeln als Eingabe, die in einem Teilmodell der standardisierten Industrie4.0 Verwaltungsschale (VWS) hinterlegt sind und vom Anlagenbauer vorgegeben werden können. Hinzu kommen eine Plattform-Konfiguration und der eigentliche Anwendungsfall: Im implementierten Beispiel ist dies das Monitoring, also die Darstellung und Überwachung von Zuständen der Assets. Das Ziel von XPS 4.0 ist, den Anwendungsfall automatisch auf einer Plattform verfügbar zu machen. In der Abbildung ist die Funktionsweise von XPS 4.0 dargestellt und skizziert den Programmablauf für eine automatische Datenvisualisierung.

Die für diesen Anwendungsfall relevanten Elemente der VWS geben vor, welche Daten des Assets relevant sind, wo sie zu finden sind und wie das Monitoring aussehen soll (Grenzwerte, Darstellungsformen). Diese Informationen liegen in standardisierter Form vor und werden von XPS 4.0 als Eingabeparameter eingelesen. Aus der Eingabe wird die passende Software-Konfiguration ermittelt, so dass die Daten automatisiert ausgelesen, gespeichert und dargestellt werden können. Im Beispiel ist das Lesen bestimmter Daten per OPC UA in der VWS hinterlegt. XPS 4.0 könnte ebenso andere Kommunikationstechnologien nutzen wie z.B. Modbus oder MQTT. Notwendige semantische Informationen (Gruppierung, Grenzwerte, Abtastraten etc.) ergeben sich ebenfalls aus der VWS. Dadurch ist Konfiguration weiterer IT-Komponenten wie einer Datenbank und einer Visualisierungssoftware durchgängig automatisch möglich.

Sobald die Konfiguration ermittelt und bestätigt wurde, nutzt XPS die Plattform-Konfiguration als weitere Eingabe um die notwendigen Service erstellen bzw. nutzen zu können. Im Beispiel erstellt XPS aus diesen Informationen konkrete Software-Service in Form von Docker-Containern. Alternativ wäre die Nutzung und Konfiguration existierender Services möglich. Im Sinne des Anwendungsfalls wird ein OPC UA Client Container erstellt und gestartet, der alle in der VWS definierten Datenpunkte sammelt. Gleichzeitig schreibt der Container die Daten in eine Zeitreihendatenbank, die mit Hilfe der Plattform-Konfiguration erstellt wurde. Im letzten Schritt werden die passenden Visualisierungen erstellt. Im Ergebnis kann sich der Nutzer von XPS 4.0 die Daten des Assets in der Visualisierung anschauen, Anomalien erkennen und Performance nachverfolgen. Im Beispiel wird die Darstellung von Achslasten eines Roboterarms automatisch konfiguriert.

Durch die Vorgaben aus der VWS können die Darstellungsform (z.B. Graphen für Zeitreihen, Ampel-Darstellung für Zustände), Grenzwerte (z.B. Drehzahl-/Leistungsbereiche) und die Gruppierung zu Dashboards automatisch in Software eingestellt werden, ohne dass Experten des Assets oder IT-Personal beteiligt werden müssen.

Experten des Anlagenbetreibers können mit XPS 4.0 weitere Regeln formulieren, die Details der Konfiguration beeinflussen und damit die Vorgaben aus der VWS erweitern oder ändern.

In Kundenprojekten sind dabei oft die Wahl von Farben oder die Sichtbarkeit und Gruppierung von Assets zu Linien, Werker-Teams, Abteilungen, Auftragsvorrat oder Meister-Zuständigkeiten gefragt. Die Regeln lassen sich dazu so formulieren, dass sie auf Basis von Stammdaten arbeiten und damit auch hier die manuellen Tätigkeiten minimiert werden.

Die Erkenntnisse aus dem Transferprojekt werden in die Datenintegrationslösung der iplus1 GmbH (XPS4ERP) einfließen und in Kundenprojekten helfen, Assets effizient in die IT-Landschaft zu integrieren.