Verwaltungsschale als Rückgrat der Industrie 4.0 und des Digitalen Zwillings

Die Verwaltungsschale ist ein herstellerübergreifender und branchenneutraler Standard für die Bereitstellung von Informationen und für die Kommunikation in einheitlicher Sprache. Jedes „Ding“ im „Internet der Dinge“ (IoT) erhält eine eigene Verwaltungsschale. Im Englischen wird die Verwaltungsschale als „Asset Administration Shell“ (AAS) bezeichnet.

Jedes Asset, wie beispielsweise ein Gerät oder Bauteil, kann über seine eigene Verwaltungsschale weltweit identifiziert und angesprochen werden. Sie stellt Informationen über Eigenschaften und Fähigkeiten des Gegenstands bereit. Über ihre genormten Schnittstellen und eine einheitliche Sprache können die „Dinge“ miteinander kommunizieren.

Die Verwaltungsschale ist der „Integrationsstecker für digitale Ökosysteme“, über die Menschen oder Maschinen alle Daten beziehungsweise Informationen zu einem bestimmten Asset finden, austauschen und ablegen können. Damit ist eine weltweite Interoperabilität sichergestellt. Als digitaler Repräsentant wird sie quasi gespiegelt zum Digitalen Zwilling des Gegenstands. Die Verwaltungsschale ermöglicht dadurch völlig neue Wertschöpfungsketten in der Industrie 4.0.

Welche Assets eine Verwaltungsschale erhalten können

Gegenstände mit Verwaltungsschale können alle virtuell-digitalen, physischen und logischen Dinge sein, die beispielsweise in einer Smart Factory oder auch für die Zusammenarbeit von Unternehmen mit ihren Zulieferern und Kunden erforderlich sind. Das sind unter anderem:

• Werkzeuge, Roboter, Maschinen, Komponenten, Bauteile von Maschinen
• Baupläne für Baugruppen, Produktionsstraßen, Fabriken
• Prozesse (Logistik, Herstellungsabläufe)
• Geräte, einzelne Komponenten
• Produkte, Zulieferer, Zulieferteile
• Kunden, Bestellungen, Verträge
• Menschen, Organisationen
• Software, Lizenzen

Aufbrechen von Silos mit dem Framework der Digitalen Fabrik

Die industrielle Produktion wird zunehmend vernetzter und auch intelligenter. Damit das aber möglich ist, müssen Maschinen die gleiche Sprache sprechen. Die Norm IEC 62382 definiert allgemeine Grundsätze des Frameworks der Digitalen Fabrik.

Die Verwaltungsschale ähnelt einem Ausweis oder einem digitalen Typenschild und baut auf dem Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 auf. Dieses dreidimensionale Schichten- und Koordinatensystem wird auch als „Zwillingsnorm“ bezeichnet und wurde international in der Norm IEC 61360 definiert.

In der Verwaltungsschale liegen, abhängig vom Produkt, in den verschiedenen Schichten die Teilmodelle. Diese enthalten Eigenschaften und Fähigkeiten eines Assets sowie, abhängig vom Geschäftsmodell, Anweisungen und Dateien (z. B. Bedienungsanleitung, Bauplan, Entsorgungsvorschriften) in einem festgelegten Schema. Neben Informationen bietet die Verwaltungsschale auch eine Anwendung zur Aufzeichnung und Kommunikation.

Damit die Verwaltungsschale kommunizieren kann, enthält sie eine global eindeutige Identifikationsnummer und eine URL (Unique Resource Locator), mit der sie über das Internet von jedem beliebigen Endgerät „angesprochen“ werden kann. Das Asset und der in der Verwaltungsschale zugehörige Digitale Zwilling sind damit im Internet lokalisierbar, adressierbar und identifizierbar.

Weltweite Kommunikation über VWS im Internet der Dinge

Mit Hilfe der Verwaltungsschale kann jeder Berechtigte die gewünschten Daten anfordern. Möglich macht dies ein Teilmodell der Verwaltungsschale durch eine standardisierte Kommunikationsschnittstelle auf Basis von OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture).

OPC UA wacht zugleich über die Sicherheit und Integrität der Daten und der Kommunikation sowie die Authentifizierung von Zugriffsberechtigten. Einheitliche technische Standards für Syntax und Semantik stellen hierbei sicher, dass Sender und Empfänger in der gleichen technischen Sprache sprechen und Daten austauschen können. Dabei spielt es keine Rolle, in welcher menschlichen Sprache die hinterlegten Dokumente und Informationen verfasst wurden.

Die Verwaltungsschale speichert ab Beginn der Entwicklung eines Gegenstands neben Bauplänen, Produktdaten und Fähigkeiten auch Zustandsänderungen über den gesamten Lebenszyklus. In der Verwaltungsschale können Daten somit in allen standardisierten Dateiformaten abgelegt werden.

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Mit Beginn der Entwicklung eines innovativen Elektromotors legen die Ingenieure die Verwaltungsschale an. Sie entwickeln dabei einzelne Komponenten, planen Funktionalitäten, definieren Eigenschaften, verteilen Sensoren und Aktoren zur Zustandsüberwachung und Regelung. Sie berechnen den Motor und simulieren seine Betriebszustände.

Den Bauplan, alle Normwerte der Sensoren und Daten für Partner legen sie in der Verwaltungsschale ab. Nach aufwendigen Testfahrten mit der Feinjustierung aller Parameter startet die Serienfertigung. Jeder produzierte Motor erhält eine eigene Verwaltungsschale mit den Daten der Entwicklung sowie den Vorgaben der Ingenieure für seine möglichen Betriebszustände sowie Regeln bei Abweichungen.

Vorausschauende Wartung und Ersatzteilbestellung

Über den gesamten Lebenszyklus wird die Verwaltungsschale des Motors mit den wichtigsten Betriebsdaten angereichert. Weicht eine Motorkomponente von den Normwerten ab, wird dies in der Verwaltungsschale gespeichert. Beim nächsten Wartungstermin wird der Fehler angezeigt und behoben.

Bei sicherheitsrelevanten Vorfällen, wie ansteigende Vibrationen einer Antriebswelle, werden Fahrer und Werkstatt sofort informiert. Je nach Programmierung der Verwaltungsschale kann sie das Fahrzeug direkt stilllegen oder bei der Werkstatt anmelden. Parallel kann sie einen Bestellprozess auslösen, damit das erforderliche Ersatzteil zum Termin angeliefert wird.

Für die fachgerechte Entsorgung des Motors am Ende seines Lebenszyklus gibt die Verwaltungsschale dem Autoverwerter an, wo und in welchen Bauteilen bestimmte Gefahr- oder Wertstoffe enthalten sind, um diese entweder zu entsorgen oder in einer Kreislaufwirtschaft weiter zu verwerten. Die Informationen der Verwaltungsschale werden über den gesamten Lebenszyklus und zwischen alle Beteiligten in der Wertschöpfungskette ausgetauscht.

Die Verwaltungsschale ermöglicht damit die weltweite Interoperabilität im Internet der Dinge.

Circular Economy – Normung als Rückgrat einer nachhaltigen gesamtwirtschaftlichen Produktion

Die Circular Economy (Kreislaufwirtschaft) ist das Gegenmodell zur Linearwirtschaft, die seit Beginn der Industrialisierung die weltweiten Wirtschaftsmodelle dominiert hat. Ziel dieser Circular Economy ist eine Erhöhung der Ressourceneffizienz entlang der gesamten Wertschöpfungskette, insbesondere mit Blick auf die endlichen Ressourcen des Planeten.

Normen und Standards helfen dabei, dieses Ziel schon bei der Produktion zu berücksichtigen.

Für die Vorbereitung und Normung der Verwaltungsschale existiert schon seit mehreren Jahren eine sehr enge Zusammenarbeit zwischen der International Electrotechnical Commission (IEC) sowie der International Organization for Standardization (ISO).

Die gemeinsamen Arbeitsgruppen IEC/Technical Committee 65/WG 23, in der sich Fachleute der DKE engagieren, und ISO/IEC/JWG 21 haben mit dem Technischen Report IEC TR 63319 das Metamodell, das mittlerweile in der Norm IEC 63339 ED1 als einheitliches Referenzmodell für Smart Manufacturing definiert wurde. Damit wurde ein erstes internationales Grundkonzept geschaffen und die relevanten Begriffe und Definitionen für die intelligente Fertigung festgelegt.

Weitergetrieben wurden diese Aktivitäten durch den „Smart Manufacturing Standards Map Catalogue“ (ISO/IEC TR 63306-1). Der Katalog ist das Ergebnis einer weiteren Initiative von IEC und ISO mit dem Ziel, einen Normenkatalog für die beteiligten Gremien zu erstellen, um die Suche nach standardisierten Kriterien zu erleichtern.

Erste internationale Norm zur Verwaltungsschale erscheint 2022

Auf dieser Basis entsteht die erste Norm für die Verwaltungsschale, mit der DIN und DKE die bisherigen Lücken bei der Interoperabilität schließen. Unter dem Titel „IEC 63278-1 Asset administration shell for industrial applications – Part 1: Administration shell structure “ ist eine Veröffentlichung noch für 2022 geplant.

Zwei weitere Normen, die die Aspekte der Informationsmodellierung und IT-Sicherheit adressieren, sind in Vorbereitung. Diese Normungsprojekte wurden unter Beteiligung von Fachleuten der DKE national weitgehend abgeschlossen.

Darüber hinaus konnten mit den Einreichungen der New Work Item Proposals

• IEC 63278-Part 2: „Information meta model“ und
• IEC 63278-Part 3: „Security provisions for Asset Administration Shells“

weitere wichtige Normungsprojekte international konsolidiert werden, um die Verwaltungsschale zum zentralen „Integrationsstecker für digitale Ökosysteme“ zu machen und weiter in der internationalen Normung zu verankern.

Anwendungsfälle präzisieren Definitionen

Ergänzt wird die Normenreihe IEC 63278 um die bereits veröffentlichte Norm „IEC 63283-2 ED1 Industrielle Prozessmessung, -steuerung und -automatisierung - Smart Manufacturing - Teil 2: Anwendungsfälle“. Die Norm enthält wichtige normative Festlegungen für formale und präzise Definitionen, um ein einheitliches Verständnis von Industrie 4.0 umsetzen zu können.

Die dafür benötigte Sammlung von konsistenten und repräsentativen Praxisbeispielen wurde mit der Norm abgedeckt. Auf diesen Vorarbeiten wollen die dafür zuständigen Gremien auch weiterhin aufbauen.

Digitaler Produktpass: Digitalisierung und Kreislaufwirtschaft durch standardisierte Daten

Digitalisierung ist gekommen, um zu bleiben. In der Welt der industriellen Produktion wurde dies bereits frühzeitig erkannt, sodass zahlreiche Entwicklungen vorangetrieben wurden, auch auf normativer Ebene. Eine Ausprägung ist der Digitale Produktpass, mit dem über digitale und standardisierte Informationen der nächste Schritt gemacht wird und der langfristig die industrielle Kreislaufwirtschaft unterstützt.

Die Verwaltungsschale ist über ihren Nutzen für die Rationalisierung industrieller Fertigung in der Smart Factory hinaus auch ein entscheidender Motor für eine künftige Kreislaufwirtschaft sowie Umwelt­ und Klimaschutz.

Ähnlich wie der digitale Produktpass stellt sie Informationen zu den Komponenten, Materialien und chemischen Substanzen, aber auch zu Reparierbarkeit, Ersatzteilen oder fachgerechter Entsorgung für ein Produkt bereit. Der zentrale Unterschied zwischen der Verwaltungsschale und dem digitalen Produktpass ist, dass die Verwaltungsschale speichern und kommunizieren kann. Wesentliches Ziel der Verwaltungsschale ist, die Daten über alle Produktlebenszyklusphasen zu sammeln und gleichzeitig in all diesen Phasen (Design, Herstellung, Nutzung, Entsorgung) für verschiedene Zwecke zur Verfügung zu stellen.

Die Strukturierung umweltrelevanter Daten in einem standardisierten, vergleichbaren Format ermöglicht es allen Akteuren in der Wertschöpfung, Lieferkette und den digitalen Ökosystemen, Potentiale für den Umwelt- und Klimaschutz zu heben und gemeinsam auf eine nachhaltige, zirkuläre Wirtschaft hinzuarbeiten.

Die Verwaltungsschale hebt die industrielle Fertigung auf ein neues Level. Wurde bisher von Industrie 4.0 viel gesprochen, sorgen neue Normen fortan für die flächendeckende Umsetzung. Akteure global verteilter Wertschöpfungsketten werden über die Verwaltungsschale zu vernetzten Partnern, die in Echtzeit und weitgehend automatisch interagieren können.

Ihre Vorteile in der Fertigung spielt die Verwaltungsschale beispielweise bei Energieeffizienz und einer vorausschauenden Wartung sowie teilautomatisierter Prozesse aus, bei der ein menschliches Eingreifen seltener erforderlich sein wird. Steigt bei einer Förderanlage beispielsweise der Stromverbrauch, kann das ein Hinweis auf schadhafte Lager sein. Bevor die Produktion ungeplant stillsteht, wird eine Wartung ausgelöst. Bricht eine Achse aufgrund einer Unwucht, so registriert die Verwaltungsschale der Maschine zunehmende Vibrationen und bestellt den Wartungsdienst nach Schichtende. Das erhöht die Produktivität.

Die Verwaltungsschale schafft darüber hinaus mehr Transparenz und Einblicke in das Produktverhalten bis ans Ende seiner Nutzungsdauer wie es das Beispiel des Elektromotors zeigt. Sie unterstützt die Erstellung von Was-wäre-wenn-Szenarien sowie eine datenbasierte Entscheidungsfindung und macht damit die Produktion effizienter und profitabler. Die Verwaltungsschale trägt dazu bei, dass die gesamte Lieferkette reibungslos und mit minimalem Aufwand zu einem kollaborativen Wertschöpfungsnetzwerk verbunden werden kann.

Letztlich profitieren davon aber auch Umwelt und Klima, weil durch die Verwaltungsschale der Energieverbrauch reduziert und die Nutzung von Wertstoffen innerhalb von Kreislaufsystemen besser organisiert werden können.

Industry befasst sich mit Systemen und Produkten aus dem industriellen Bereich. Zentrales Thema ist beispielsweise zunehmend die Automation, da es in Zukunft verstärkt zu einem intelligenten Austausch zwischen Maschinen und Objekten kommt. Weitere Inhalte zu diesem und anderen industriellen Fachgebieten finden Sie im