Ein einheitliches Informationsmodell für die Fertigung

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IoT Use Case IDTA und VW Sachsen, Digitaler Zwilling
8 Minuten Lesezeit
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Volkswagen forciert wichtige Meilensteine bei Elektromobilität und Digitalisierung der Produktion. Ein Meilenstein ist die Einführung digitaler Zwillinge, um die größten (Energie-)Verluste in Prozessen der Fertigung zu identifizieren. Mit dieser Herausforderung sind sie nicht allein: Als eines der über 80 Mitglieder der Industrial Digital Twin Association (IDTA) standardisieren sie den digitalen Zwilling, um eine effiziente digitale Skalierbarkeit von Produkt- und Prozessinformationen zu ermöglichen.

Der Digitale Zwilling ist die Schlüsseltechnologie von Industrie 4.0. Mit dem sogenannten Asset Administration Shell oder – auf Deutsch – der Verwaltungsschale eröffnet die IDTA als Nutzerorganisation die Technologie für jedes Unternehmen. In einem Projekt mit Siemens, MHP – A Porsche Company, Lenze, Schneider Electric und Phoenix Contact entwickeln sie ein Informationsmodell zur Energieüberwachung eines Anlagenverbunds bei Volkswagen. Die Herausforderung liegt in der Integration herstellerspezifischer Daten in ein standardisiertes Modell, das offen und flexibel genug ist, um geschäftsprozessübergreifend eingesetzt werden zu können. Dieses Modell wird das zukünftige Rückgrat der Digitalisierungsstrategie bilden.

Die Herausforderung: Umsetzung standardisierter Digitaler Zwillinge, Entwicklung von herstellerübergreifenden Informationsmodellen und Reduzierung hoher Engineering-Aufwände

Der Volkswagen Konzern verfolgt mit seiner im Jahr 2021 vorgestellten Strategie eine Transformation zum Tech-Unternehmen. Dazu zählt der Hochlauf der Elektromobilität und Transformation in Richtung Digitalisierung. Bis 2026 wird die Marke Volkswagen PKW 18 Milliarden Euro in Elektromobilität, Hybridisierung und Digitalisierung investieren. Mit dem Produktionsstart des ID.5 und ID.5 GTX hat Volkswagen die Transformation des Fahrzeugwerks Zwickau (Volkswagen Sachsen GmbH) zum reinen E-Standort erfolgreich abgeschlossen. Das ist die weltweit erste Großserienfabrik in diesem Segment, die vollständig von Fahrzeugen mit Ver-brennungsmotor auf Elektroantrieb umgebaut wurde.

Bei den Kernthemen Digitalisierung und neuen Geschäftsmodellen wurden im Jahr 2021 wichtige Meilensteine erreicht. Ein wesentlicher Baustein der digitalen Transformation ist die energetische Optimierung der Produktion zur Steigerung der Gesamteffektivität der Werke. Zwickau produziert sechs Modelle der Marken Volkswagen, Audi und Cupra mit den klassischen Fertigungsbereichen Presswerk, Karosseriebau, Lackiererei und Fahrzeugendmontage. Das Werk in Zwickau leistet damit wichtige Pionierarbeit für den Konzern und leitet weitere Meilensteine zur Erreichung der Digitalisierungsstrategie ein.

Der Standort Dresden mit dem Geschäftsfeld der Pilotfactory spielt dabei eine wichtige Rolle und bietet mit seiner Fahrzeugfertigung eine ideale Umgebung zur Entwicklung und Erprobung von Zukunftstechnologien. Als Innovationsstandort gestaltet der Standort Dresden die digitale Transformation bei Volkswagen aktiv mit.

Die Erkenntnisse und Erfahrungen aus diesem Projekt werden nicht nur der Marke Volkswagen, sondern auch dem Konzern helfen, die digitale Transformation der Produktion durch die Anwendung von Standards, wie der Verwaltungsschale, schnell und effizient weiterzuentwickeln.

Die Fertigungen sind charakterisiert durch Neu- und Bestandsanlagen mit unterschiedlichem Vernetzungs- und Digitalisierungsgrad. Um eine energiebedarfsgerechte Optimierung für das gesamte Werk durchzuführen, sind die Daten aus vielen Anlagen und die Umsetzung mehrerer Use Cases notwendig. Dazu braucht es ein Datenfundament mit gleichen Informationsmodellen für alle Geräte, um Engineering-Aufwände zu sparen. Dies lohnt sich für die Umwelt, denn bis zu 80 Prozent der Kosten und Umweltauswirkungen der Produkte sind durch dessen Design vorbestimmt.

Aufwände entstehen heute genau dann, wenn Einzelwerte pro Use Case aus Automatisierungskomponenten ausgelesen und manuellen Anpassungen für neue Geräte durchgeführt werden müssen. Ein Beispiel: Temperatur-Werte und Variablen sind in Geräten einmal in „Fahrenheit“ und einmal in „Grad Celsius“ unterschiedlich benannt und konfiguriert. Nicht-standardisierte Datenmodelle führen hier zu schlechter Integrierbarkeit und fehlender Skalierbarkeit. Daher setzt Volkswagen in ihrer digitalen Transformation auf einen durchgängigen Standard mit dem Ziel der Komplexitäts-Reduzierung. Die Vision: eine Vereinheitlichung aller Datenmodelle und eine ID für die Geräte und Komponenten, um sie nur einmal konfigurieren zu müssen – ugs. „Zero-Touch“. Im Betrieb soll der Datenaustausch und Konfiguration der Parameter auf einem einheitlichen Informationsmodell beruhen, um diese später vor allem herstellerübergreifend und automatisch einzustellen, ohne jedes Mal IT-Expertenwissen hinzuziehen zu müssen. Das Ziel ist eine einfache Inbetriebnahme und eigenständige Konfiguration der Maschinen, indem jeder Hersteller technologieagnostisch sein standardisiertes Datenmodell mitbringt – ugs. „Plug and Produce“. Die Anforderungen von Volkswagen sind dabei klar definiert: Die zu entwickelnden Informationsmodelle sollen Skalierbarkeit, Technologie-Agnostik und Interoperabilität mitbringen. Sie sollen also möglichst nahtlos zusammenarbeiten unter Verwendung der Verwaltungsschale als Standard für Informationsvernetzung. Als Mitglied der Industrial Digital Twin Association e. V. (IDTA) gestalten sie damit den Weltstandard der Industrie 4.0 mit und gehen mit einem konkreten Projekt ins Rennen.

Die Lösung: Verwaltungsschale – die so genannte "Asset Administration Shell" (AAS) – als einheitliches Modell

Als Mitglied der IDTA (Industrial Digital Twin Association e. V.) gestaltet Volkswagen die Entwicklung des digitalen Zwillings mit. Sie nutzen das Netzwerk inklusive Expertenwissen von Industriestandards, um die Digitalisierung der Energiebedarfsdarstellung im Green- und Brownfield gemeinsam zu entwickeln. Die Verwaltungsschale bietet hier eine Informationsgrundlage für Digitale Zwillinge und reduziert die Kosten im Shopfloor hinsichtlich Planung, Montage, Inbetriebnahme und Betrieb im Rahmen der Energiebedarfsmessung.

Bei der IDTA handelt es sich um eine Non-Profit-Organisation, die seit 2020 die Verwaltungsschale im Markt etablieren und dessen internationale Verbreitung sicherstellen will. Entstanden aus den Verbänden VDMA und ZVEI gemeinsam mit Bitkom und mehr als 20 Firmen aus der Elektroindustrie, dem Maschinenbau, der Softwarebranche und Anwenderindustrien, ist die IDTA ein Spin-off der Plattform Industrie 4.0. Beim Aufbau einer internationalen Community setzt die IDTA auf Open-Source-Entwicklung. Dieser offene Ansatz soll jedem – auch kleinen oder mittelständischen Unternehmen – den Zugang zur Technologie und so die Möglichkeit für die Teilnahme an der datengetriebenen Ökonomie vereinfachen. Deshalb ist ein vollständiger Katalog von Teilmodellen auf GitHub öffentlich zugänglich abgelegt.

Um das Ziel der Volkswagen Sachsen GmbH umzusetzen, wurden in einem gemeinsamen Projekt am Standort Zwickau standardisierte Teilmodelle entwickelt. Das Projekt „Energy Monitoring“ wurde im Werk Zwickau mit ausgewählten Netzwerkteilnehmern des IDTA gestartet. Im Projekt wurden Energiedaten eines Motors herstellerübergreifend über ein „Energy-Meter“ (Messgeräte) der Projektteilnehmer Siemens, Phoenix Contact und Schneider Electric erfasst und als digitales Modell abgebildet. Mit vordefinierten Rollen der Projektteilnehmer geht der Digitalen Zwilling in die Umsetzung in der Praxis.

Volkswagen Sachsen GmbH: Anforderungen an das Projekt

Siemens: Technologie-Paket inkl. Digitalem Zwilling

MHP – A Porsche Company: Projektmanagement und Beratung

IDTA: vereinheitlichtes Datenmodell der Verwaltungsschale

Weitere Partner: Lenze, Schneider Electric, Phoenix Contact

Gemeinsam wurde ein Teilmodell der Verwaltungsschale aufgesetzt, mit einfachen standardisierten Abläufen innerhalb der IDTA. Standardisierte Teilmodelle bieten Transparenz über den Energieverbrauch einer Produktion und ermöglichen den schnellen Austausch eines Geräts, ohne Engineering-Aufwand. Eine einzelne Verwaltungsschale kann man sich dabei wie ein „Bücherregal“ vorstellen. Jedes „Buch“ darin beschreibt mit vorgegebener Struktur der IDTA, wie dem Inhaltsverzeichnis oder dem Design der Hülle, eine spezifische Eigenart oder Fähigkeit eines Gerätes (oder „Asset“) – beispielsweise die Definition der Temperatur-Parameter „Fahrenheit“ und „Grad Celsius“. Aus dem Inhalt der Bücher dieses Bücherregals werden alle Daten und Informationen zu einem bestimmten Gerät dargestellt und abgelegt. 

Bücherregal = Verwaltungsschale

Buch = Teilmodell der Geräte

Verwendet man nun die Fachbegriffe „Verwaltungsschale“ für das Bücheregal und „Teilmodell“ für ein Buch, so ergibt sich Folgendes:

Eine Verwaltungsschale besteht aus einer Reihe von Teilmodellen (Submodels), die alle inhaltlichen oder funktionalen Merkmale (mit Eigenschaften, Zuständen, Parameter, Messdaten, Fähigkeiten) eines Geräts beschreiben. Je nach Gerät und je nach Umsetzung besteht die Verwaltungsschale aus unterschiedlich vielen Teilmodellen.

Über das digitale Typenschild kann jedes Gerät weltweit über seine eigene Verwaltungsschale identifiziert und angesprochen werden – ob es sich nun um Werkzeuge, Roboter, Baupläne, Prozesse, Gerätekomponenten, Kunden, Verträge, Organisationen, oder auch Software handelt. Die Verwaltungsschale ähnelt damit einer digitalen Lebenslaufakte. Sie bildet alle Informationen aus dem Lebenszyklus eines Geräts der realen Welt strukturiert in ihrem „Digitalen Zwilling“ ab. Die Verwaltungsschale ist der Kernstandard und damit die Umsetzung des digitalen Zwillings für die Industrie 4.0.

Das Ergebnis: Energieeffizienz durch Standards, schnellerer Time-to-Market

Mit über 80 Mitgliedern aus Anbietern und Anwendern aller industriellen Bereiche bieten sie eine Plattform, um die Technologieentwicklung auf Grundlage der Verwaltungsschale voranzutreiben.

Die Verwaltungsschale und das zugehörige Teilmodell „Energy Monitoring“ ermöglicht die Digitalisierung der energiebedarfsgerechten Produktion im Green- und Brownfield. Sie ist Informationsgrundlage für Digitale Zwillinge und kann im Rahmen der Energiebedarfsmessung Kosten im Shopfloor hinsichtlich Planung, Inbetriebnahme und Betrieb senken.

Der Digitale Zwilling verbindet physische Industrieprodukte mit der digitalen Welt. Für die erfolgreiche praktische Umsetzung und die internationale Verbreitung dieser Kerntechnologie der Industrie 4.0 ist ein gemeinsames Verständnis aller Beteiligten in Industrie, Verbänden und Forschung notwendig.

Mit der IDTA können Unternehmen jetzt in die Operationalisierung gehen und haben eine zentrale Anlaufstelle für alle Ergebnisse, die sie gemeinsam mit anderen im Kontext des Digitalen Zwillings und der Verwaltungsschale erarbeiten. Die Weiterentwicklung und internationale Verbreitung der Verwaltungsschale werden damit für jedermann zugänglich.

Die IDTA fungiert als zentraler Anlaufpunkt für alle Interessengruppen. Sie stellt die notwendigen Spezifikationen für die Verwaltungsschale bereit und erstellt und harmonisiert die Teilmodelle für den Industriellen Digitalen Zwilling in das Big Picture.

✓ Alle Informationen von Geräten in der Produktion können abgebildet werden, auch die ohne Datenverbindung

✓ Geräte mit standardisierten Modellen können herstellerunabhängig ausgetauscht werden

✓ Datenendpunkte müssen nicht mehr gemappt werden, da diese Informationen bereits in der Verwaltungsschale gespeichert sind

✓ “Plug & Produce” von Geräten in der Produktion: Aufwände in der Werkstatt für Planung, Inbetriebnahme und Betrieb können reduziert werden. Bestehende Standards wie z.B. OPC UA können weiterverwendet werden.

In Anwendung

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