Data Generation, Collection & Transfer
18.04.2019

„AutomationML“ – universeller Standard für Gerätebeschreibungen

Das XML-basierte Austauschformat „AutomationML“ ist ein entscheidender Faktor für die Industrie-4.0-Verwaltungsschale. Es kombiniert etablierte Datenformate und erlaubt das objektorientierte Abbilden von Strukturmodellen technischer Systeme.

„AutomationML“ – universeller Standard für Gerätebeschreibungen (Bild: stock.adobe.com_coloures-Pic)

Bild: stock.adobe.com_coloures-Pic

Automatisierungssysteme bestehen üblicherweise aus einer Vielzahl von zugekauften Einzelkomponenten, die in der Planungs- und Entwicklungsphase mit ihren jeweiligen fachdisziplinären Aspekten (zum Beispiel Mechanik, Elektrotechnik, und Steuerungstechnik) in zugehörigen Softwarewerkzeugen abgebildet werden.

Innovationsstau bei Gerätebeschreibungen

Die Komponentenhersteller stellen die entsprechenden Typ­daten für ihre Produkte unter anderem in Form von Gerätebeschreibungsdateien (Device Descriptions, DD) zur Verfügung. Diese werden meist auf den Webseiten der Hersteller in unter-schiedlichen Formaten zum Download bereitgestellt. Das heißt: Jemand muss sie manuell auswählen, herunterladen und anwenden. Aber weder die Download-Schnittstellen noch ein Großteil der darüber verknüpften Modellinformationen sind so standardisiert, dass sie von den Engineering-Werkzeugen gefunden und weiterverarbeitet werden können [1].

Bestehende Gerätebeschreibungssysteme von aktiven Komponenten, wie GSD (Profinet), ESI (Ethercat), CSP+ (CC-Link) und IODD (IO-Link), sind am Markt fest etabliert. Sie umfassen im Wesentlichen Typinformationen, aber keine Instanzdaten, keine Netzwerke oder Topologien. Engineering-Daten und Simulationsmodelle usw. sind ebenfalls nicht vorhanden.

Genau dies ist ein Versprechen von Industrie 4.0: Durch ­Einführung standardisierter Schnittstellen und Internettechno­logien große Bereiche der industriellen Produktion zu erneuern. Die Vorstellung dabei ist, dass von jeder physikalischen Komponente neben einer Typinformation ein umfassendes elektronisches Datenobjekt mit I4.0-konformen Schnittstellen im Netz verfügbar ist. Die Datenobjekte agieren dann als digitaler Stellvertreter eines realen Assets, zum Beispiel einer Komponente oder einer Anlage. Sie enthalten alle relevanten Daten und auch Simulationsfunktionen [2]. Davon profitieren könnten alle Phasen des Engineerings, der Produktion, Wartung und Entsorgung.

Bisherige Gerätebeschreibungen reichen jedoch nicht aus, um diese Ideen umzusetzen. Die vorgeschlagene Lösung ist, dass Gerätehersteller künftig ihre Geräte in einer standardisierten Weise technologie- und toolunabhängig beschreiben und ihren Kunden bereitstellen können. Dazu müssen Gerätebeschreibungen folgende Anforderungen erfüllen:

  • Abbilden von typ- und instanzspezifischen Daten (d. h. reale Geräteparameterdateien),
  • Abbilden von domänenübergreifenden Topologiemodellen (z. B. heterogene Kom­munikationstopologien),
  • Bereitstellen von Engineering-Daten, wie Geometriemodelle, Simulationsmodelle, Handbücher und Funktionsbausteine,
  • Abbilden von funktionalen Abhängigkeiten: In vielen Fällen bestehen in den ­Komponenten logische und funktionale ­Abhängigkeiten zwischen den fachdisziplinären Aspekten, beispielsweise indem ein elektrisches Signal eine mechanische Bewegung steuert oder ein hydraulischer Druck eine mechanische Bewegung erzeugt oder vice versa,
  • Abbilden von passiven Komponenten, wie Kabel und Leitungen,
  • Integration der etablierten Gerätebeschreibungen aus Gründen der Akzeptanz.

Die Organisationen hinter den genannten Gerätebeschreibungsstandards sind jedoch eher restriktiv bezüglich Erweiterungen. Wie kann es dennoch gelingen, die vorhandenen Standards zu erweitern, ohne sie zu ändern?


Lücken in der Modellierung typischer Gerätetopologien der Feldebene

Lücken in der Modellierung typischer Gerätetopologien der Feldebene


Disruption durch Kombination

Schritt 1 – „AutomationML“: Die „Plattform Industrie 4.0“ [3] empfiehlt Automation ML [4] als Engineering-Datenformat. AML (Automation Markup Language) nach DIN EN 62714 ist ein XML-basiertes Austauschformat für das Engineering von Produktionssystemen. Es kombiniert etablierte Datenformate und erlaubt das ­objektorientierte Abbilden von Strukturmodellen technischer Systeme, einschließlich Geometrie, Kinematik und diskreter Logik.

Schritt 2 – Integration der DD in „AutomationML“: Eine DD-Datei lässt sich 1:1 in eine AML-Klasse transformieren. Diese verweist dann auf die DD-Datei, die unverändert bleibt. Anschließend wird innerhalb von AML eine Instanz der Klasse erzeugt und parametriert. Ohne die DD selbst verändert zu haben, gelingt die ­Modellierung einer Geräteinstanz. Pro Gerät erhalten wir eine AML- und eine DD-Datei. Was für ein Gerät angewendet werden kann, gelingt auch mit Gerätesystemen. Mehrere DD lassen sich in eine einzige AML-Datei übernehmen. Das Resultat ist eine Klassenbibliothek. Die AML-Klassen können beliebig oft instanziiert und verknüpft werden. So lassen sich Geräte­topologien modulieren. Auch hier gilt: Der DD-Standard bleibt unverändert.

Was mit einer DD-Variante gelingt, klappt wiederum auch mit anderen DD-Varianten. IODD lassen sich ebenso wie GSD in AML modellieren.

Schritt 3 – noch mehr Daten: Mit AML lassen sich zusätzliche Dateien verlinken, beispielsweise eine Geometriedatei, ein Funktionsbaustein, eine Installationsanleitung, ein Zertifikat, ein Simulationsmodell – kurzum einfach alles, was sinnvoll ist. Ergebnis: mehrere Dateien.

Schritt 4 – der AML-Container: Mehrere Dateien für ein Gerät lassen sich in einem AML-Container speichern (.amlx), ähnlich wie in einer Word Datei (.docx).

Schritt 5 – das Komponentenmodell: Derzeit wird im Rahmen der „AutomationML“-Arbeitsgruppe „Automation Component Description“ ein ­umfassendes Datenmodell für die Automatisierungskomponente erarbeitet. Dieses bildet Feldgeräte und komplexe System gleichermaßen ab. Dieser skalierte Ansatz erlaubt es, Modelle hierarchisch und standardisiert zu strukturieren ist. Die Integration der hier vorgeschlagenen Gerätebeschreibungen wird von den Autoren derzeit verfolgt.

Das Ergebnis sind vielfältige Möglichkeiten: Nutzt man alle Möglichkeiten, entsteht ein umfassendes digitales ­Datenobjekt, das alle benötigten Daten ­einer Komponente in einer verteilten Modellwelt abbildet und einfach zu durchsuchen und standardisiert anwendbar. Ergebnis: ein „schlafender“ ­digitaler Zwilling, der in Form des AML-Containers zur Verfügung gestellt wird.


Anlagen- und Engineering-Lebenszyklus mit Instanzdatentransfers

Anlagen- und Engineering-Lebenszyklus mit Instanzdatentransfers


Zusammenfassung

Die vorgestellte Lösung umfasst in einem AML-Container alles, was eine Indus­trie-4.0-Verwaltungsschale benötigt. Die „AutomationML“-Gerätebeschreibungen können direkt als „Asset Manifest“ für die Verwaltungsschale der Industrie-4.0-Komponente zur Instanziierung des digi­talen Zwillings herangezogen werden [5]. Verwaltungsschalen-Daten können so auf einfache Weise gespeichert, verteilt und persistent gehalten werden. Sind erst einmal standardisierte Industrie-4.0-Softwareschnittstellen und -Infrastrukturen geschaffen, komplettiert sich dieser Ansatz zur allgemein anwendbaren Verwaltungsschale: Der ­digitale Zwilling wird zu einem prakti­kablen Werkzeug in der Engineering-­Methodik. Synergien zwischen den ­produktbezogenen Daten der Entwicklungsphase und Betriebsphase sind ebenfalls zu erwarten.

www.balluff.com


Literatur

[1]     Barth, M.; Sand, G.: Der virtuelle Zwilling im digitalen An­lagenbau – Notwendige Standards für den Austausch von Simulationsmodellen über Gewerkegrenzen hinweg. Industrie ­Management 4.0 (2017) H. 2. www.industriemanagement.­de/node/74
[2]    Drath, R.; Malakuti, S.; Grüner, S.; Grothoff, J.; Wagner, C.; Epple, U.; Hoffmeister, M.; Zimmermann, P.: Die Rolle der Industrie 4.0 „Verwaltungsschale“ und des „digitalen Zwillings“ im Lebenszyklus einer Anlage – Navigationshilfe, Begriffsbestimmung und Abgrenzung. In: Tagungsband zur ­Automation 2017. Langfassung auf ­Tagungs-CD, Baden-Baden: VDE VERLAG, 2017
[3]    Details of the Asset Administration Shell. Federal Ministry for Economic Affairs and Energy (BMWi), Berlin, November 2018. www.plattform-i40.de/I40/Redaktion/DE/Downloads/Publikation­/2018-verwaltungsschale-im-detail.pdf
[4]    IEC 62714: Engineering data exchange format for use in industrial automation systems engineering (AutomationML), 2012
[5]    Rentschler, M.; Drath, R.: Vendor-Independent modeling and exchange of fieldbus topologies with AutomationML. In: Proc. 2018 IEEE 23th ­International Conference on Emerging Technologies & Factory Automation (ETFA 2018), IEEE (2018)
S. 956 – 963, ISBN: 978-1-5386-7107-8, Torino, 2018


Autoren:

  • MSc, Dipl.-Ing. (FH) Markus Rentschler, Head of System Interfaces, Balluff GmbH, Neuhausen.
  • Prof. Dr.-Ing. Rainer Drath, Professor für Mechatronisches System Engineering, ­Hochschule Pforzheim.
  • Dr. Elmar Büchler, Industriemanager bei Balluff GmbH, Neuhausen.

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