Fachartikel

Seite 2 - Projekt BaSys 4.0 für Industrie-4.0-Fertigung

Umsetzung des Digitalen Zwillings in BaSys
Das Besondere an BaSys 4.0 ist das Konzept der dienstbasierten Fertigung. Diese trennt die Implementierung eines Dienstes vom Produktionsprozess, der den Dienst aufruft. Damit adressiert es ein zentrales Problem beim Wandel aktueller Produktionsprozesse: Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) definieren den Produktionsprozess, der auf Implementierungen in zahlreichen SPS verteilt ist. Eine Änderung des Prozesses hat Seiteneffekte, die Anpassungen in vielen SPS erfordern, zum Beispiel weil sich die Bedeutung von Signalen oder Nachrichten ändert.

Eine dienstbasierte Fertigung definiert Schnittstellen für Dienste, die unabhängig von einem Prozess aufgerufen werden. Der Fertigungsprozess wird in einem Orchestrator realisiert, der die Dienste aufruft. Damit ist es möglich, den Fertigungsprozess zu ändern, ohne die Dienste zu ändern oder Seiteneffekte zu produzieren. Die "Verwaltungsschale" (so nennt BaSys seine Digitalen Zwillinge) dient dabei als allgemeine Kommunikationsschnittstelle. Die Grundidee ist, dass jedes Asset in der Produktion wie etwa eine Maschine, eine Produktionslinie oder ein Produkt über eine solche Verwaltungsschale verfügt, die alle Informationen zu diesem Asset in digitaler Form enthält oder auf diese verweist. Dies können zum Beispiel Informationen zu grundlegenden Eigenschaften des Geräts wie Größe, Gewicht oder Energieverbrauch sein.

Die Verwaltungsschale dient außerdem als Abstraktionsschicht, mit der der Zugriff auf die Informationen eines Assets vereinheitlicht wird. Durch diese Vereinheitlichung des Zugriffs auf Assets erhöht sich nicht nur die Wiederverwendbarkeit von Software, sondern auch die Wandelbarkeit. So können Geräte mit gleichen Produktionsfähigkeiten problemlos gegeneinander ausgetauscht werden.

Bevor wir gleich zu den Details der letztlich entwickelten Middleware kommen, möchten wir noch kurz die Vorteile von BaSys 4.0 zusammenfassen. Denn nicht alle Aspekte des Projekts lassen sich in der Kürze dieses Artikels beleuchten. Das Projektteam selbst summiert auf:

  • Bereitstellung und Implementierung zentraler Industrie-4.0-Konzepte als Open-Source-Projekt
  • Einfaches Erstellen Digitaler Zwillinge über definierte Schnittstellen
  • Wandlung der Produktion in Minuten, nicht in Monaten
  • Enabler für Losgröße 1
  • Einfache Integration sowohl bereits bestehender als auch neuer Anlagen
  • Durchgriff auf Prozessdaten aus der Verwaltung
  • Fertige Referenzkomponenten für schnelle Inbetriebnahme
  • Predictive Maintenance
Virtuelle Middleware BaSyx
Die dem BaSys-Projekt letztendlich entsprungene Middleware wurde auf den Namen "BaSyx" [2] getauft. Diese ist Open Source und lässt sich unter dem genannten Link-Code herunterladen. Dabei ist BaSyx verständlicherweise kein kleines Tool, dass der IT-Verantwortliche eben mal herunterlädt und mit wenigen Klicks in Betreib nimmt. Dennoch wird in einem entsprechenden Projekt die Schnittstelle zwischen IT und Produktionsverantwortlichen an dieser Software laufen, weshalb wir einen Blick auf die Technologie darin werfen möchten.

Grundsätzlich sind die Komponenten einer BaSyx-Implementierung in vier Schichten strukturiert, die den jeweiligen Komponententyp, deren Interaktionen und Schnittstellen beschreiben:

  • Das "Field Level" besteht aus Geräten zur Automatisierung, Sensoren und Bedienteilen ohne BaSys-konformes Interface.
  • Das "Device Level" enthält Geräte zur Automatisierung, die ein BaSys-4.0-konformes Interface anbieten. Hierzu zählen auch "Bridging Devices", die solche BaSys-4.0-Schnittstellen für Geräte bereitstellen, die keine konforme Schnittstelle haben.
  • Das "Middleware Level" umfasst wiederverwendbare Industrie-4.0-Komponenten, die generische produktionsspezifische Fähigkeiten implementieren. Auch Registry- und Discovery-Dienste, Protokoll-Gateways und Verwaltungsschalen finden hier ihre Heimat.
  • Das "Plant Level" besteht aus Werkzeugen, die die Produktion verwalten, überwachen und optimieren.
Als Middleware sorgt BaSyx für die virtuelle Ende-zu-Ende-Kommunikation zwischen jedem Paar vernetzter Geräte. Diese Kommunikation ist dabei über die Grenzen von Netzwerken, Protokollen und Herstellern hinweg möglich. Bei den Netzen unterstützt BaSyx die wichtigsten Industrie-4.0-Protokolle wie OPC-UA und OneM2M, aber auch IT-Standards wie HTTP/REST und TCP/UDP.

Außerdem stellt die Software Verzeichnis- und Discovery-Dienste bereit. Denn für Industrie 4.0 ist es besonders wichtig, alle Geräte über ein einheitliches Protokoll auffindbar zu machen, wofür in BaSyx die Discovery-Dienste verantwortlich zeichnen. Der Verzeichnisdienst ordnet dann wiederrum gefundenen logischen Devices eine ID zu und mappt diese auf die Netzwerkadressen.

Auch die Verwaltungsschalen bildet die Middleware ab. Dabei sorgt die Software dafür, dass alle am Produktionsprozess beteiligten Einheiten wie etwa Fertigungsmaschinen über ein sinnvolles, gemeinsames Datenformat miteinander kommunizieren können. Hier spielen auch die sogenannten "Model Provider" eine Rolle, die über eine gemeinsame API für die Integration der verschiedenen Datenquellen innerhalb der Produktion sorgen. Die unterstützen Datenformate sind hier beispielsweise SQL-Daten, Excel, CSV und EMF.

Über Gateways überbrückt BaSys schließlich unterschiedliche Protokolle und Netzwerke, um für eine reibungslose Ende-zu-Ende-Kommunikation in Produktionsstraßen mit heterogenen Netzwerktopologien zu sorgen. Auch leisten Gateways die Übersetzung von BaSyx-Kommandos zu den nativen Protokollen wie zum Beispiel Modbus/TCP. Damit ist die Integration bestehender Geräte in die Industrie-4.0-Produktion möglich.

Neben der Middleware stellt BaSyx auch ein SDK bereit, dass die einfache Nutzung von APIs erlaubt. Das SDK unterstützt die Entwicklung, das Management und den produktiven Einsatz von Verwaltungsschalen, Verzeichnissen und sogenannten Sub Models für Industrie 4.0. Das BaSyx-SDK ist verfügbar für Java, C# und C++.

Fazit
Es gibt sicherlich zahlreiche Geschäftsführer und Vorstände, die in Industrie 4.0 aktuell nur ein Konzept sehen, zu dem sich das eigene Geschäft zukünftig (vielleicht) entwickeln soll. Ein Konzept, dass häufig gar nicht richtig verstanden wird und so unter Umständen zu einer aktionistischen "Digitalisierung" führen, die mit Industrie 4.0 aber nichts zu tun hat. Unabhängig davon, ob in Ihrer Firma auch so, deutlich fundierter oder noch gar nicht digitalisiert wird, zeigen das BaSys-4.0-Projekt und die daraus entstandene BaSyx-Software, dass die aktuelle industrielle Revolution die Startlöcher bereits verlassen hat. Denn diese ist längst produktiv bei Erstanwendern im Einsatz und hilft nicht zuletzt bei einem der größten Problemen von Industrie 4.0 – der Integration von älteren Produktionsmaschinen und der Vereinheitlichung der Datenbasis. Und dass das alles in Deutschland kein "Neuland" ist, zeigt nicht zuletzt die Fördermöglichkeit [3] des Bundes beim Einsatz von BaSyx in KMUs.

3.02.2020/ln/John Pardey

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