SmartFactory-KL: Die Verwaltungsschale – das Herzstück von Production Level 4

Die Verwaltungsschalte entwickelt sich zur Schlüsseltechnologie für die Umsetzung neuer Produktionsarchitekturen. Aus dem digitalen Typenschild entsteht eine Verwaltungseinheit für sämtliche Assets in der Produktion. Dadurch ergeben sich völlig neue Möglichkeiten für flexible und resiliente Fertigungsnetzwerke.

  • Vom Typenschild zum Digitalen Zwilling
  • Interoperabilität als Voraussetzung für Zukunftsfähigkeit

Es war einmal eine Datensteckdose
Assets können alle Elemente in der Produktion sein: Produkte, Maschinen, Schrauben, Anlagen, Motoren, Klemmen oder Steuerungen. „Aber es können eben auch konzeptionelle Assets sein, wie z.B. ein CAD File oder ein Fließbild“, erläutert Prof. Christian Diedrich von der Otto-von-Guericke-Universität in Magdeburg, der auch das Projekt „Verwaltungsschale vernetzt“ leitet.

Die Verwaltungsschale (VWS) oder Asset Administration Shell (AAS) ist der zentrale Ort, an dem im Idealfall sämtliche Informationen in aktueller Version vorliegen, wie bspw. Handbücher, Checklisten oder Verkabelungspläne. Daher wird sie auch oft als Datensteckdose beschrieben. Sind sämtliche Daten einheitlich abgelegt und universell lesbar, kann die VWS für einen nächsten Entwicklungsschritt genutzt werden: zur Kommunikation mit realen Maschinen. Sie kann dann ihre Selbstbeschreibung, ihre Fähigkeiten oder Skills, nach außen tragen und in Netzwerken anbieten. „Das ist der Übergang vom statischen Datenmodell zum lebenden System in der realen Produktion, zum Simulationsmodell, zum digitalen Zwilling“, sagt Prof. Martin Ruskowski, Vorstandsvorsitzender der SmartFactory Kaiserslautern und Leiter des Forschungsbereichs Innovative Fabriksysteme am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz. „Man kann sagen, die Verwaltungsschale als Digitaler Zwilling ist ein Schlüsselelement für Production Level 4.“

Verwaltungsschale als Voraussetzung für neue Produktionsarchitekturen
Die Idee der Skill-Based Production basiert auf der Fähigkeit eines Assets, sich selbst zu beschreiben. So wird es möglich, dass Maschinen in Netzwerken über ihre eigenen und die vorhandenen sonstigen Skills Bescheid wissen. Auch für einen Menschen ist ersichtlich, auf welche Skills er zurückgreifen kann, bspw. um ein Produkt zu designen. Ist ein Skill nicht im Unternehmen, sondern nur im Netzwerk verfügbar, kann er problemlos dazugekauft werden.

Übertragbar ist die Idee auch auf das zu produzierende Produkt, welches Dank eigener VWS die zu seiner Herstellung notwendigen Eigenschaften (Capabilities) der Produktionsmittel mitbringt und kommunizieren kann. Im Netzwerk teilt das Produkt dann den vorhandenen Maschinen mit, welchen Bearbeitungsschritt es aktuell benötigt, beispielsweise ein 24 mm großes Loch, 50 mm tief. „Verfügbare Maschinen können dann anbieten, diesen Auftrag zu erledigen“, so Ruskowski. „Wir setzen das aktuell mit unserem Production Level 4-Demonstrator Ökosystem um, auf dem wir einen LKW aus Noppensteinen produzieren. Dabei gehen wir sogar noch einen Schritt weiter. Die Maschinen teilen uns zusätzlich mit, wie lange die Arbeit braucht, was sie kostet und wie hoch der Energieverbrauch ist. Das heißt, Energieeffizienz oder Kosten sind zukünftig Auswahlkriterien, dafür ob eine Maschine für eine Auftragsarbeit eingekauft wird.
Außerdem entscheidet unsere Maschine autonom, ob es besser ist, das Loch zu bohren oder zu fräsen.“ Grundlage für die Entscheidung könnte bspw. das Material sein. „Hier kommen KI-Methoden zum Einsatz“, so Ruskowski weiter. „Letztendlich erreichen wir ein hocheffizientes, flexibles und resilientes Fertigungsnetzwerk im Sinne von Production Level 4.

Die Verwaltungsschale enthält den gesamten Lebenszyklus
Andreas Orzelski, Mitarbeiter von Phoenix Contact und der Plattform Industrie 4.0, sowie im Vorstand der IDTA (International Twin Assoziation) aktiv, formuliert eine weitere Eigenschaft der Verwaltungsschale: die Lebenszyklusakte. „Da ist der gesamte Lebenszyklus mit drin, von der Produktidee bis zur Verschrottung.“ Im Projekt ReCircE greift die SmartFactoy-KL diese Idee bereits auf, um die Wiederverwertung eines Produktes zu ermöglichen. Dr. Christiane Plociennik ist Projektleiterin: „Da sollen Informationen enthalten sein, die ich unbedingt benötige, um beispielsweise zu erkennen, welche Teile möglicherweise erst kürzlich ausgetauscht wurden und deshalb noch brauchbar sind. Oder wie kann ich ein Produkt schadstofffrei recyceln. Das funktioniert nur dann gut, wenn ich genau weiß, welche Materialien verbaut wurden.“ „Nachhaltigkeit ist ein Kernelement von Production Level 4,“ betont Ruskowski. „Dabei meinen wir Ökonomie, Ökologie und die Rolle des Menschen.“

Interoperabilität und Open Source garantieren Zukunftsfähigkeit
Eines der größten Hemmnisse für die praktische Entwicklung neuer Technologien sind mangelnde Interoperabilität und fehlende Standards. Deshalb setzen sich Organisationen wie die SmartFactory-KL oder die IDTA dafür ein, dass die notwendigen Softwarebausteine als Open Source zur Verfügung stehen, damit Unternehmen für ihre Lösungen auf einer einheitlichen Basis aufsetzen können, wie dies in der IT heute bereits der Fall ist. „Letztendlich ist Open Source auch eine faktische Art der Standardisierung, aber eben auf einem anderen Weg“, erklärt Orzelski. „Wir sind da mit großer Ernsthaftigkeit bei dem Thema unterwegs, um für unseren Industriestandort Deutschland, der sehr vom Export geprägt ist, weltweit einen Erfolg für die Verwaltungsschale zu bewirken.“

Die SmartFactory-KL errichtet aktuell ein Production Level 4-Ökosystem, das als Shared Production auf Skill-Based Production basiert. Bis 2025 soll das flexible Produktionsnetzwerk über die digitale Plattformen Gaia-X arbeiten. Damit Assets (Maschinen, Services usw.) zukünftig Teil der europäischen Datenplattform Gaia-X werden können, müssen sie bestimmte technische Standards erfüllen, bspw. in Bezug auf die Sicherheit oder die Beschreibung ihrer Skills. Diese Informationen liegen ebenfalls in den Verwaltungsschalen. „Im Gaia-X-Projekt smartMA-X erproben wir, wie es technisch funktionieren kann. Daraus erarbeiten wir dann Standardisierungsvorschläge“, so Ruskowski.

Die SmartFactory-KL strebt seit Gründung hersteller- und technologieübergreifende Lösungen an. So entwickelten die Mitgliedsunternehmen Weidmüller, TE Connectivity und Harting gemeinsam einen intelligenten Steckverbinder (SmeC - Smart electronic Connector) als Use-Case im Production Level 4-Demonstrator auf der Hannover Messe 2020. „Wir bringen Stakeholder zusammen, sowohl aus der Wissenschaft als auch aus der Praxis“, betont Ruskowski. „Wir wollen unserer Gedankensilos verlassen, um eine in allen Aspekten nachhaltige Produktion zu erreichen.“

Über die Technologie-Initiative SmartFactory KL e.V.
SmartFactory-KL bezeichnet ein Forschungs- und Industrienetzwerk, das auf drei Säulen ruht, einem Verein und zwei wissenschaftlichen Einrichtungen. In der Technologie-Initiative SmartFactory KL e.V sind Forschungsinstitute und Industrieunternehmen Mitglied. Der Verein steht für Fragen in industrieller Produktionsnähe, die in den wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen „Innovative Fabriksysteme“ am DFKI und am Lehrstuhl „Werkzeugmaschinen und Steuerungen“ (WSKL) an der TU Kaiserslautern beantwortet werden. Seit 2019 ist Prof. Dr.-Ing. Martin Ruskowski organisatorische und inhaltliche Klammer. Er ist Vorstandsvorsitzender des Vereins, Leiter des DFKI-Forschungsbereiches und Inhaber des Lehrstuhles. Die SmartFactory-KL bringt Stakeholder aus Industrie und Wissenschaft in einem einzigartigen Industrie 4.0-Netzwerk zusammen, um gemeinschaftlich Projekte zur Fabrik der Zukunft zu entwickeln und umzusetzen. Auf dieser herstellerunabhängigen Demonstrations- und Forschungsplattform testen Wissenschaftler in Zusammenarbeit mit Industrievertretern innovative Fertigungstechnologien in einer realitätsnahen Fabrikumgebung. 2016 ernannte das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie die SmartFactory-KL zum Konsortialführer des Mittelstand 4.0 - Kompetenzzentrums Kaiserslautern, welches bis 2021 KMU bei der Digitalisierung unterstützte. 2021 startete das Projekt Mittelstand-Digital Zentrum Kaiserslautern, bei dem die SmartFactory-KL ebenfalls Konsortialführer ist. 2019 überarbeitete das Netzwerk das Konzept von Industrie 4.0 und nannte das Update Production Level 4 (PL4). 2020 stellte die SmartFactory-KL den weltweit ersten PL4- Demonstrator vor, der in den nächsten Jahren stetig in Richtung autonome Produktion weiterentwickelt werden soll. Der Verein ist seit 2020 an dem europäischen Netzwerk GAIA-X mit dem Forschungsprojekt smartMA-X beteiligt. Der PL4-Demonstrator spielt darin eine zentrale Rolle. Die Technologie-Initiative SmartFactory KL e.V. gehört außerdem zu den Gründungsmitgliedern der SmartFactory-EU. www.smartfactory.de

 

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Press contact:

Dr. Ingo Herbst

Leiter Kommunikation & Pressesprecher, Technologie-Initiative SmartFactory KL e.V.

Christian Heyer

Leiter Unternehmenskommunikation, DFKI Kaiserslautern

German Research Center for Artificial Intelligence
Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz