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Industrie 4.0 versus IIC Zwei Architekturansätze für das industrielle Internet

Autor / Redakteur: Daniel Stock * / Franz Graser

RAMI 4.0 und IIRA sind Begriffe, die im Kontext mit Industrie 4.0 auftauchen. Was sie bedeuten, was sie gemeinsam haben und was sie unterscheidet, zeigt dieser Beitrag.

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Beide Modelle – sowohl RAMI 4.0 der Plattform Industrie 4.0 als auch IIRA des Industrial Internet Consortiums – stehen für eine höhere Effizienz in der Industrie.
Beide Modelle – sowohl RAMI 4.0 der Plattform Industrie 4.0 als auch IIRA des Industrial Internet Consortiums – stehen für eine höhere Effizienz in der Industrie.
(Bild: Clipdealer)

Der Begriff „Industrie 4.0“ entstammt einer Entwicklung, die 2006 mit dem Forschungsprogramm „High-Tech-Strategie“ der Bundesregierung begann und 2012 als HTS-Aktionsplan weitergeführt wurde, in dem erstmals das „Zukunftsprojekt Industrie 4.0“ als Kernelement festgehalten wurde. Dieses wurde in die Plattform I4.0 überführt, deren Stakeholder sich in drei Gruppen einteilen lassen. Die Bundesregierung ist vertreten durch das BMBF und BMWi. Die Forschung begleitet die Fraunhofer-Gesellschaft. Der private Sektor, also die Industrie, ist durch die Verbände Bitkom (IT), VDMA (Maschinenbau) und ZVEI (Elektrotechnik) und viele namhafte Firmen repräsentiert.

Referenzarchitekturmodelle sind keine Konkurrenz

Im April 2014 veröffentlichte die Plattform Industrie 4.0 das erste Referenzarchitekturmodell für Industrie 4.0 (RAMI 4.0), das zum Ziel hat, „die komplexen Zusammenhänge zu beschreiben, in mundgerechte Teilmengen zu zerlegen und Assets zu beschreiben“.

Fast zeitgleich gründete die Object Management Group (OMG) eine Plattform für das Industrial Internet Consortium (IIC), welche sich anfangs aus den Gründungsmitgliedern IBM, Cisco, AT&T, Intel und GE zusammensetzte. Heute zählt das IIC etwa 200 Mitglieder, darunter auch internationale Unternehmen. Im April 2015 veröffentlichte das IIC die „Industrial Internet Reference Architecture“ (IIRA). Aufgrund des Namens könnte man meinen, dabei handele es sich um eine konkurrierende Architektur zu RAMI 4.0. Die Unterschiede liegen jedoch nicht nur in der Entstehungsgeschichte. Während RAMI 4.0 aus einer politisch geführten Initiative entstand, ist IIRA rein industriegetrieben.

RAMI basiert auf Smart-Grid-Architekturmodell

Das RAMI-4.0-Modell ähnelt einem Würfel, der in seinen drei Achsen die Bestandteile der I4.0-Referenzarchitektur zusammenbringt und auf dem anerkannten Smart-Grid-Architekturmodell basiert.

Die horizontale Hierarchie-Level-Achse auf der rechten Seite stellt eine erweiterte Version der aus der IEC 62264 bekannten Ebenen dar, dem Standard für Enterprise Control System Integration. Um zusätzliche Anforderungen zu Industrie 4.0 zu erfüllen, wurden die Ebenen durch „das Produkt“ und „die vernetzte Welt“ ergänzt.

Bild 1: Mapping zwischen RAMI4.0-Bestandteilen (nach VDI/VDE Statusreport 04/2015) und funktionellen Domänen von IIRA
Bild 1: Mapping zwischen RAMI4.0-Bestandteilen (nach VDI/VDE Statusreport 04/2015) und funktionellen Domänen von IIRA
(Bilder: Fraunhofer IPA)

Die vertikale „Layers-Achse“ besteht aus sechs Schichten, die der Zerlegung einer Anlage in ihre Bestandteile bzw. Eigenschaften dient. Diese Zerlegung ist in der IKT üblich, um komplexe Systeme zu beschreiben.

Die horizontale „Life Cycle & Value Stream“-Achse zur Linken umfasst die Phasen der Lebenszyklen von Fabriken, Anlagen und Produkten nach IEC 62890 . Zudem wird hier zwischen „Typen“ und „Instanzen“ unterschieden, deren Verbindung per Definition nach RAMI 4.0 lebenslang erhalten bleiben sollte. Die „Typen“-Phase umfasst Design und Prototyping eines Gegenstands, während sich die Instanz auf die Herstellung und Einsatz des Produkts bezieht.

Die IIRA kennt vier unterschiedliche Bezugspunkte

Diese dritte Achse stellt den größten Unterschied zum IIRA dar, dessen Architekturübersicht sich auf vier sogenannte Viewpoint-Layer für das Industrial Internet System (IIS) bezieht, die die Perspektiven der Stakeholder im System darstellen.

Der „business viewpoint“ stellt den Bezug zwischen den Belangen der Stakeholder und ihrer unternehmerischen Ziele, Werte und Absichten und dem IIS im Zusammenhang im geschäftlichen und regulatorischen Kontext dar. Diese Belange sind geschäftsorientiert und etwa für Entscheider, Produktmanager und System-Ingenieure von Belang.

Der „usage viewpoint“ skizziert die erwartete Anwendung des Systems. Gewöhnlich wird dieser Sichtpunkt als eine Abfolge von Aktivitäten von menschlichen oder logischen Nutzern dargestellt, die so die angestrebte Funktionalität herstellen und die Fähigkeiten des Systems bereitstellen und ausführen.

Der „functional viewpoint“ legt den Fokus auf die funktionalen Komponenten des IIS, ihre Beziehung zueinander, ihre Struktur, ihre Schnittstellen, ihr Zusammenwirken und den Bezug und die Interaktion des Systems mit externen Bestandteilen, die das Gesamtsystem unterstützen oder erweitern.

Der „implementation viewpoint“ enthält die Techniken, die nötig sind, um die funktionalen Bestandteile zu implementieren, ihre Kommunikation zu ermöglichen und die Abläufe im Lebenszyklus sicherzustellen.

RAMI 4.0: Zentrale Bedeutung der Verwaltungsschale

Bild 2: I4.0-Komponente und Lebenszyklus-Vernetzung nach VDI/VDE Statusreport 04/2016 "Struktur der Verwaltungsschale"
Bild 2: I4.0-Komponente und Lebenszyklus-Vernetzung nach VDI/VDE Statusreport 04/2016 "Struktur der Verwaltungsschale"
(Bild: Fraunhofer IPA)

Als essentieller Unterschied zwischen RAMI 4.0 und IIRA lässt sich die explizite Berücksichtigung des Lebenszyklus von Assets oder Gegenständen im Produktionsumfeld nennen. Diese Gegenstände werden in RAMI 4.0 als Industie-4.0-Komponenten definiert, die die digital verbundene Einheit aus der Verwaltungsschale mit ihrem Gegenstand (oder mehreren) sind. Die Verwaltungsschale enthält neben der virtuellen Repräsentation des Gegenstands und der fachlichen Funktionalität zusätzlich das Manifest, das das Verzeichnis der einzelnen Dateninhalte der virtuellen Repräsentation darstellt, und den Komponenten-Manager.

Während sich IIRA primär damit befasst, die Informationsflüsse zu beschreiben und nur physikalische Objekte berücksichtigt, können Industrie-4.0-Komponenten auch immateriell sein, wie etwa ein Produktionsplan oder ein Auftrag. Die Verwaltung einer Instanz eines Produktionsplans etwa ist getrennt zu sehen von seinem Typ, also der allgemeinen Beschreibung.

RAMI berücksichtigt den Lebenszyklus in Industrie-4.0-Komponenten

Durch die explizite Berücksichtigung des Lebenszyklus in Industrie-4.0-Komponenten wird bei RAMI 4.0 die lebenslange Sammlung, Pflege und Erweiterung von Daten und Informationen dieser eindeutig identifizierbaren Komponenten angestrebt, während bei IIRA Daten im Bedarfsfall anfallen und dann auch nur für den vorgesehenen Zweck genutzt werden, etwa zur Big-Data Analyse oder zur Steuerung oder Regelung von Prozessen.

Zu einem Gegenstand können mehrere Verwaltungsschalen existieren. Innerhalb eines Systemumfelds wird jedoch stets nur eine Verwaltungsschale zugewiesen, die alle relevanten Daten beinhaltet. Die Verwaltung, Zugriffe und Verteilung von Informationen übernimmt der Komponenten-Manager, der den Abgleich der Daten verschiedener Verwaltungsschalen einer aktiv oder passiv angebundenen Komponente regelt.

Als Beispiel kann ein Hersteller in die Verwaltungsschale eines Bauteils diverse Parameter ablegen, etwa Materialcharge, Prozesstemperaturen und Drücke bei der Herstellung, Kalibrierwerte, Startparameter, Eigenwerte, Eigenfrequenzen und Bewegungsdaten. Ein Kunde, der das Bauteil in einer Maschine verbaut, kann zu dem von ihm erworbenen Produkt ebenfalls eine Verwaltungsschale anlegen, die Auftragsnummer, Teilenummer, Lieferdatum, Laufleistung, Kalibrierwert, maximale Betriebstemperatur, Gewicht über Zeit, Bewegungsdaten, und Ähnliches enthält.

Beide Architekturen schließen sich nicht gegenseitig aus. RAMI 4.0 hat einen detaillierten Fokus auf der Produktion und kann sich mit IIRA gegenseitig ergänzen, da IIRA ein Framework für die Bereiche Energie, Gesundheit, Produktion, öffentliches Wesen, Verkehr und verwandte industrielle Systeme bereitzustellen versucht, um als Befähiger für zukünftige Plattformen zu dienen.

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* Daniel Stock ist Gruppenleiter für Produktions-IT Architekturen und Integration am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA.

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