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eCl@ss-Whitepaper Industrie 4.0
SEMANTIKINDUSTRIE 4.0
®
classification and product description
ImpressumeCl@ss e. V.Postfach 10194250459 Köln
Konrad-Adenauer-Ufer 2150668 Köln
[email protected]+49(0)221 4981-811
eCl@ss-VorstandFriedhelm Hausmann / AUDI AG ( Vorstandsvorsitzender des eCl@ss e. V.) Markus Reigl / Siemens AG (stellv. Vorstandsvorsitzender des eCl@ss e. V.) Patrick Bernard / Schneider Electric GmbHDr. Matthias Fankhänel / BASF SE Dr.-Ing. Gunther Kegel / Pepperl+Fuchs GmbH Claude Pichot / afim
3
Inhalt
Statements 5
Vorwort 8
Vision Industrie 4.0 10
eCl@ss – die Semantik im Industrie 4.0-Referenzmodell 12
eCl@ss-Roadmap Industrie 4.0 19
Entwicklung Industrie 4.0 20
Das Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI4.0) 23
Die Repräsentation des eCl@ss-Advanced-Datenmodells 28
Der eCl@ss-Standard: weltweit bewährt 34
Der eCl@ss e.V.: eine Erfolgsgeschichte 37
4
5
Statements
„Durch die Digitalisierung der Wirtschaft wächst die Bedeutung von eCl@ss
enorm. Offenen Architekturen der Industrie 4.0 brauchen eine Semantik.
Diese liefert eCl@ss ab der Version 9.0 auch für den Engineering-Prozess.“
Michael ZiesemerPräsident des ZVEI
(Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e. V.)COO / stellvertretender Vorstandsvorsitzender
Endress+Hauser Management AGReinach / Switzerland
„Mit eCl@ss liegt gerade durch die Integration der PROLIST-Datenmodelle
jetzt eine Merkmalsstruktur vor, die schon über weitreichende syntaktische
und semantische Elemente verfügt. Es wäre geradezu unverantwortlich,
diese verfügbare Technologie nicht innerhalb der formalen Repräsentation
der Industrie 4.0-Kommunikation zu verwenden.“
Dr.-Ing. Gunther KegelVorsitzender der Geschäftsleitung / CEO
Pepperl+Fuchs GmbHMannheim / Germany
„Die Digitalisierung der industriellen Produktionsprozesse kann dann die
größte Wirkung entfalten, wenn standardisierte Produkt- und Produktions-
daten zu hersteller- und gewerkübergreifender Informationsvernetzung
führen. eCl@ss sehen wir als zentrales Werkzeug, um dafür die semantisch
eindeutigen Merkmale zu liefern.“Dr. Matthias Fankhänel
Senior Vice President GFU Technical Expertise, BASF SE
Ludwigshafen / Germany
6
„Die standardisierte Semantik, also die einheitliche Bedeutung der Daten,
ist für das Gelingen von Industrie 4.0 unerlässlich. Erst so können Produkt-
und Produktionsinformationen von Unternehmen, Anlagen und Prozessen
weltweit verstanden werden.“Dr.-Ing. Christian Mosch
Forum Industrie 4.0 VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e. V.)
Frankfurt am Main / Germany
„Industrie 4.0-Wertschöpfungsprozesse benötigen eindeutige, von Maschi-
nen interpretierbare Spezifikationen der Eigenschaften von Produkten und
Ressourcen. eCl@ss stellt diese in großem Umfang bereit und gibt damit
Industrie 4.0 Bedeutung.“Prof. Dr.-Ing. Alexander Fay
Leiter des Instituts für Automatisierungstechnik,Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr
Hamburg / Germany
„In Industrie 4.0-Systemen werden digitale Abbilder der Maschinen und
Anlagen existieren. Darin sind die Eigenschaften der Betriebsmittel, der
Produkte und der Abläufe enthalten. Diese müssen semantisch ein deutig
verfügbar sein. eCl@ss bietet sowohl eine gewisse Klassifikation der
Betriebsmittel als auch einen bedeutenden Satz an Merkmalen, die den
Daten Bedeutung verleihen können.“
Prof. Dr.-Ing. Christian DiedrichLeiter des Instituts für Automatisierungstechnik
Otto-von-Guericke-Universität MagdeburgMagdeburg / Germany
7
„eCl@ss stellt mit seiner Geräteklassifikation und den standardisierten
Industrie 4.0-konformen Merkmalsbeschreibungen ein Vokabular zur Ver-
fügung, das die Herausforderungen der vierten industriellen Revolution
hinsichtlich Informationsdurchgängigkeit und umfassender Informations-
nutzung meistern kann. Das volle Potenzial lässt sich dabei am effektivsten
in Kombination mit anderen Datenaustauschformaten wie AutomationML
entfalten.“Apl. Prof. Dr.-Ing. habil. Arndt Lüder
Institut für Arbeitswissenschaft, Fabrikautomatisierung und Fabrikbetrieb
Lehrstuhl für Fabrikbetrieb & ProduktionssystemeOtto-von-Guericke Universität Magdeburg
Magdeburg / Germany
„Die Bedeutung cyber-physischer Systeme, die zugleich als reale (physi-
sche) Ressourcen existieren und auch eine virtuelle Repräsentation im Web
besitzen, steigt mit Industrie 4.0 enorm. eCl@ss kann und sollte hier einen
wichtigen Beitrag leisten, indem es die Struktur und die standardisierten
Inhalte eines gemeinsamen Industrie 4.0-Vokabulars bereitstellt.“
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Boris OttoInhaber des Audi-Stiftungslehrstuhls
Supply Net Order ManagementTechnische Universität Dortmund
Dortmund / Germany
8
Industrie 4.0 ist die Vision der digitalen Zukunft unserer Wirtschaft.
Als vierte industrielle Revolution definiert sie den Begriff „Industrie“
neu. Produkt-, Fertigungs- und Prozessdaten systematisch zu sammeln
und aufzubereiten, wird zur Kernkompetenz von Industrieunterneh-
men, um jederzeit optimale Entscheidungen treffen zu können.
Die Basis dafür sind Informationen, die von einem Objekt oder
einem Service bereitgestellt oder übergeben werden. Parallel zum
Entstehungs- oder Veredelungsprozess lassen sie sich in einer
sogenannten virtuellen „Verwaltungsschale“ zusammenführen,
in der alle hierzu relevanten Daten prozessbegleitend abgebildet
sind. Der Empfänger nimmt die Informationen aus der Verwal-
tungsschale auf, um daraus zielgerichtet den nächsten Schritt in
der Prozesskette durchführen zu können – ein vollautomatischer
Vorgang in der Fabrik der Industrie 4.0.
Unabdingbare Voraussetzung für die digitalen Fertigungsnetz-
werke von Industrie 4.0 ist eine standardisierte Bedeutung der
Datenstrukturen. Diese muss formal definiert, standardisiert,
inhaltlich widerspruchsfrei und eineindeutig sein.
Ausgehend vom klassischen Produktinformationsmanagement
(PIM) liefert der eCl@ss-Standard für die Klassifikation und Beschrei-
bung von Produkten und Services eine bewährte Methodik, die
bereits jetzt über Datenstrukturen im Engineering hinausgeht.
VorwortVon Friedhelm Hausmann, Vorstandsvorsitzender des eCl@ss e. V.
9
Die in eCl@ss verwendeten ISO/IEC-konformen Merkmalsbeschrei-
bungen ermöglichen über eCl@ss -bestimmende „International
Registration Data Identifier“ (IRDI) eine eindeutige Identifikation
jeder Entität im System und liefern somit die unabdingbare Vor-
aussetzung zur Verwendung in Industrie 4.0-Szenarien.
Zwei Beispiele aus der Praxis, die den aktuellen Einsatz von eCl@ss
in zwei themennahen Referenzlösungen zeigen:
• Im Bereich der Prozess-Leit-Technik werden ingenieurwissen-
schaftliche Anforderungen an Geräte über eCl@ss-Merkmale
definiert und elektronisch an einen Konfigurator übertragen,
der dann mit eigenen Algorithmen geeignete Produkte aus-
wählt und das konkrete Produkt mit seiner eCl@ss-Merkmals-
vollausprägung zurückliefert.
• Im Elektro-Engineering werden Produkte, deren 3D-Detail-
geometrie über eCl@ss-Merkmale beschrieben wird, automa-
tisiert angeordnet und ein vollautomatisiertes Kabelrouting
inklusive Konfektion von Kabelbäumen durchgeführt.
Das vorliegende Whitepaper beschreibt die Sicht des eCl@ss e. V.
auf die Industrie 4.0 und stellt Zusammenhänge zwischen objekt-
und servicedefinierenden Stammdaten und einer Prozesssteue-
rung dar.
10
Die Industrie 4.0 bildet physische Produkte und Prozesse in der
virtuellen Welt ab. Gleichzeitig vernetzt sie alle Partner im Wert
schöpfungsverbund miteinander. Ein ungehinderter, medien
bruch freier Informationsfluss ist notwendige Erfolgsvoraussetzung
einer durchgängig datengetriebenen und gesteuerten Produk
tions welt. Grundlage für den reibungs losen Austausch von Daten
ist eine qualitätsgeprüfte, informatorische Wissensarchitektur.
Im Zentrum von Industrie 4.0 stehen vernetzte Fabriken mit
intelli genten Produkten, die den Produktionsprozess aktiv steuern.
Produkte, Maschinen, Anlagen und sogar Werkzeuge sind über
intelligente IT aktiv ansteuerbar. Das erlaubt nicht nur die vertikale
und horizontale Integration von Wertschöpfungsketten in ein
Unternehmen, sondern auch über Firmengrenzen hinweg.
Treiber dieser Entwicklung ist das Internet. Über das „Inter-
net der Dinge“ kommunizieren und kooperieren die Entitäten
in Echtzeit miteinander und mit den Menschen. Die zentrale
Steuerung von Unternehmen wird durch dezentrale und selbst-
lernende Organisationsformen abgelöst. Im Zentrum der Ent-
wicklung: der Mensch als entscheidender, kreativer Faktor. Noch
stärker als heute wird er in die Informationssysteme inte griert und
von ihnen unterstützt. Aus der vierten industriellen Revolution
erwächst eine Welt, in der den Menschen (und den Maschinen) zu
Vision Industrie 4.0
11
jeder Zeit genau die Informationen zur Verfügung stehen, um eine
immer optimale Entscheidung treffen zu können – sei es im Hin-
blick auf die Produkte oder den Fertigungsprozess.
Herausforderung Semantik
Industrie 4.0 bietet neue Chancen – für Unternehmen und
Geschäfts modelle. Die Vision ist überzeugend, aber der Weg
dahin noch weit. Denn: Um alle Welten miteinander verbinden
zu können, sind semantische Standards notwendig. Standards,
die es erlauben, Informationen zu strukturieren und übergreifend
sicher, zuverlässig, eindeutig und frei von Fehlinterpretationen
organisieren, austauschen und verknüpfen zu können.
In der Praxis gibt es immer noch tiefe „informatorische Gletscher-
spalten“ wie zum Beispiel zwischen „Office Floor“ (Machine-to-
Business) und „Shop Floor“ (Machine-to-Machine). Es fehlen
Standards zur übergreifenden Kommunikation und Steuerung
von Prozessen. In Form der Merkmale liefert eCl@ss einen wert-
vollen Beitrag zur Umsetzung der Vision der Industrie 4.0. Das
bedeutet: Als qualitätsgeprüftes System zur Darstellung virtueller
Repräsentanzen bietet eCl@ss Merkmale zur eindeutigen Beschrei-
bung von Objekten, Services und künftig auch Prozessen.
12
Die intelligenten Fertigungsnetzwerke der digitalen Fabrik werden
nur mit maschinell standardisierten Informations austausch
formaten Realität. Sie müssen einen sicheren, zuverlässigen und
fehlerfreien Datenfluss über die verschiedenen Systeme hinweg
ermöglichen (ERP, PLM, MES, Logistik, Produktionsautomation etc.)
und sollen im Idealfall auch noch firmen und (sogar) branchen
übergreifend zum Einsatz kommen.
eCl@ss – die Semantik im Industrie 4.0- Referenzmodell
PLM
Automation
ERP
Logi
stik
eCl@ssSemantik
PLM
Automation
ERP
Logi
stik
eCl@ssSemantik
PLM
Automation
ERP
Logi
stik
eCl@ssSemantik
Firma A
Firma B
Firma C
Abbildung 1: Multilateraler Datenaustausch mit eCl@ss; Quelle: eCl@ss-Datenbank
13
Industrie 4.0 heißt auch: Die Fertigung von Varianten der Los-
größe 1 wird in Serie möglich sein und das zu nahezu den Kon-
ditionen industrieller Großproduktionen. Darüber hinaus ent-
stehen neue Herstellungsnetzwerke und -beziehungen, auch
über Firmen grenzen hinweg. Lieferanten und Kunden werden Teil
der Ver netzung, Wertschöpfungsstrukturen verändern sich, neue
Geschäfts modelle entstehen.
Um dieses Ziel zu erreichen, streben Industrie 4.0-konforme
Fertigungs anlagen einen höchstmöglichen Automatisierungsgrad
an. Ein Szenario, in dem das Werkstück selbst zum Daten träger wird
und alle Fertigungsschritte bestimmt. Über einen RFID-Chip kom-
muniziert das „smarte Produkt“ zum Beispiel mit den Maschinen
und navigiert sich unter Inanspruchnahme der Fertigungslogistik
eigenständig zur Station für den nächsten Produktionsschritt.
Die Versorgung mit den notwendigen Steuerungsparametern
erfolgt direkt über das ERP-System im „Office Floor“ (SOLL-Werte).
Der Abgleich mit den Live-Daten vom „Shop Floor“ (IST-Werte)
ermöglicht einen SOLL-IST-Vergleich in Echtzeit und den darauf
aufbauenden Betrieb eines sich selbst steuernden Systems. Ein
Beispiel: Wird in einer Industrie 4.0-Produktion die Priorisierung
der Aufträge angepasst, so kann das zentral über das ERP-System
erfolgen. Von hier aus werden direkt alle Aktionen auf dem Shop
Floor ausgelöst.
14
Abbildung 2: Merkmale der Wertschöpfungskette; Quelle: eCl@ss-Datenbank
Value Chain
PLM
ERP
PIM
CAx
RFID RFID
Offi ce Floor Shop Floor
VerwaltungsschaleSteuerungseinheit
Breite
Höhe
Materialgruppe
Ko bilität
Werkstoff
Engineering
VerwaltungsschaleBearbeitungseinheit
VerwaltungsschaleObjekt
Standzeit
Abnutzung
Kostenstelle
Variante
Vorschub
Maschine
Prod.Fortschri
Höhe
Baugrp. Nr.
Härtegrad
ProduktProduk on
VerwaltungsschaleTransport
Packdatum
usw.
Kunde
Versand
Stk./P e
Abmessung
k
VerwaltungsschaleVerpackung
15
Aber: In einer global vernetzten Produktion müssen sich Ferti-
gungs informationen nicht nur innerhalb eines Unternehmens,
sondern auch zwischen seinen verschiedenen Standorten und
(idealerweise) auch firmenübergreifend austauschen lassen. Wird
ein Produkt zu einem anderen Fertigungsort verbracht, so muss
auch die dortige Infrastruktur in der Lage sein, die Produktion
systemgesteuert effizient fortzusetzen. Grundlage hierfür bilden
die Informationen, die das Produkt begleiten (zum Beispiel auf
einem RFID-Chip).
Fazit: Notwendige Grundlage einer jeden vollautomatisierten, sich
selbst in Echtzeit steuernden Industrie 4.0-Anlage ist eine maschi-
nell austauschbare und jederzeit fehlerfrei interpretierbare Seman-
tik, die problemlos in bestehende Systeme (ERP, PLM, MES etc.)
integriert werden kann. Eine merkmalbasierte Semantik im Sinne
einer qualitätsgeprüften Wissensarchitektur also, wie sie eCl@ss
dank seines ISO-konformen durchgängig konsensualen Entwick-
lungsprozesses liefern kann.
16
eCl@ssLösungsszenario: die Verwaltungsschale
Abbildung 3 zeigt das Konzept einer Verwaltungsschale, dem
digitalen Spiegelbild eines Gegenstands mit seinen begleitenden
Verwaltungsschale z. B. mit
• Auslegung • Wartungsinformationen• Handbücher...
I4.0-konforme Kommunikation
Deterministische Echtzeit-Kommunikation
I4.0-Komponente
Condition Monitoring
Verschleißdaten
Verfahrsätze
Abbildung 3: Schematische Darstellung einer Verwaltungsschale; Quelle: eCl@ss-
Daten bank
17
Daten, der in der virtuellen Welt eine Entität darstellt. Alle Entitäten
auf dem Shop Floor und dem Office Floor kooperieren miteinander.
Dabei ermöglicht die Kommunikation weiterhin Echtzeit. Sprich:
Die aus der Automation bekannte Kommunikation zwischen den
physischen Geräten (wie etwa Sensoren, Steuerungseinheiten oder
Aktoren) erfolgt innerhalb weniger Millisekunden (blaue Linien in
der Abbildung 3, unterer Bereich).
Gegenstände des Shop Floors erscheinen als I4.0-konforme Entität
im Industrie 4.0-Kommunikationssystem. Die virtuelle Repräsen-
tanz besteht zum einen aus Dokumenten, die unmittelbar mit
einem Gegenstand in Verbindung stehen (wie beispielsweise
Handbücher, Wartungsanleitungen oder Auslegungsunterlagen),
zum anderen aber auch aus individuellen Merkmalen, die den
Gegenstand beschreiben (wie etwa Kennwerte mit Einheiten). Ein
Beispiel: Zu den Merkmalen eines Motors, die in der Verwaltungs-
schale gespeichert sind, gehören die klassisch betrachteten kon-
stan ten Werte, die über die gesamte Lebenszeit des Motors ge-
sehen unverändert bleiben (beispielsweise geometrische Merk-
male oder technische Eigenschaften wie die maximale Drehzahl,
Leistung oder Stromaufnahme). Darüber hinaus erfasst die Ver-
waltungsschale aber auch dynamische Parameter, die kontinuier-
licher Veränderung unterliegen (wie etwa die Anzahl der Betriebs-
stunden). Diese dynamischen Werte werden von den Sensoren der
Entität (auf dem Shop Floor) erfasst und einer weiteren Verarbei-
tung zugeführt.
18
Informationen reibungslos, fehlerfrei und übergreifend aus
tauschen
Ein Gegenstand wird mit seiner Verwaltungsschale zur Industrie
4.0-Komponente, die von einer Industrie 4.0-konformen Kommu-
nikation unterstützt wird (im oberen Bereich der Abbildung 3 in
blau dargestellt). Ein reibungsloser und fehlerfreier Austausch von
Informationen, die in der Verwaltungsschale liegen und für andere
Gegenstände von Relevanz sind, ist die zentrale Kernanforderung
jeder Industrie 4.0-Anlage. Hierfür ist eine offene und proprie-
täre Metasprache mit eindeutiger Semantik erforderlich – wie sie
eCl@ss bereitstellt.
eCl@ss ist als konsensuale Semantik prädestinierter Lieferant
von Industrie 4.0-Merkmalen für die virtuelle Repräsentanz eines
Industrie 4.0-konformen Gegenstands. Mit seinem durchgängig
ISO/IEC-konformen offenen Datenmodell erlaubt der eCl@ss-
Standard eine fehlerfreie und eindeutige Beschreibung von Eigen-
schaften und Werten. Auf diese Weise lassen sich die virtuellen
Repräsentationen verbinden, sodass übergeordnete Systeme auf
globale Daten und Einzelwerte aller Entitäten Zugriff haben.
Darüber hinaus ist auf dieser Grundlage auch eine direkte Kommu-
nikation zwischen den Gegenständen auf Basis ihrer Verwaltungs-
schalen möglich – dank eCl@ss.
19
eCl@ss ist schon heute ein leistungsfähiger Standard. Die Grund
lagen auf dem Weg zu einem Industrie 4.0konformen Vollausbau
sind gelegt und in Referenzanwendungen belegt. Eine Gegenüber
stellung des heutigen Leistungsprofils mit den Anforderungen von
morgen zeigt, dass die Weichen von eCl@ss richtig gestellt sind,
auch wenn es noch weitere Aufgaben zu lösen gilt.
eCl@ss-Roadmap Industrie 4.0
Abbildung 4: eCl@ss auf dem Weg zum I4.0-konformen Vollausbau; Quelle eCl@ss-
Datenbank
Konsensuale Semantik
Professionelle Prozesse
Eineindeutige Identifier
Leistungsstarke Technologien
ISO-basiertes Datenmodell
Referenzlösungen
Ausbau der Merkmale
Bedingte Merkmale
Release Update
I4.0-konforme Strukturierung
Mapping-Informationen
„Proof of Concept“
heute
Referenzen
I4.0-konformerVollausbau
① Konsensuale Semantik② Definiertes Prozessmanagement③ Maschinenlesbare Eindeutigkeit ④ Normenkonformität
Entwicklung Industrie 4.0
20
eCl@ss heute I4.0-Handlungsfelder
1 Konsensuale SemantikMehr als 40.000 Produktklassen, über 17.000 Entity-beschreibende Merk-male (inklusive physikalischer Einhei-ten) einfach und kosten günstig auch ohne Mitgliedschaft ladbar.
Definierte Struktur zur Klassifikation und eindeutigen Beschreibung von Objekten nach internationaler Norm ISO 13584-42 / IEC 61360.
Ergänzung des Standards um weitere Klassen und Merkmale zur Abbildung der Industrie 4.0 / Smart- Manufacturing-Anforderungen:
Mitwirkung an der Weiterentwicklung der Methoden zur Spezifikation und Nutzung von Klassen und Merkmalen im Rahmen von Industrie 4.0-Smart Manufacturing.
Realisierte und erprobte Anwendungen im Procurement und in Produkt- Informations-Management-Systemen. Zunehmend auch in Maintenance- Anwendungen und Engineering- Prozessen.
Beschreibung und Umsetzung weiterer Lösungen, die zunehmend Industrie 4.0-Charakter aufweisen (bis zum Vollausbau).
Detaillierte Beschreibungsmöglichkeit auch komplexer Produkte und Produkt-varianten auf Basis strukturierter Merk-male auf Ebene der Geräteklassen.
Definition und Integration Industrie 4.0-spezifischer Beschrei-bungs anforderungen wie beispiels-weise die Abbildung bedingter Merkmale.
Konsortienübergreifende Kooperation mit Content-Providern wie Automati-onML, OPC-Foundation, PLCopen und ProSTEP. Überführung der Inhalte in die Normung (zum Beispiel IEC ).
Intensivierung der bestehenden Kooperationen und Zusammenarbeit mit weiteren Content-Providern.
Entwicklung Industrie 4.0
21
eCl@ss heute I4.0-Handlungsfelder
2 Definiertes ProzessmanagementErprobter und nachhaltiger werkzeug-unterstützter Gestaltungsprozess des eCl@ss-Standards über branchenüber-greifende Expertenteams. Klar definierter und transparenter auf Normvorgaben basierender Workflow zum Einbringen neuer Merkmale (ISO 22274).
Weiterentwicklung der offenen ContentDevelopmentPlatform.
Integration spezifischer Experten-gruppen mit Industrie 4.0-Expertise.
Releaseprozess: Systemgestützt durch Update-Files über Mechanismen zum automatisierten Versions-Update.
Unterstützung durch Werkzeuge von elf Service-Providern .
Ausbau der Mechanismen zur weitest-gehend automatischen Sicherstellung der Kompatibilität neuer Industrie 4.0- Anforderungen zu Vorgängerreleases.
Ausbau der Werkzeugkette.
Hohe Akzeptanz durch bestehenden Konsens vieler Unternehmen und Branchen.
Fachgruppen mit Vertretern aus Indus-trie, KMU, Handel und einschlägigen Verbänden. Kostenlose, nicht an eine eCl@ss-Mitgliedschaft gebundene Mitarbeit in Fachgruppen.
Ausbau der Akzeptanz durch Gewin-nung weiterer Stakeholder in den für Industrie 4.0 wichtigen Branchen.
Ausbau der Fachgruppen zu Industrie 4.0 / Smart Manufacturing-relevanten Inhalten.
22
eCl@ss heute I4.0-Handlungsfelder
3 Maschinenlesbare EindeutigkeitAuslieferung von eindeutigen eCl@ss IRDIs (ISO/IEC-konform) für alle eCl@ss-Elemente (Klassen, Merkmale, Werte, Blöcke etc.).
Weitere IRDIs für neue Entitäten.
Detaillierte Beschreibungsmöglichkeit auch komplexer Produkte und Produkt-varianten auf Basis strukturier ter Merkmale auf Ebene der Geräteklassen.
Übergreifende Zusammenarbeit mit anderen weitverbreiteten Konsortien wie Automa tionML, OPC Foundation, PLCopen und ProSTEP.
4 Normenkonformität
Das von eCl@ss verwendete Struktur-modell zur Beschreibung und Verwal-tung von Klassen, Merkmalen und Einheiten etc. basiert auf der ISO 13584-42 / IEC 61360.
eCl@ss IRDIs definieren sich gemäß ISO/IEC 11179-6, ISO 29002 und ISO 6532.
Der eCl@ss-Releaseprozess beruht auf der ISO 22274.
Erweiterung des Strukturmodells zur Realisierung Industrie 4.0-konformer Verwaltungsschalen.
Dies schließt gegebenenfalls auch die Mitarbeit bei Anpassungen und Erweiterungen der referenzierten Normen ein.
5 Fazit
eCl@ss verfügt weltweit über hohe Expertise in der normkonformen, konsensualen Entwicklung des eCl@ss-Produktdatenstandards, der bereits heute zentrale Anforderungen an eine Semantik für Industrie 4.0 erfüllt.
Gemeinsame Projekte, die die Lösungs- und Leistungsfähigkeit von eCl@ss als Semantik der Industrie 4.0 belegen und künftig als weitere Referenz-implementierung oder Basisinstallation dienen, dienen als „Proof of Concept“.
23
Industrie 4.0 als Teil des Internets der Dinge stellt den „Gegenstand“,
im Referenzarchitekturmodell RAMI4.0 „Asset“ genannt, in den
Mittelpunkt der Methodik zur Beschreibung von Systemen. Dabei
kann ein Asset ein physischer Gegenstand, aber auch eine Idee,
eine Software oder ein Service sein. Mittels RAMI4.0 wird das Asset
nach einheitlichen Kriterien mithilfe dreier Achsen beschrieben:
Architektur-Achse, Verlaufs-Achse und Hierarchie-Achse.
Das Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI4.0)
Abbildung 5: Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0; Quelle: Heidel/Dr. Hoffmeister
24
Die Architektur-Achse dient der näheren Beschreibung des Assets
an sich. Ihre sechs Schichten repräsentieren einerseits das Asset
in der physischen Welt (Asset Layer), andererseits die das Internet
der Dinge ausmachende Informationswelt mit der maschinenver-
arbeitbaren Beschreibung wesentlicher für die Rolle des Assets in
einer Anwendung wichtiger Eigenschaften und Fähigkeiten.
Zu dieser Beschreibung in der Informationswelt gehören:
• Integration Layer mit der allgemeinen Beschreibung der Asset-
Eigenschaften
• Communication Layer zur Beschreibung der mit anderen Assets
auszutauschenden funktionalen Informationen
• Information Layer zur Beschreibung der funktionalen Daten
• Functional Layer mit den asset-spezifischen fachlichen Funktio-
nalitäten und
• Business Layer mit den bezüglich des Einsatzes und der Rolle
eines Assets für den Geschäftsverkehr relevanten Informationen,
zum Beispiel Vorschriften und gesetzgeberische Regeln, detail-
lierte Auftragsinformationen, Rabatte und Preise.
Da jedes Asset einen Entstehungs- und einen Entsorgungszeit-
punkt besitzt, markiert die Verlaufs-Achse den Lebenslauf eines
Assets, im Wesentlichen durch seinen Zustand und Ort zu einer
bestimmten Zeit.
25
Die Hierarchie-Achse reflektiert, dass ein Asset immer jemandem
beziehungsweise etwas zugeordnet ist. Sie beschreibt eine erwei-
terte – aus der Welt der Fertigungssteuerung (Manufacturing Exe-
cution System MES) bekannte – Hierarchie. Sie ist „nach oben“ um
die Ebene „Connected World“ erweitert, die eine bislang auf ein
Unternehmen beschränkte Hierarchie entsprechend dem Indust-
rie 4.0-Konzept auf ein Netz von Unternehmen erweitert.
Die Erweiterungen „nach unten“ sind darin begründet, dass
einerseits die Hierarchie-Ebene „Field Device“ die Granularität
der Achse insgesamt erhöht. Andererseits repräsentiert die
untere Ebene „Product“ das „Teil in Fertigung“, das gemäß dem
Industrie 4.0-Konzept eine eigen ständige Entität darstellt und
daher in der Lage ist, in seinen eigenen Fertigungsprozess aktiv
einzugreifen.
Durch Hinzufügen der Industrie 4.0-konformen Verwaltungs-
schale zu einem physischen Asset entsteht die I4.0Komponente
als Re präsentation eines Assets in der Informationswelt. Die
auf Basis von RAMI4.0 vorgenommenen logisch strukturierten
Informa tionen eines Assets werden durch die Verwaltungsschale
des Assets anderen I4.0-Komponenten zugänglich gemacht, damit
diese miteinander kooperieren können.
26
Ohne gemeinsame Semantik keine Kooperation der Gegenstände
Ganz im Sinn des Internets der Dinge ist ein zentraler Aspekt der
Industrie 4.0 die Kooperation – ja sogar die Kollaboration – der
„Dinge“, in DIN Spec 91345 „Assets“ genannt.
Hierzu müssen Assets untereinander Informationen austauschen,
sich also „verstehen“. Dies ist ohne eine gemeinsame Indust-
rie 4.0-konforme Semantik nicht möglich.
Abbildung 6: Institutionen mit Projekten im Umfeld der Semantik; Quelle: ZVEI
27
Die Anforderungen an eine solche Semantik, die weit über eine
reine Ontologie hinausgehen, sind vielfältig. Wie Abbildung 6 zeigt,
existieren hierfür nicht nur schon eine Reihe relevanter Normen,
sondern es wird an den wichtigsten technischen Themen in ver-
schiedenen Insti tutionen und Projekten auch bereits aus giebig
gearbeitet.
Die im Bild eingezeichneten Linien beschreiben existierende
Beziehungen zwischen den Projekten. So kann man ohne Über-
treibung von einer semantischen Allianz sprechen, in der eCl@ss
mit seinen Merkmalen eine sehr wichtige Rolle einnimmt.
Da an Schnitt stellen immer Merkmalswerte als „Daten“ aus-
getauscht werden, sind deren nötige Harmonisierung bei
gemein samer Nutzung von eCl@ss-Merkmalen als Basis der
gemeinsamen Semantik leicht zu realisieren. eCl@ss ist daher
im Verbund mit den Ergebnissen aus den anderen Projekten die
ideale Grundlage für die Semantik in der Industrie 4.0. Durch
den direkten Normen bezug erlangen die Ergebnisse auch inter-
nationale Bedeutung.
28
Die Repräsentation des eCl@ss-Advanced- Datenmodells
Die eCl@ss-Version „Advanced“ wird in einer ISO-konformen
Datenstruktur bereitgestellt. Durch die Integration des PROLIST-
Standards im Jahr 2010 sowie der CAx-Elemente ergaben sich wich-
tige Erweiterungen im Datenmodell. Im ersten Schritt wurde an
die vierstufige Klassenstruktur eine Applikationsklasse (AC) ange-
hangen. Diese beinhaltet als Container aller relevanten Struktu-
relemente, wie zum Beispiel Blöcke oder Aspekte. Durch die Imple-
mentierung erweiterter Datentypen (Level Type und Axis Type),
wurde der Standard weiter vereinfacht und physikalisch-techni-
sche Zusammenhänge aus verschiedenen Merkmalen wurden in
einen Datentyp zusammengefasst.
Die im Engineering zwingend benötigten Multiplikations -
elemente „Kardinalität“ sowie die Möglichkeit der Variantenaufrufe
spezieller Blöcke mithilfe des „Polymorphismus“ sind von Beginn
an im Advanced-Datenmodell berücksichtigt.
Die eCl@ssXMLRepräsentationen für Basic und Advanced
Zur automatisierten Verarbeitung des eCl@ss-Standards wird
dieser ab 2010 zusätzlich im eCl@ssXML-Format bereitgestellt.
29
Grundlage für dieses Ausleitungsformat ist ein ISO-genormtes
XML-Format zum Produktdatenaustausch. Die Spezifikation dazu
ist in ISO 13584-32:2010 (ontoML) veröffentlicht. So kann eine
einheitliche und vergleichbare Struktur der Daten für die Kom-
munikation zwischen Maschinen bereitgestellt werden.
Beispiel:
SACHGEBIET
HAUPTGRUPPE
GRUPPE
KLASSIFIKATIONSKLASSE
APPLIKATIONSKLASSE „BASIC“
Merkmal
Wert
Wert
APPLIKATIONSKLASSE „ADVANCED“
ReferenzmerkmalBlock
Merkmal
30
Eigenschaften eCl@ss Advanced
Strukturelemente der Repräsentation Advanced
Block
Als Block bezeichnet man die Sammlung verschiedener klassen-
bezogener, zusammenhängender Merkmale unter einem Namen.
eCl@ss Advanced Cornerstones
Grundsätzliche Funktionalitäten Datentypen
Hierarchische Klassenstruktur Integer (Count)
IRDI (eindeutige Identifier) Real (Count)
Schlagworte und Synonyme Integer (Measure)
Zweidimensionale Merkmalleisten Real (Measure)
Wertelisten / Vorschlagslisten String (translatable)
Aspekte / Merkmalsblöcke Boolean
Abhängige Merkmale Time / Timestamp
Formatangabe bei Integer / Real optional Currency
Alternative Einheiten Level Type
DIN-konforme Einheiten Axis Type
Dynamische Funktionalitäten eTeilautomatisierte Updates
Polymorphismus Transaction Update Files (TUF)
Kardinalität Release Update File (RUF)
31
Bei umfangreichen Beschreibungen von Geräten mit Klassen ist
eine solche Strukturierung äußerst hilfreich. Zur Erstellung eines
Blocks muss in der Advanced-Repräsentation ein Referenzmerk-
mal gebildet werden.
Aspekt
Ein Aspekt ist eine spezielle Variante eines Blocks, der in der
obersten Ebene einer Klasse zu finden ist. Inhaltlich beschreibt
er nicht-produktspezifische für eine Klasse unter bestimmten
Gesichtspunkten. Der Aspekt „Hersteller“ zum Beispiel umfasst
Merkmale wie Herstellername, Hersteller-Artikelnummer, Modell-
bezeichnung etc. Diese Merkmale hängen direkt vom Hersteller ab
und unterliegen keiner produktspezifischen Einschränkung. Somit
kann dieser Aspekt universell bei jeder anderen Klasse eingesetzt
werden um Herstellerdaten zu sammeln.
Beispiel:
KRAFTFAHRZEUG
Gewicht
Anzahl TürenAnzahl Sitzplätze
Referenzmerkmal HerstellerBlock
HerstellernameHersteller-ArtikelnummerModellbezeichnung
KRAFTFAHRZEUG
Gewicht
Anzahl TürenAnzahl Sitzplätze
Hersteller-Artikelnummer
Herstellername
Modellbezeichnung
32
Erweiterte Funktionalitäten
Kardinalität
Mit „Kardinalität“ definiert man die Eigenschaft, einen Block dyna-
misch im Rahmen der zu pflegenden Merkmalswerte zu verviel-
fachen. In unserem Beispiel „Kraftfahrzeug“ kann die Kardinalität
bei der Beschreibung der Türen eingesetzt werden. Die Türen sind
mit den Merkmalen „Farbe“, „Art“ und „elektrischer Fensterheber“
beschrieben. Diese Merkmale sind in einem Block „Türmerkmale“
zusammengefasst und können über das Referenzmerkmal „Anzahl
der Türen“ beliebig oft aufgerufen werden:
Beispiel:
KRAFTFAHRZEUG
„Anzahl der Türen“ = 3 (dyn.)Tür 1
Tür 2
Tür 3
Block Türmerkmal
Block Türmerkmal
Block Türmerkmal
Farbe = rot
Farbe = rot
Farbe = rot
Türart = Fahrertür
Türart = Beifahrertür
Türart = Kofferraumtür
elektrischer Fensterheber = ja
elektrischer Fensterheber = ja
elektrischer Fensterheber = nein
33
Polymorphismus
Häufig ist im Vorfeld nicht festgelegt, welche Inhalte ein Block
innerhalb einer Klasse benötigt. Der Polymorphismus bietet daher
die Möglichkeit, dynamisch bei der Zuweisung von Werten zu
Merkmalen zu entscheiden, welcher Inhalt des Blocks konkret
benötigt wird. Datentechnisch wird jetzt erst festgelegt, welcher
Block aus einer Menge von Blöcken herangezogen wird. Am Bei-
spiel „Kraftfahrzeug“ kann man den Polymorphismus zur Beschrei-
bung der unterschiedlichen Türarten einsetzen:
Die Eigenschaft der vielfachen („poly“) Ersetzbarkeit („Morphismus“)
wird dazu genutzt, innerhalb einer Produktstruktur verschiedene
Details zu beschreiben und dabei die Menge der gesamten Merk-
male überschaubar und redundanzfrei zu halten.
KRAFTFAHRZEUG
Türart“ = FahrertürBlock Türart“ = Fahrertür
Lautsprecher = jaautomatische Verriegelung = jaelektrischer Fensterheber = ja
KRAFTFAHRZEUG
Türart“ = KofferraumtürBlock Türart“ = Kofferraumtür
Scheibenwischer vorhanden = jaFenster mit Heckheizung = ja
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Der eCl@ss-Standard: weltweit bewährt
eCl@ss ist heute in zahlreichen Einsatzbereichen und Branchen
etabliert. Mit 40.800 Produktklassen und mehr als 17.000 Merk
malen deckt eCl@ss einen Großteil der gehandelten Waren und
Dienstleistungen aus diversen Branchen ab – und der Standard
wächst stetig weiter. Auch deshalb hat sich eCl@ss mit inzwi
schen rund 3.500 anwendenden Unternehmen national und inter
national durchgesetzt.
Um Einsparpotenziale im Einkauf zu identifizieren und optimal
auszunutzen, werden Beschaffungsvolumina gebündelt und auf
Lieferanten zentralisiert, was die Position der Beschaffung gegen-
über dem Lieferanten stärkt.
Bei großen Beschaffungsorganisationen wird über die Zuordnung
von eCl@ss-Produktklassen zu den einzelnen Einkäufern eine gute
Basis zur Strukturierung und Lenkung der internen Einkaufsbe-
darfe und Prozesse sichergestellt.
BESCHAFFUNG: EINSPARPOTENZIALE NUTZEN
MIT STRUKTUR: LENKUNG DES EINKAUFS
35
Zu wissen, welcher der hausintern freigegebenen Lieferanten
welches Produkt liefern kann, sichert bei Bestellungen große Zeit-
vorteile. Die Zahl der Lieferanten und der Ressourceneinsatz zur
Lieferantenverwaltung können deutlich reduziert werden.
In Zeiten des Web 2.0 sind elektronische Kataloge und Produkt-
daten wichtiger denn je. Nach eCl@ss standardisiert und auf den
Kunden individuell zugeschnitten, eröffnen sie neue Absatzmög-
lich keiten und erfüllen die Beschaffungsvorgaben vieler großer
Konzerne.
Virtuellen Marktplätzen kommt eine immer größere Bedeutung
zu. Da zunehmend elektronisch nach Produkten und potenziellen
Lieferanten gesucht wird, kann es für den Anbieter entscheidend
sein, sich und seine Produkte hier zu präsentieren.
LIEFERANTENMANAGEMENT: WENIGER IST MEHR
VERTRIEB: MIT ELEKTRONISCHEN KATALOGEN
MARKTPLÄTZE: DA SEIN, WO KUNDEN SUCHEN
36
Der Einsatz von eCl@ss als Klassifikationsstandard im Controlling
ermöglicht den Aufbau eines aussagefähigen Berichtswesens
bezüglich des eigenen Beschaffungsportfolios und damit die Vor-
aussetzung für die operative und strategische Un ter nehmen s-
planung.
Bei Joint Ventures und Unternehmenszukäufen hilft eCl@ss,
scheinbar inkompatible Stamm-, Bewegungs- und Produktdaten
zu mappen und zu harmonisieren, sodass zentrale Auswertungen,
Benchmarkings und gezielte Optimierungen möglich werden.
Durch den Austausch von standardisierten Produktinformatio-
nen werden manuelle Tätigkeiten minimiert und voll systemun-
terstützte Anfrage- und Einkaufsprozesse vom CAe-System direkt
zum ERP-System möglich.
eCl@ss, die gemeinsame Sprache im Engineering: It works!
CONTROLLING: AUSWERTEN & OPTIMIEREN
JOINT VENTURES: EINE LÖSUNG MEHR
ENGINEERING: „MADE IN GERMANY“
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Der eCl@ss e. V.: eine Erfolgsgeschichte
eCl@ss hat sich durchgesetzt. Das Erfolgsrezept: konsequente
Entwicklung von der Industrie für die Industrie. Der eCl@ss e. V. hat
heute rund 140 Mitglieder aus Wirtschaft, Verbänden und öffent
lichen Einrichtungen – Tendenz steigend.
Im Jahr 2000 wurde der eCl@ss e. V. von den Firmen Siemens,
BASF, AUDI/VW, e.on, SAP, Bayer, Degussa, Wacker, infraserv
chemfidence und Solvay gegründet. Ziel des Vereins ist eine
Vereinfachung des elektronischen, branchenübergreifenden
Handels durch standardisierte Produktbeschreibungen. Heute
haben sich rund 140 nationale und internationale Unternehmen
aus fast allen Branchen, Organisationen und öffentlichen Ein-
richtungen dem Verein angeschlossen.
Seit Gründung des Vereins ist die Hauptgeschäftsstelle des
eCl@ss e. V. im Institut der deutschen Wirtschaft Köln angesiedelt.
Die Hauptgeschäftsstelle betreut nicht nur die Mitglieder und
unter stützt und koordiniert die einzelnen Gremien des Vereins,
sondern ist Ihr erster Ansprechpartner zu allen Fragen rund um
eCl@ss. Sie erreichen uns über [email protected] oder telefonisch
unter +49(0)221 4981-811. Wir helfen Ihnen gerne weiter.
Der eCl@ss e. V.
Die eCl@ss-Geschäftsstelle
BildquelleneCl@ss-Datenbank, Elektromotor-Fotolia_56382693_L (© pgottschalk) jpg, Triebwerksteil 3-Fotolia_22916858_L(© dradius.de) jpg, White truck-Fotolia_40501504_L (© tbob j. affelwoolf ) jpg, Robotik-Fotolia_79777098_L (© Patrick P. Palej) jpg
eCl@ss e. V.Postfach 10194250459 Köln
Konrad-Adenauer-Ufer 2150668 Köln
[email protected]+49(0) 221 4981-811