eCl@ss-Whitepaper Industrie 4.0

SEMANTIKINDUSTRIE 4.0

®

classification and product description

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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

34

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“

37

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 info@eclass.de 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

info@eclass.dewww.eclass.de+49(0) 221 4981-811