In der Industrie 4.0 tauschen Maschinen, Bauteile und Anlagen zunehmend automatisiert Daten aus, etwa über digitale Zwillinge, virtuelle Abbilder mit allen wichtigen Informationen zu einem Produkt. Normen und Standards blieben davon bislang ausgeschlossen und lagen meist nur auf Papier oder als PDF vor. Die IDiS-Projektgruppe hat solche Normen, im Projekt „SMART Standards" genannt, ebenfalls mit einem digitalen Zwilling ausgestattet, einer sogenannten Verwaltungsschale. In zwei Projektphasen zeigte sie, wie sich Normanforderungen dadurch automatisiert mit der Produktentwicklung abgleichen und in Vorzertifizierungsprozesse, also die Prüfung vor der eigentlichen Zertifizierung, einbinden lassen.

Projektdaten auf einen Blick

Projekt-Plattform: Initiative Digitale Standards (IDiS) von DIN und DKE

Laufzeit: Q3 2021 – 06/2024, durchgeführt in zwei Projektphasen

Projektphase A: Q3 2021 – Q3 2022 (12 Monate)

Projektphase B: 15.09.2023 – 26.06.2024

Projektpartner

Projektphase A

DIN Deutsches Institut für Normung e. V.
Empolis Information Management GmbH
Fraunhofer IOSB-INA
Parson AG
Phoenix Contact GmbH & Co. KG
VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V. / DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik
WAGO Kontakttechnik GmbH & Co. KG
wordbsign

Projektphase B

BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
Beuth Verlag
DIN Deutsches Institut für Normung e. V.
DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Fraunhofer IOSB-INA
Harting
Parson AG
Phoenix Contact GmbH & Co. KG
Siemens
Siemens Healthineers
VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V. / DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik
WAGO Kontakttechnik GmbH & Co. KG
wordbsign

Ausgangssituation & Herausforderung

Industrie 4.0 (I4.0) hat das Ziel, Produkte, Maschinen und Anlagen in der Industrie über Computer und Software intelligent und selbstständig miteinander zu vernetzen. Was dabei vernetzt wird, nennt man ein „Asset", also zum Beispiel eine Maschine, ein Bauteil oder eine Anlage. Die Verwaltungsschale (englisch: Asset Administration Shell, kurz AAS) ist das Konzept, mit dem so ein Asset seinen digitalen Zwilling erhält: eine Art digitale Akte, in der alle wichtigen Informationen zu diesem Asset gesammelt sind. Das verbessert die Dokumentation über die gesamte Lebensdauer hinweg und sorgt für Interoperabilität: die Fähigkeit, dass Systeme unterschiedlicher Hersteller Daten austauschen und miteinander arbeiten können, ohne dass man sie erst mühsam „übersetzen" muss.

Normen und Standards legen fest, welche Anforderungen ein Asset erfüllen muss; sie werden zum Beispiel für die Dokumentation oder Zertifizierung herangezogen. Das Problem: Bislang wurden auch Normen selbst in ganz unterschiedlichen, teils firmeneigenen (proprietären) Verwaltungssystemen abgelegt, die nicht miteinander kompatibel sind. Über Abteilungs- und Unternehmensgrenzen hinweg entsteht so ein Bruch in der digitalen Kette.

Das Projekt hat deshalb Normen und Norminhalte ebenfalls als Verwaltungsschale abgebildet, im Projekt „SMART Standards" genannt. Damit passen sie ins gleiche digitale Format wie die Produkte, die sie betreffen, und lassen sich direkt in Industrie-4.0-Systeme integrieren. Das schafft Interoperabilität mit allen Partnern in der Wertschöpfungskette und vereinfacht normenbasierte Abläufe wie die Produktzertifizierung.

Reading Guide der Industrial Digital Twin Association (IDTA) – ein guter erster Anlaufpunkt zum Zusammenspiel von I4.0 und Digitalen Zwillingen

Projektziel

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Im Piloten „Normintegration in die Verwaltungsschale“ (NormAAS) wurden SMART Standards mit Verwaltungsschalen ausgestattet. In der Folge können SMART Standards als Industrie-4.0-Komponente – also SMART Standard plus Verwaltungsschale – in Industrie-4.0-Ökosysteme integriert werden. Als Nutzen wurden erwartet:

Integration und semantische Anreicherung von Norminhalten auf Dokument- und Contentebene in die Verwaltungsschale
Direkte Abrufbarkeit relevanter Norminhalte und -fragmente aus der Verwaltungsschale heraus
Automatisches Matching von Produktfähigkeiten mit Normanforderungen
Rückspielen von Anwendungswissen in ein Normen-Management-Portal zur Bewertung und gegebenenfalls Übernahme durch Normersteller

Projektphase B: Demonstration der digitalen Vorzertifizierung

Ziele der Phase B

Modellierung und Umsetzung einer Demonstration „I4.0 Pre-Certification“: Matching von Produktfähigkeiten und Normanforderungen auf Basis der Verwaltungsschalen eines Produktes und der Standards
Identifikation derzeit noch existierender und zu schließender Gaps bei SMART Standards, die in die Gremien eingebracht werden

Umsetzung

In Phase B wurde erprobt, wie die Inhalte einer Norm und insbesondere relevante Normfragmente in die Verwaltungsschale einer Norm integriert werden können, um beispielsweise Prüf- und Zertifizierungsprozesse zu vereinfachen. Vorzertifizierungsservices können auf Basis der Produktfähigkeiten und der Anforderungen der Standards durch ein Matching der zugehörigen Verwaltungsschalen ermitteln, bis zu welchem Grad ein entwickeltes Produkt bereits nach einem Standard zertifiziert werden kann und welche Anforderungen in der weiteren Produktentwicklung noch erfüllt werden sollten.

Die Modellierung erfüllt insbesondere die folgenden Anforderungen:

Integration von Anforderungen in die Produktentwicklung – mit einer 1:N-Beziehung zwischen Produkt und Normen sowie einer L:M-Beziehung zwischen Produktfähigkeiten und Normanforderungen
Bewertung der Normkonformität des jeweils aktuellen Produktentwicklungsstands

Im Demonstrator sind Anforderungen aus AAS-basierten SMART Standards automatisch in Produktentwicklungsprozesse integrierbar. Nach der Auswahl der für ein Produkt relevanten Normen werden die zugehörigen Verwaltungsschalen dieser Normen von den Plattformen der Normanbietenden heruntergeladen und auf unternehmensinternen Servern bereitgestellt. Der digitale Produktentwicklungsservice verlinkt diese Anforderungen in der Verwaltungsschale des zu entwickelnden Produktes. Die Anwendenden können die individuelle Umsetzungssignifikanz jeder Anforderung herunterstufen: CE-Anforderungen bleiben gewöhnlich verpflichtend, während Anforderungen aus weiterführenden, spezifischen Normen als optional betrachtet werden können.

Im Verlauf der Produktentwicklung werden Fähigkeiten und technische Daten neu zum Produkt hinzugefügt oder entsprechend der Anforderungen weiterentwickelt. Zu jedem Zwischenstand können die Produktentwickelnden den digitalen Vorzertifizierungsservice buchen. Dieser bewertet die Anforderungserfüllung sowohl in Gänze über alle ausgewählten Normen als auch norm- und anforderungsindividuell und dokumentiert das Ergebnis in einem Testbook-Teilmodell in der Verwaltungsschale des Produktes. Der Produktentwicklungsservice übernimmt diese Bewertung und visualisiert, welche Anforderungen im aktuellen Entwicklungsstadium bereits erfüllt sind und an welchen Stellen nachzuschärfen ist.

Projektphase A: Grundlagen und Datenpipeline

Projektphase A konnte im Herbst 2022 abgeschlossen werden. Folgende Hauptergebnisse wurden erzielt:

Spezifikation einer Pipeline, die Normen und Standards aus den DIN- bzw. DKE-Datenbanken über das Zwischenformat iiRDS in Verwaltungsschalen überführt
Etablierung einer Standards-Domäne in iiRDS: DIN und DKE werden Mitglieder des iiRDS-Konsortiums, die Aufnahme einer Standards-Domäne ist beantragt und ein erster Modellierungsvorschlag eingebracht
Spezifikation einer Demonstration „I4.0 Standards Determination Service“: Für Produkte in der Entwicklung werden geeignete Normen und Standards zur Zertifizierung ermittelt. Basis für das Eignungs-Matching sind die in einem I4.0-Ökosystem ausgeführten Verwaltungsschalen der Normen bzw. Standards und der zu zertifizierenden Produkte.
Spezifikation einer ersten Version des Teilmodells „Digital Standards Data Sheet“, das Informationen auf der Dokumentebene einer Norm bzw. eines Standards interoperabel integriert; die finale Standardisierung erfolgt im gleichnamigen InterOpera-Projekt

Zugleich zeigte Phase A eine wesentliche Lücke auf: SMART Standards stellten nach dem damaligen Entwicklungsstand noch nicht ausreichend Informationen und Meta-Informationen bereit, um Verwaltungsschalen automatisiert zu erzeugen, die den Mindestanforderungen eines automatisierten Vorzertifizierungs-Service genügen. Diese Lücken zu ermitteln und in den SMART-Standard-Entwicklungsprozess zurückzuspielen, wurde zur Aufgabe von Phase B.

Nutzen

Durch die iterative Anwendung der Produktentwicklungs- und Vorzertifizierungsservices wird frühzeitig sichergestellt und dokumentiert, dass entwickelte Produkte konform zu den jeweils als relevant eingestuften Normen sein werden. Darüber hinaus sinkt durch die Reduzierung von Interpretationsvarianzen das Risiko, dass ein Produkt aufgrund abweichender Auslegungen von Auftraggebenden und Produktentwickelnden nicht abgenommen oder schlicht nicht zertifiziert wird.

Integration von Normanforderungen in die Produktentwicklung
Matching von Produktfähigkeiten und Normanforderungen auf Basis der Verwaltungsschalen von Produkt und Standard
Bewertung der Normkonformität des jeweils aktuellen Produktentwicklungsstands
Weniger Interpretationsspielraum und damit weniger Abstimmungs- und Nacharbeitsaufwand entlang der Lieferkette