Standardisierte Vernetzung von IT und OT

Die Referenzarchitektur der SmartFactory-KL liefert einen praxistauglichen Orientierungsrahmen für die produzierende Industrie. Durch die konsequente Kapselung von Hardwarekomponenten in funktionale Skills, die semantische Beschreibung via Verwaltungsschale und die Nutzung offener Datenraum-Protokolle wird der Grundstein für eine resiliente Sachgüterproduktion in Europa gelegt.

Die moderne Industrie benötigt eine durchgängige Vernetzung der gesamten Wertschöpfungskette. Daten müssen nahtlos integriert sein, um sie sicher, souverän und vertrauensvoll teilen zu können. In der von kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) geprägten deutschen Industrielandschaft wirft dies jedoch erhebliche Herausforderungen auf: Marktmonopole außereuropäischer Plattformbetreiber, starre und proprietäre Steuerungsarchitekturen auf dem Shopfloor sowie der demografische Fachkräftemangel.

Um die Wettbewerbsfähigkeit Europas nachhaltig zu sichern, wurde die Initiative Manufacturing-X ins Leben gerufen. Deren Erfolg basiert auf drei Säulen: einer herstellerunabhängigen, semantischen Struktur für Datenmodelle, einer standardisierten Kommunikation für automatisierte Verhandlungen und einer föderierten, europarechtskonformen Dateninfrastruktur. Jedes industrielle Asset muss über eine standardisierte Selbstbeschreibung verfügen, um eine nahtlose Plug-and-Produce-Integration zu ermöglichen. Ein Whitepaper der Autoren Simon Jungbluth, Benjamin Blumhofer, Carsten Harms, Pascal Rübel, Simon Bergweiler sowie Prof. Dr. Martin Ruskowski stellt hierfür die SmartFactory-Referenzarchitektur vor.

Das technologische Fundament vernetzter Wertschöpfungssysteme

Zur systematischen Einordnung technischer, organisatorischer und semantischer Standards dient das Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0). Für die konkrete Integration der Fertigungsebene kommen drei Kernstandards zum Einsatz:

• AutomationML:
  Spiegelt in der Planungs- und Entwicklungsphase geometrische, kinematische und logische Zusammenhänge wider.
• OPC UA:
  Garantiert als Standard für den produktiven Einsatz und die Wartung einen plattformunabhängigen, sicheren Datenaustausch in Fast-Echtzeit.
• Verwaltungsschale (Asset Administration Shell – VWS):
  Bildet als digitaler Zwilling das Herzstück. Sie strukturiert sämtliche Lebenszyklusdaten eines Assets – vom digitalen Typenschild über Stücklisten bis hin zum Product Carbon Footprint (PCF).

Für den souveränen Datenaustausch liefert Gaia-X das Regelwerk. Technisch umgesetzt wird dies durch Konzepte der International Data Spaces Association (IDSA). Domänenspezifische Datenräume wie Catena-X (Automobil) oder smartMA-X (Fertigung) nutzen hierzu Konnektoren wie den Eclipse Dataspace Connector. Dieses Vertrauensmodell basiert auf dem Issuer-Holder-Verifier-Prinzip unter Verwendung dezentraler Identitäten (DIDs), wodurch jede Partei autonom die Vertrauenswürdigkeit digitaler Nachweise prüfen kann.

Die SmartFactory-Referenzarchitektur im Detail

Die SmartFactory-Referenzarchitektur konvergiert IT- und OT-Systeme nahtlos, verkürzt Inbetriebnahmezeiten, schützt Legacy-Investitionen und erhöht die Flexibilität der Anlagen. Die Architektur gliedert sich in ein dreischichtiges Modell:

• OT-Ebene (Operational Technology):
  Umfasst die physische Fabrik mit Feldgeräten, speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) sowie smarten Sensoren und Aktoren.
• IT/OT-Kopplungsebene (Edge Layer):
  Nutzt Edge-Geräte (z. B. ctrlX Automation von Bosch Rexroth oder Siemens Industrial Edge) zur Datenaggregation, Vorverarbeitung und sicheren Kommunikation.
• IT-Ebene (Information Technology):
  Kapselt übergeordnete Applikationen wie ERP-, MES-, CAD- und CAM-Systeme sowie KI-Module und autonome Agentensysteme.

OT-IT-Konvergenz und Skill-basierte Automatisierung

Ein zentrales Problem bestehender Fabriken ist die Heterogenität proprietärer Feldbussysteme. Die neue Architektur ersetzt die starr gerätezentrierte Sichtweise durch einen funktionsorientierten Ansatz. Smarte Feldgeräte werden über Interface-Applikationen direkt an Edge-Geräte gekoppelt und legen ihre Daten unabhängig von herkömmlichen Steuerungen auf einem digitalen OT-Datenbus ab.

Die Brücke zur Flexibilisierung schlägt der Smart Machine Logic Controller. Er kapselt hardwarenahe Funktionen in modulare, wiederverwendbare Dienste – sogenannte Skills (z. B. „Greifen“ oder „Lasern“). Diese atomaren Skills können zu komplexen Skill-Sequenzen komponiert werden. Der Vorteil: Die Hardware lässt sich austauschen, ohne den übergeordneten Steuerungscode anzupassen.

Das Smart Machine Interface wandelt die operativen Daten via OPC UA for Machinery in ein standardisiertes Format um. Da die Schnittstelle vereinheitlicht ist, entfallen individuelle Bedienoberflächen (HMI). Das verkürzt Einarbeitungszeiten und reduziert Fehler.

Kontextbezogene Datenvernetzung und KI-Agenten

Oberhalb der Kopplungsebene verknüpft die VWS als standardisierter Integrationspunkt statische Stammdaten mit dynamischen Betriebsdaten des OT-Datenbusses. Über Datenraum-Konnektoren wird die Fabrik an externe Ökosysteme angebunden, wobei Usage Policies die Datensouveränität wahren.

Diese semantische Datenbasis ermöglicht den effizienten Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) und dezentralen, autonomen Software-Agenten, welche die Produktionsplanung flexibel gestalten:

• Service-Agenten:
  Koordinieren den unternehmensübergreifenden Datenaustausch und verhandeln Services innerhalb des Datenraums.
• Produkt-Agenten:
  Repräsentieren das Produkt, kennen dessen Fertigungsanforderungen (Features) und begleiten es proaktiv durch den Prozess.
• Ressourcen-Agenten:
  Verwalten physische Produktionsressourcen und optimieren deren Auslastung sowie Zeitplanung.
  
  

Digital Twin-driven Manufacturing in fünf Schritten

Die Transformation zur selbstorganisierenden Fabrik erfolgt in einem evolutionären, fünfstufigen Prozess:

• Fundament legen:
  Investition in digitale Standards und offene Schnittstellen (Einführung von OPC UA und VWS).
• Transparenz schaffen:
  Analyse von Datenflüssen und Engpässen sowie Etablierung eines automatisierten Reportings.
• Prozessoptimierung:
  Ableitung konkreter Maßnahmen zur Effizienzsteigerung und Kostensenkung.
• Dezentralisierung:
  Einführung von Produkt- und Ressourcen-Agenten zur digitalen Statuskommunikation.
• Autonome Kooperation:
  Agenten verhandeln Produktionsaufträge autonom in Echtzeit, um dynamisch auf Störungen zu reagieren.

Reale Anwendungsbeispiele der Referenzarchitektur

Die Produktionsinsel _PHUKET:
Diese vollmodulare Fertigungsinsel der SmartFactory-KL besteht aus fünf flexiblen Einheiten. Am Beispiel eines Montagemoduls wird gezeigt, wie Roboter, RFID-Einheiten und eine Sicherheits-SPS via Siemens Industrial Edge gekoppelt werden. Die Orchestrierung erfolgt in Python; Skills werden über die VWS und ein OPC UA for Machinery-Modell bereitgestellt.

Autonomes Matchmaking:
Die Fertigungsanforderungen sind als Features in der VWS des Produkts hinterlegt. Der Produkt-Agent gleicht diese automatisiert mit den Fähigkeiten der Ressourcen-Agenten ab. Über ein digitales Ausschreibungsverfahren bewerben sich die Ressourcen-Agenten um den Auftrag. Die zurückfließenden Realdaten nutzen Produkt-Agenten, um produktindividuelle Dokumentationen (z. B. den PCF) vollautomatisch zu erstellen.

Einbindung via MX-Port:
Das Whitepaper zeigt die Integration in das Projekt Factory-X. Der MX-Port strukturiert den Datenaustausch in fünf Schichten: Adapter (L1) für die Anbindung, Converter (L2) für die Semantik, Gate (L3) für den Austausch, Access & Usage Control (L4) für die Rechteverwaltung und Discovery (L5) zum Auffinden von Partnern.

Wissensmanagement mit MCP und Wissensgraphen:
Zur effizienten Nutzung werden Verwaltungsschalen in Form von Wissensgraphen (Graphdatenbanken) dargestellt, was komplexe Ähnlichkeitsanalysen von Fehlermustern erlaubt. Zudem ermöglicht das Model Context Protocol (MCP) die intuitive Steuerung der Fabrik via natürlicher Sprache. Abfragen wie „Wie viele Teile wurden produziert?“ oder Befehle wie „Verfahre die Achse!“ werden so direkt über ein LLM ohne Programmieraufwand realisiert.

Shared Production:
Im Projekt smartMA-X wird demonstriert, wie die Verknüpfung von VWS und Konnektoren es Unternehmen erlaubt, freie Maschinenkapazitäten als Dienstleistung in einem dezentralen Produktionsnetzwerk anzubieten. Die Produktionsinsel _PHUKET agiert hierbei als realer Bereitsteller für das Netzwerk Kaiserslautern.

Fazit

Die SmartFactory-Referenzarchitektur liefert einen dringend benötigten Orientierungsrahmen für die Industrie. Durch die Kapselung von Hardware in funktionale Skills, die semantische Beschreibung via Verwaltungsschale und die Nutzung offener Datenraum-Protokolle wird der Grundstein für eine resiliente, agile und zukunftsfähige Sachgüterproduktion in Europa gelegt. Das Modell schützt bestehende Investitionen und ebnet schrittweise den Weg zur selbstorganisierenden Fabrik der Zukunft.