Digitaler Zwilling

Die Verwaltungsschale in der Praxis

Was ist eine Verwaltungsschale?

Industrie 4.0 verspricht effizientere und nachhaltigere Fertigungsprozesse via Digitalisierung. Die Grundlage hierfür entsteht durch den reibungslosen, automatischen Austausch von Informationen zwischen Anlagen und Produkten. Hier kommt die Verwaltungsschale (VWS; englisch: Asset Administration Shell) ins Spiel.

Eine Verwaltungsschale ist ein anbieterunabhängiger Standard für die Beschreibung Digitaler Zwillinge. Im Grunde ist sie das digitale Abbild eines Assets; entweder eines physischen Produkts oder eines virtuellen Gegenstands (z. B. Dokumente oder Software).

Die VWS definiert das Erscheinungsbild des Assets in der digitalen Welt. Sie beschreibt, welche Informationen eines Gerätes für die Kommunikation relevant sind und wie diese Informationen dargestellt werden. Die VWS eines Gegenstands kann damit alle wichtigen Daten über das Asset standardisiert und automatisiert bereitstellen.

Um zu verstehen, welchen Mehrwert eine VWS der Industrie bietet, hilft ein Blick in die Praxis.

Praxisbeispiel: VWS als Basis für neue Dienstleistungen

Im Rahmen des Forschungsprojekts ESCOM arbeitet CONTACT Software mit der GMN Paul Müller Industrie GmbH & Co. KG an der Umsetzung VWS-basierter Komponenten-Services. Das familiengeführte Unternehmen produziert Motorspindeln, die von seinen Kunden als Komponenten in Werkzeugmaschinen für die Metallbearbeitung eingebaut und anschließend weiterverkauft werden.

Bereits vor Beginn des Projektes hatte GMN eine neue Sensortechnologie entwickelt. Sie ermöglicht tiefe Einblicke in das Verhalten der Spindel und gewährt Aussagen zum ganzheitlichen Betrieb des Spindelsystems. Diese Informationen will die Firma nutzen, um neue, produktbegleitende Dienstleistungen anzubieten:

Zertifizierte Inbetriebnahme: Bevor GMN seine Spindeln ausliefert, werden die Komponenten auf dem hauseigenen Prüfstand einem festgelegten Prüfzyklus unterzogen. Mit den Daten aus diesem Referenzzyklus will das Unternehmen sicherstellen, dass Motorspindeln im Kundenunternehmen korrekt verbaut und in Betrieb genommen werden.
Prediktive Services: Einsatzdaten, die Rückschlüsse zur Verfügbarkeit und zum Betrieb der Spindeln erlauben, sollen Kunden mit der sensorischen Mikroelektronik IDEA-4S kontinuierlich erfassen und analysieren können. Im Bedarfsfall können die Daten gemeinsam mit GMN genutzt werden, zum Beispiel für Problemanalysen. Dies spart wertvolle Zeit bis zur Wiederinbetriebnahme der Bearbeitungsmaschine. Perspektivisch kann das Unternehmen vorausschauende Service-Angebote wie Predictive Maintenance realisieren.

Über die GMN Paul Müller Industrie GmbH

Die GMN Paul Müller Industrie GmbH ist ein familiengeführtes Maschinenbauunternehmen mit Sitz in Nürnberg. Es produziert Hochpräzisionskugellager, Maschinenspindeln, Freiläufe, berührungslose Dichtungen sowie elektrische Antriebe, die in zahlreichen Industrien zum Einsatz kommen. Einen Großteil dieser Komponenten fertigt die Firma individuell für ihre Kunden am Standort und vertreibt seine Produkte über ein weltweites Vertriebsnetzwerk.

Wie werden die neuen Angebote umgesetzt?

Für solche Services müssen Unternehmen auf die Sensordaten ihrer Maschinen zugreifen und diese analysieren können. Zugleich gilt es, Maschinen (bzw. deren Komponenten) zu befähigen, selbstständig mit anderen Assets und Systemen rund um den Shopfloor zu kommunizieren. Für beide Aufgaben nutzt GMN die Plattform CONTACT Elements for IoT. Die modular aufgebaute Software hilft dem Unternehmen nicht nur, die Referenz- und Einsatzdaten der Spindeln zu erfassen, zu dokumentieren und auszuwerten. Sie enthält auch Funktionen, mit denen User die VWS für ein Asset anlegen, befüllen und verwalten können.

Hintergrund

Bei der Realisierung der Services, die auf Betriebsdaten der Spindel basieren, profitiert GMN von der Zusammenarbeit mit einem Kunden. Dieser verbaut die Spindeln in Bearbeitungsmaschinen, die GMN zur Herstellung eigener Produkte einsetzt. Daher kann GMN die Betriebsdaten in-house gewinnen und zur Verbesserung der nächsten Spindelgeneration verwenden.

Welche Rolle spielt die Verwaltungsschale?

Damit die Komponenten Informationen in standardisierter Form austauschen können, muss für die Spindel auf Artikel- und Seriennummernebene eine AAS angelegt werden. Auch dies geschieht in CONTACT Elements for IoT. Die neuen Services werden darin in einem sogenannten VWS-Metamodell abgebildet. Es dient als „Absprungpunkt“ zu den Service-Angeboten.

VWS und Teilmodelle

Die VWS einer Industrie 4.0-Komponente besteht aus einem oder mehreren Teilmodellen, die jeweils eine strukturierte Menge an Merkmalen enthalten. Sie werden von der Industrial Digital Twin Association (IDTA) festgelegt, einem Verein, in dem 113 Organisationen aus den Bereichen Forschung, Industrie und Software (u. a. CONTACT Software) an der Definition von VWS zusammenarbeiten. Eine Liste mit allen derzeit verfügbaren Teilmodellen finden Sie unter https://industrialdigitaltwin.org/content-hub/teilmodelle.

Die Teilmodelle der VWS kann GMN in CONTACT Elements for IoT mit wenig Aufwand selbst befüllen. Die Plattform beinhaltet ein Widget, das im Rahmen des Forschungsprojekts als Prototyp entwickelt wurde. Es zeigt Usern an, welche Teilmodelle derzeit beim Asset vorhanden und welche verfügbar, aber noch nicht angelegt sind. Über das Frontend können User direkt auf den REST-Knoten springen und Teilmodelle hoch- bzw. herunterladen (im VWS-/JSON-Format).

Bei der Umsetzung der datenbasierten Service-Angebote konzentriert sich GMN auf die Teilmodelle

Time Series Data (u. a. semantische Informationen über Zeitreihendaten)
Typenschild (u. a. Informationen zum Produkt, dem Namen des Herstellers sowie der Produktbezeichnung und -familie),
Kontaktinformationen (standardisierte Metadaten einer Maschine/Anlage) sowie
Carbon Footprint (Informationen zum Carbon Footprint einer Maschine/Anlage)

Die Befüllung der Teilmodelle ist simpel. Das zeigt sich im Kontext von GMN am Modul Time Series Data. Während der Referenzfahrt einer Motorspindel auf dem internen Prüfstand werden die Zeitreihendaten von CONTACT Elements for IoT aufgezeichnet und automatisch in das Teilmodell der VWS der gerade geprüften Motorspindel übertragen. Zugleich legt die Plattform ein Dokument zur Referenzfahrt an. Dadurch kann GMN deren Gültigkeit jederzeit tracken und für externe Stakeholder bereitstellen.

Neue Services nehmen Gestalt an

Der Einsatz von Verwaltungsschalen erlaubt es GMN, seine Service-Ideen zu realisieren. Das betrifft aktuell den Inbetriebnahme-Service und die automatisierten Services zur Qualitätssicherung.

Durch die Analyse der Spindeldaten kann das Unternehmen Ausreißer in den Einsatzdaten erkennen und darauf aufbauend Handlungsempfehlungen geben. Unterschiedliche Schwinggeschwindigkeiten deuten beispielsweise darauf hin, dass die Spindel in der Maschine falsch verbaut wurde oder zeitlich veränderliche Vorgänge stattfinden. Genauso lassen sich anhand der Analyse Aussagen über Anomalien im Betriebsverhalten treffen.

Die Transparenz, die auf diesem Weg entsteht, wird in CONTACT Elements for IoT mithilfe von Dashboards erhöht. GMN sieht darin alle relevanten Informationen zu den auf dem Prüfstand befindlichen Spindeln, von 3D-Modellen bis hin zu Zustandsdaten. Diese Übersicht ist nicht zuletzt für das Qualitätsmanagement von hohem Wert.

Die Verwaltungsschale einer Spindel in CONTACT Elements.

Zusammengefasst

Verwaltungsschalen sind anbieterunabhängige Standards, mit denen Unternehmen Digitale Zwillinge beschreiben. Sie zählen zu den wichtigsten Hebeln für die Umsetzung neuer Industrie-4.0-Geschäftsmodelle, denn sie ermöglichen die Kommunikation zwischen Assets, Systemen und Organisationen.

Wie der Einsatz von Verwaltungsschalen in der Praxis funktioniert, zeigt das Beispiel GMN. Die Firma konzipiert damit neue, produktbegleitende Dienstleistungen, die auf den Informationen der VWS ihrer Produkte basieren. Diese Angebote kann GMN durch die fortwährende Analyse von Einsatzdaten in CONTACT Elements for IoT sukzessive verbessern.

Nachhaltigkeit mit dem grünen Digitalen Zwilling bewerten

Am 5. Januar 2023 ist die Corporate Sustainability Reporting Directive (CSRD) in Kraft getreten – aber was bedeutet das genau? Das Europäische Parlament hat diese Richtlinie verabschiedet und macht damit einen wesentlichen Schritt im Rahmen des Europäischen Green Deal von 2019. Das ehrgeizige Ziel: Ein CO2-neutraler EU-Raum bis 2050 – und damit der erste CO2-neutrale Kontinent der Welt.

CSRD und ESRS: Herausforderungen im Reporting

Klassifiziert wird nach Umwelt-, Sozial- und Governance-Kriterien (ESG) im Rahmen der EU-Taxonomie. Jeder der drei Bereiche umfasst unterschiedliche Vorgaben und Richtlinien. Hier tritt speziell für den Umweltbereich die CSRD auf den Plan, um Unternehmen branchenübergreifend zu nachhaltigerem Handeln zu verpflichten. Die European Sustainability Reporting Standards (ESRS) wiederum konkretisieren, wie diese Verpflichtungen berichtet werden sollen.

Die Herausforderung besteht darin, die geforderten Umweltdaten, wie beispielsweise Schadstoffemissionen, gemäß den ESRS-KPIs zu berechnen und generell zu erfassen. Die Frage ist: Wie können diese Daten effizient und präzise erhoben werden?

Effiziente Datenerhebung für die Nachhaltigkeit

Umweltdatenbanken können bei der Berichterstattung zur Nachhaltigkeit unterstützen, so zum Beispiel die Datenbank für prozessorientierte Basisdaten für Umweltmanagementsysteme (ProBas) vom deutschen Umweltbundesamt (UBA).

Auch der Digitale Zwilling kommt hier als nützlicher Helfer ins Spiel. Als digitales Abbild von Produkten, Maschinen oder Komponenten bietet er eine umfassende Lösung für die Herausforderungen der Datenerhebung im Kontext der CSRD. Durch die vollständige Digitalisierung des Produktpasses können relevante Daten während des gesamten Produktlebenszyklus zusammengeführt werden. Dies ermöglicht nicht nur eine effiziente Datenerhebung, sondern auch eine transparente Weitergabe entlang der gesamten Wertschöpfungskette.

Von den Einzelteilen zum Gesamtüberblick

Der Digitale Zwilling ermöglicht es, Informationen aus Umweltdatenbanken, ERP-, MES- und Materialdatenverwaltungssystemen zusammenzuführen. Anhand dieser Daten können dann die Umweltauswirkungen für die Bauteile eines Produkts mit der Life Cycle Assessment (LCA) Methode bilanziert werden. Nimmt man ein Fahrrad als Beispiel, wären das Lenker, Gabel, Rahmen, Sattel, Pedale und die zwei Räder mit Reifen. Die Ökobilanzierungskennwerte können für die individuellen Bauteile und für das komplette Produkt erfasst werden. Mit den einzelnen Kennwerten kann so der Carbon Footprint über die gesamte Wertschöpfungskette des Fahrrads bestimmt werden.

Diese Daten bilden auch die Grundlage für den Digitalen Produktpass des Fahrrads. Durch die vollständige Digitalisierung des Produktpasses können die berechneten Umweltdaten leicht weitergegeben werden, wie zum Beispiel an Händler und Konsumenten.

Grüner Digitaler Zwilling für die Luft- und Raumfahrtindustrie

Im Bereich der Industrie ist insbesondere die Luft- und Raumfahrtbranche stark von der CSRD betroffen. Im Rahmen des Forschungsprojekts PredictECO arbeitet CONTACT Software zusammen mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie an einem grünen Digitalen Produktzwilling, der diese Anforderungen erfüllt. Dazu gehört unter anderem die Nachweispflicht in Form eines digitalen Lebensdatenblatts (LDS), das die verwendeten Materialien und Prozesse bis ins kleinste Detail dokumentiert. Ziel ist es, einen umfassenden Digitalen Zwilling zu schaffen, der alle notwendigen Fertigungsinformationen für nachhaltige Produktionen entsprechend der Vorgaben aus dem LDS enthält und diese standardisiert in digitaler Form bereitstellen kann.

Ausblick

Schon jetzt zeigt sich, dass der grüne Digitale Zwilling eine praxiserprobte Lösung ist, um den Anforderungen der CSRD gerecht zu werden. Die Erhebung von Umweltdaten über den gesamten Produktlebenszyklus ermöglicht nicht nur eine effiziente Berichterstattung, sondern trägt auch zur Schaffung nachhaltiger Wertschöpfungsketten bei. Nutzen Sie die Chancen, die der grüne Digitale Zwilling bietet, um die Nachhaltigkeit in Ihrem Unternehmen auf ein neues Level zu heben.

Lesen Sie hier den ausführlichen Beitrag zum grünen Digitalen Zwilling auf dem CONTACT Research Blog.

In drei Schritten zur digitalen Service Exzellenz

Die Vorteile eines starken Serviceangebotes

Der Service ist im Maschinen- und Anlagenbau ein Stabilitätsanker in Zeiten weltweiter Krisen. After-Sales-Umsätze sind Im Vergleich zum Geschäft mit Neuanlagen weniger anfällig für äußere Entwicklungen und konjunkturelle Schwankungen. Zudem stabilisieren ihre höheren Gewinnmargen den Cash-Flow von Unternehmen und wirken risikominimierend. Darüber hinaus ist ein attraktives Service-Angebot ein klarer Wettbewerbsvorteil in den globalen Märkten.

Laut McKinsey können Kunden bei Herstellern mit entsprechenden Wartungsverträgen eine längere Produktlebensdauer erwarten, da niemand die Anlagen so gut kennt wie die Hersteller selbst. Die regelmäßigen After-Sales-Touchpoints intensivieren die Kundenbeziehung und bieten wiederkehrende Verkaufsmöglichkeiten, da sie es Maschinen- und Anlagenbauern erleichtern, die Probleme ihrer Kunden zu verstehen und mit dem passenden Dienstleistungsangebot zu lösen.

Der Benchmark Kundendienst 2020 des Branchenverbandes VDMA zeigt, dass viele Unternehmen im Maschinen- und Anlagenbau die Chancen erkannt haben und ihren Service ausbauen. Während zum Zeitpunkt der letzten großen VDMA-Studie zu diesem Thema vor vier Jahren nur circa 61% der Unternehmen Wartungsverträge anboten und rund 20% ihres Umsatzes im Service erzielten, ist in der nächsten Erhebung mit einer Steigerung dieser Werte zu rechnen.

Damit stehen wir heute mitten in einer Marktentwicklung, die in den nächsten Jahren an Geschwindigkeit zunehmen wird. Dazu trägt auch der technologische Fortschritt bei: Durch das industrielle Internet der Dinge (IIoT) lässt sich das Servicegeschäft auf Basis von Nutzungsdaten aus der Betriebsphase der Produkte kundenindividuell optimieren.

Für Maschinen- und Anlagenbauer wird es in Zukunft also wichtiger, aber auch einfacher ihren Servicereifegrad zu erhöhen. Um einordnen zu können, wie weit das eigene Unternehmen auf dem Weg zur Serviceexzellenz ist, kann die Betrachtung des folgenden Reifegradmodells helfen.

Ein Reifegradmodell für den Service

Unternehmen mit geringem Reifegrad im Service arbeiten Kundenanfragen ausschließlich reaktiv ab. Derartige Prozesse dauern lange, weil sie zum Teil noch mit Papierformularen abgewickelt werden und die Suche nach den dafür benötigten Informationen eine lästige und wenig wertschöpfende Routinetätigkeit ist. Werden Anfragen per Mail oder Telefon nicht digital gesammelt, erschwert dies eine strukturierte und schnelle Abarbeitung der Servicefälle. Im schlimmsten Fall gehen Anfragen in E-Mail-Postfächern verloren oder liegen während des Urlaubs eines Mitarbeiters auf Eis, weil niemand Einblick in den aktuellen Stand der Kommunikation hat.

Digital Service Management

Die Digitalisierung der Serviceprozesse ist der erste Schritt, um die interne Effizienz zu steigern. Unternehmen können die ausgelieferten Produkte zum Beispiel mit einem CMS-Tool (Customer Service Management) verwalten. Die Dienstleistungen werden digital geplant und dokumentiert, sodass pro Kunde und Anlage ein Servicelogbuch entsteht. Eingehende Kundenanfragen per Mail oder Telefon werden intern automatisch in Tickets umgewandelt und anschließend systematisch abgearbeitet.

Erst wenn Serviceprozesse effizient abgewickelt werden können, lohnt es sich das After-Sales-Volumen aufzubauen. Deshalb ist die Digitalisierung der internen Abläufe die Basis für den Schritt vom reaktiven zum proaktiven Servicegeschäft. Zum Beispiel, indem Unternehmen zu verkauften Anlagen standardisierte Wartungsverträge mit regelmäßigen Instandhaltungen anbieten.

Connectivity & Automation

Den nächsten Schritt gehen Maschinen- und Anlagenbauer mit der Weiterentwicklung ihrer Produkte hin zu smarten Produkten, die ausgewählte Betriebsinformationen übermitteln. In der Vergangenheit gab es Bedenken bezüglich der Umsetzbarkeit, da die Bereitstellung dieser Daten an die Einwilligung der Kunden geknüpft ist. Mittlerweile sind jedoch immer mehr Anlagenbetreiber dazu bereit. McKinsey hat diesen Trend in einer Umfrage validiert und dabei zwei maßgebliche Faktoren identifiziert:

Die gestiegenen Erwartungen an Service-Erlebnisse aus dem privaten B2C Kundenalltag
Die positiven Erfahrungen mit IoT-basierten Remote-Services während der Corona-Zeit

Die Motivation der Anlagennutzer, Informationen mit dem Hersteller zu teilen, ist in der Regel gegeben, wenn ihnen der Mehrwert greifbar vermittelt wird. Beispielsweise durch günstigere Wartungsverträge und umfassendere Verfügbarkeitsversprechen. Diese kann der Hersteller anbieten, weil er auf Basis der Betriebsdaten nutzungsabhängige Wartungsstrategien einführen kann, anstatt kalendarischen Wartungszyklen zu folgen. Daraus resultieren weniger Serviceeinsätze pro Anlage und insgesamt geringere Kosten. Darüber hinaus können auffällige Muster in den Betriebsdaten frühzeitig durch Software erkannt und anhand simpler Regeln automatisch schadensvorbeugende Maßnahmen eingeleitet werden.

Customer Integration

Einen hohen Service-Reifegrad haben Unternehmen, die ihre Kunden über ein Kundenportal in die eigenen Geschäftsprozesse integrieren. Ein solches Portal ist der Dreh- und Angelpunkt für ein modernes Service-Erlebnis und stärkt die Kundenbindung. Dort können Kunden die bezogenen Produkte mit ihren Betriebsdaten sowie dem Servicelogbuch zu jedem Gerät einsehen. Eine Übersicht über vergangene und geplante Service-Einsätze bietet Planungssicherheit und erleichtert die Terminkoordination zwischen Hersteller und Betreiber. In einem Ticketsystem können Kunden neue Anfragen stellen, deren Bearbeitungsstand verfolgen und Rückfragen dazu direkt im System beantworten, ohne dass dafür ein Servicemitarbeiter Telefonate entgegennehmen und manuell in Tickets überführen muss. Auch Angebote zu Dienstleistungen wie Ersatzteilbestellungen oder Schulungen lassen sich im Kundenportal anfordern, was den Vertriebsprozess verschlankt und beschleunigt.

Fazit

Ein solides Servicegeschäft hat positive Auswirkungen auf den Cash-Flow, minimiert unternehmerische Risiken und stärkt gleichzeitig das Kundenerlebnis. Der Weg dorthin hängt von der aktuellen Situation im Kundendienst, den eigenen Produkten sowie dem Wettbewerbsangebot ab – und ist damit für jedes Unternehmen individuell. Muster wie das hier beschriebene Reifegradmodell bieten Orientierung und ermöglichen eine schnelle Bestandsaufnahme, wie sich mit den am Markt verfügbaren Technologien ein exzellenter Service Schritt für Schritt realisieren lässt

CONTACT Elements for IoT hilft Ihrem Team dabei, mühelos die steigende Anzahl von Kundenanfragen zu bewältigen und gleichzeitig die Effizienz Ihrer Service-Abteilung zu steigern.