Technologie

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.

Die Verwaltungsschale als Katalysator der Industrie 4.0

„Land der Dichter und Denker“ oder „Land der Ideen“: Deutschland ist sichtlich stolz auf seine Leistungen in Wissenschaft, Literatur und Ingenieurskunst. Und auf seine akribische Bürokratie, die auf absolute Präzision einer Aussage oder Angabe abzielt. In Kombination entstehen daraus bei der Benennung technischer Begriffe oft ungelenke Wortschöpfungen. Aktuelles Beispiel hierfür ist die Verwaltungsschale. Deren innovatives Potenzial und zentrale Bedeutung für die Industrie 4.0 lassen sich anhand des Begriffs nicht direkt erschließen.

Was ist eine Verwaltungsschale?

Die Verwaltungsschale ist eine standardisierte, vollständige digitale Beschreibung eines Assets. Es handelt sich um die sehr deutsche Übersetzung des englischen Begriffs Asset Administration Shell (AAS).

Ein Asset ist im Grunde alles, was sich als Teil einer Industrie 4.0-Lösung anschließen lässt. Zum Beispiel Maschinen und Anlagen oder Produkte sowie deren einzelne Komponenten. Die AAS enthält darüber sämtliche Informationen. In einer vernetzten Industrie ermöglicht sie den Austausch und die Interaktion zwischen unterschiedlichen Assets, Systemen und Organisationen.

AAS = Metamodell

Die Verwaltungsschale ist aktuell das Schlagwort in der Digitalisierung. Wie bei vielen neuen Themen gehen die Definitionen auch hier auseinander. Häufig sind sie recht weit gefasst. Von sehr konkret, wie der AAS als Umsetzung des Digitalen Zwillings für Industrie 4.0, bis hin zur lockeren Beschreibung der AAS als „Datenstecker“ oder „Integrationsstecker“ für digitale Ökosysteme.

Ich bevorzuge die Darstellung der Verwaltungsschale als ein Metamodel zur Selbstbeschreibung eines Assets. Mit diesem Metamodell lassen sich weitere Modelle erzeugen, um Informationen gesammelt bereitzustellen. Durch den Einsatz von Software werden diese Modelle dann zum „Leben erweckt“. Über Schnittstellen können Unternehmen sie anderen Stakeholdern (zum Beispiel Lieferanten oder Partnern) zur Verfügung stellen.

Konzept und Anwendung der Verwaltungsschale

Als digitales Abbild eines Assets stellt die Verwaltungsschale durch seine Teil- bzw. Submodelle Informationen oder Funktionen zu einem bestimmten Kontext bereit. Beispiele hierfür sind unter anderem

digitale Typenschilder,
technische Dokumente,
die Komponenten- beziehungsweise Asset-Struktur,
Simulationsmodelle,
Zeitreihendaten oder auch
nachhaltigkeitsrelevante Informationen wie der CO₂-Fußabruck.

Die Daten entstehen entlang der verschiedenen Phasen des gesamten Lebenszyklus. Welche Informationen zu einem Asset von Bedeutung sind, hängt vom konkreten Wertschöpfungsnetzwerk ab.

So werden Submodelle in bestimmten Lebenszyklusphasen initial erstellt, in darauffolgenden Phasen konkretisiert, ausgeprägt und im weiteren Verlauf um Informationen angereichert oder aktualisiert. Dabei bezieht sich die Verwaltungsschale mal auf eine sehr generische (Typ) oder eine sehr konkrete (Instanz) Darstellung eines Assets. So, wie sich Assets über die Zeit verändern (as-defined, as-designed, as-ordered, as-built, as-maintained), verändert sich auch die Verwaltungsschale. Daher können für ein Asset im Verlauf des Lebenszyklus mehrere Verwaltungsschalen existieren.

Wie erfolgt der Informationsaustausch?

Um die Informationen in der Verwaltungsschale im Rahmen seines Wertschöpfungsnetzes zu nutzen, müssen diese zugänglich sein. Der Zugriff erfolgt meist über das Internet beziehungsweise über die Cloud (Repository-gehaltene AAS). Bei intelligenten Systemen kann die Verwaltungsschale auch Teil des Assets selbst sein (Asset-gehaltene AAS).

Der Informationsaustausch erfolgt auf verschiedenen Wegen:

Über Dateien, sogenannte AASX-Files (AAS Typ 1).
Über eine Server-Client-Interaktion, zum Beispiel via RestAPI (AAS Typ 2).
Mittels Peer-to-Peer-Interaktion (AAS Typ 3). Dabei bauen Verwaltungsschalen unter Anwendung der sogenannten I4.0-Sprache eigenständig Kontakt zueinander auf. Dies ermöglicht es, Aufgaben kooperativ durchzuführen.

Herstellerübergreifende Standards verbinden

Für welche Art der Verwaltungsschale man sich auch entscheidet: Wichtig ist, dass Empfänger und Bereitsteller dieselbe Sprache sprechen. Dafür muss der Austausch konkreter Informationsinhalte standardisiert sein. In Anbetracht der Menge an Branchen, Szenarien, Assets und Funktionen sind das immens viele Teilmodelle, die es zu standardisieren gilt.

Organisationen und Vereine wie die Industrial Digital Twin Association (IDTA), bestehend aus Forschungsinstituten, Industrieunternehmen und Software-Anbietern, nehmen sich dieser Mammutaufgabe an. Die rasant wachsenden Mitgliederzahlen sowie der rege Austausch auf Messen und Fachtagungen verdeutlichen den hohen Stellenwert für die Industrie. Hierbei gilt es, kleine und mittelständische Unternehmen nicht abzuhängen, sondern bestmöglich in die Standardisierungsarbeit einzubinden.

Wir treiben das Konzept der Verwaltungsschale voran

Die Verwaltungsschale ist Dreh- und Angelpunkt für erfolgreiche Industrie 4.0-Szenarien. Sie ermöglicht herstellerunabhängige Interoperabilität und vereinfacht die Integration aller Arten von Assets zu einem kollaborativen Wertschöpfungsnetzwerk. Sie steigert durch eine lückenlose Transparenz des Echtzeit-Zustands jedes Assets die Effizienz innerhalb der Produktionsprozesse. Und sie bietet darüber hinaus ein umfassendes Sicherheitskonzept zum Schutz der Daten.

Innerhalb kürzester Zeit hat sich die Verwaltungsschale damit von einem theoretischen Konstrukt zu einer realen Praxisanwendung gewandelt. Gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Industrie arbeiten wir als Mitglied der IDTA und im Rahmen der Forschungsprojekte ESCOM und Flex4Res daran, die Technologie in der industriellen Breite nutzbar zu machen.

Anwendungsfall kennenlernen

In CONTACT Elements for IoT können Sie Verwaltungsschalen Ihrer Assets anlegen, verwalten und teilen. Wie Unternehmen davon profitieren, lesen Sie in unserem Blogbeitrag „Die Verwaltungsschale in der Praxis“.

Mit dem Passwort zu mehr Cybersecurity

Heute ist wieder der „Ändere dein Passwort-Tag“. Eine gut gemeinte
Initiative für mehr IT-Sicherheit. Die ursprünglich aus dem militärischen Kontext der 1960er-Jahre stammende Empfehlung, das Passwort regelmäßig zu wechseln, findet sich auch heute noch in vielen Unternehmensrichtlinien wieder. Moderne Richtlinien wie das aktuelle BSI Grundschutzkompendium und die NIST Digital Identities Guidelines streichen diese Anforderung, denn es gibt effektivere Strategien, die Passwortsicherheit zu erhöhen:

Passwortlänge schlägt -komplexität

Zuallererst gilt: Ein starkes Passwort muss nur dann geändert werden, wenn es
den Verdacht gibt, dass es enthüllt wurde.

Angreifer können heute mit automatisierten Systemen Milliarden von Passwörtern innerhalb kürzester Zeit ausprobieren. Insbesondere wenn diese Systeme über das Netzwerk erreichbar sind oder Zugriff auf die Passwort Hashes haben und daher effektiv offline ausprobiert werden können. Die Komplexität des Passwortes ist daher vollkommen gleichgültig, wenn es zu kurz ist. Die Empfehlungen für die Länge schwankt zwischen 8 bis zu mindestens 14 Zeichen. Fortschritte bei Angriffswerkzeugen wie zum Beispiel Hashcat und durch schnellere, spezialisierte Hardware zum Passwortraten treiben diese Anforderungen immer weiter in die Höhe.

Compliance-Richtlinien verlangen heutzutage individualisierte Zugangsdaten. Damit entfällt die Gefahr, dass ein Passwort vielen Leuten bekannt ist und so auch die Notwendigkeit dieses regelmäßig zu ändern. Ein langes Passwort für genau eine Person für genau einen Dienst. Ziemlich sicher.

Passworte sind keine Wiederholteile

Hand aufs Herz, haben Sie nicht auch schon mal das identische oder ein sehr ähnliches Passwort für mehrere Dienste verwendet? Das sollten Sie sich schnell abgewöhnen, denn so führt ein erfolgreicher Angriff auf einen Dienst automatisch zu einem erfolgreichen Angriff auf weiteren. Vor allem die Verwendung bereits privat genutzter Passwörter im Unternehmensumfeld ist besonders kritisch.

Moderne Passwortrichtlinien stellen sicher, dass Passworte abgelehnt werden, die in Listen erbeuteter Passwörter vorkommen. Die Webseite haveibeenpwand zum Beispiel zeigt an, ob ein Passwort erbeutet wurde. Moderne Systeme bieten hier Schnittstellen, um Passworte dahingehend zu prüfen. In CONTACT Elements können Sie diese ganz einfach aktivieren:

from cdb.sig import connect
from cdb.authentication import check_pwned_password
connect(‚password_acceptable_hook‘)(check_pwned_password)

Passwort-Manager statt Einheitsbrei

Passwortwiederholung ist schlecht, kurze Passwörter auch. Benutzer stehen vor der Herausforderung, sich eine große Anzahl langer Passwörter im Kopf zu merken. Auf einen Zettel schreiben und diesen unter der zu Tastatur verstecken oder an die Pinnwand zu kleben ist keine Lösung, da eine Kamera das Passwort abfilmen kann.

Besser ist es, einen Passwort-Manager zu verwenden. Dieser kann lange Passwörter erstellen, verwalten und erleichtert per Copy und Paste die Eingabe. Leider blockieren einige Unternehmen, getrieben von der Sorge, dass ein Trojaner die Passwörter in der Zwischenablage abfangen, die Copy und Paste-Methode in ihren Anwendungen und verhindern damit die Verwendung eines Passwort-Managers. Bei einem Trojaner-Befall ist diese Maßnahme jedoch meist wirkungslos und Unternehmen sollten die Benutzer anleiten, einen Passwort-Manager zu benutzen, um Ihre IT-Sicherheit zu erhöhen.

Vorsicht vor Wegelagerern und Trickbetrügern

Selbst das stärkste Passwort schützt nicht vor Angriffen, wenn es abgefangen wird. Das geht oft erstaunlich einfach. Verbindungen ohne ein Mindestmaß an Sicherheit wie Transport Layer Security (TLS) sind ein offenes Buch für jeden Angreifer. Auch ältere Netzwerkprotokolle wie Kerberos bieten zahlreiche Einfallstore. Ransomware nutzt diese aus, um sich im Firmennetz auszubreiten. Sobald sich ein Administrator auf einem befallenen Rechner anmeldet, hat der Angreifer die Zugangsdaten und kurz darauf sind goldene und silberne Tickets erstellt und die Windows-Domäne ist fest in der Hand des Angreifers. Auch hier steht und fällt die Sicherheit mit dem Passwort, da dieses in die Berechnung der Authentifizierungstickets eingeht und aufgrund der symmetrischen Verschlüsselung dem Angreifer ermöglicht, aus dem Ticket das Passwort zurückzurechnen.

Sicherheit durch mehrere Faktoren steigern

Eine Empfehlung, um die Schwächen von Passworten zu umgehen, ist es, weitere Faktoren einzubeziehen. Das funktioniert sehr gut aus der Perspektive der Sicherheit. Ein zweiter Faktor erhöht in praktisch jedem Fall die Sicherheit deutlich. Dabei ist es in den meisten Fällen zweitrangig, ob es sich um Einmalpassworte wie TANs per SMS, zeitbasierte Codes wie Definition Time-based One-time Password (TOTP) oder auch schlichte Bestätigungsemails mit Links handelt.

Die Schattenseite von zweiten Faktoren ist der zusätzliche Aufwand und die Auswirkungen auf die Usability. Helpdesk Prozesse werden komplizierter, Benutzer müssen geschult werden und Anmeldevorgänge passieren oft langsamer.

Single Sign-On – Fluch und Segen zugleich

Benutzer:innen lieben Single Sign-On (SSO), bei dem man nur einmalig ein Passwort und einen zweiten Faktor eingeben muss, um zahlreiche Dienste zu nutzen. Das minimiert den Aufwand enorm – allerdings auch für den Angreifer. Insbesondere, wenn der Zugang nur an einem schwachen Passwort hängt. Ein zentrales Login-System löst auch viele Probleme für Compliance, wenn Benutzer:innen gesperrt oder Reports erstellt werden. Auch die Kosten für Benutzerverwaltung reduzieren sich.

Single Sign-On stellt die oben angeführte Argumentation „Ein Passwort pro Dienst“ auf den Kopf. Wieder steht nur ein Passwort zwischen dem Angreifer und Ihrem System. Kennt der Angreifer das Passwort, so hat er Zugang. Und dann öffnet das Single Sign-On-System dem Angreifer alle Türen.

Phishing erkennen

Auch stärkere Verfahren wie TOTP oder Hardware-Keygeneratoren bieten keinen Schutz, wenn man Passwort und Zugangscode auf einer gefälschten Webseite eingibt. Diese Praxis ist bekannt unter dem Namen Phishing. Die Lösung dagegen lautet Kanal- oder Token-Binding und verknüpft (bindet) den gewünschten Zugang mit dem Kanal, über den der Zugang angefragt wird. Was bedeutet, dass ein Token nur für den Zugang zu Gerät A akzeptiert wird, nicht aber für Gerät B des Angreifers.

Diese Form der Mehrfaktorauthentifizierung ist sehr sicher und mit moderner Hardware oder Mobiltelefonen einfach zu verwenden. Für die Unternehmens-IT ist die Integration in gängige Plattformen dabei relevant. Windows Hello, Apple und Android unterstützen den von der FIDO Alliance spezifizierten FIDO2 / WebAuthn-Standard, um Phishing aufzudecken und Single Sign-On sicher zu machen.

Passworte sind überflüssig!?

Ausgehend vom WebAuthn-Standard gibt es seit 2022 mit Passkeys eine neue Initiative – getrieben von Apple, Microsoft und Google – um Passworte aus Anwendungen und Single Sign-On zu verbannen. Sie können Ihr Passwort bereits heute schon in einen Passkey ändern, wenn Ihr Gerät das unterstützt und 2024 den „Change your Password Day“ dazu nutzen, Ihr Passwort zu löschen und nie wieder verwenden zu müssen.

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