Toward Cyber-Physical Systems in Industry 4.0: An Asset Administration Shell-based Digitalization Approach

Abstract

The increasing penetration of cyber-physical system (CPS) technologies in industry is transforming the industrial environment into a multifaceted system featuring a tight combination of the computational and physical elements, including their digital (virtual) representations, e.g., in the cloud, contributing to the concept of industrial CPS (ICPS). The German “Industry 4.0” initiative is a key innovation program toward realizing the ICPS. Industry 4.0 is characterized by digital industrial components interacting with each other to become systems meeting flexible industrial demands, e.g., order-controlled production. Industry 4.0 will digitalize manufacturing operations and decentralize them from the shop floor to the office and across entire enterprise networks. The existing system-level digitalization solutions for Industry 4.0 include CPSs and the latest buzzword–digital twins (DTs). Standardized Industry 4.0 technologies are urgently required to change industry and guide market usage. The asset administration shell (AAS) is an emerging CPS category and can be realized with the integration of operation technologies (OTs) and information and communication technologies (ICTs). The AAS offers a standardized and interoperable way to capture key information pertaining to assets, such as intrinsic properties, operational parameters, and technical functionalities, and to enable easy interaction over standardized, secure communication with other AASs. However, only a few people have a basic knowledge of the AAS and very few understand how to apply the AAS in practice. To date, the granularity of information modeled in an AAS remains undefined. Therefore, this dissertation focuses on not only the general form but also the fine-grained details of the AAS. The goal of this dissertation is to present a high-level introduction to this topic; to present the status-quo development on the AAS; to design an intuitive method for implementing the AAS, and to develop an AAS-enabled digital solution for cyber-physical applications in manufacturing sector. Last but not least, a case study featuring an Industry 4.0 application scenario, i.e., plug-and-produce (PnP), is demonstrated. The vision is to prove that the AAS may help expedite Industry 4.0 digitalization and propel its applications forward.

|산업에서 사이버-물리 시스템 (CPS) 기술의 보급이 증가함에 따라 산업 환경은 클라우드에서 산업 CPS (ICPS) 개념과 같이 디지털 (가상) 표현을 포함한 계산 및 물리적 요소의 긴밀한 조합을 특징으로하는 다각적 인 시스템으로 변화하고 있다. 독일의 "Industry 4.0" 이니셔티브는 ICPS 실현을위한 핵심 혁신 프로그램이다. Industry 4.0은 디지털 산업 구성 요소가 서로 상호 작용하여 유연한 산업 요구를 충족시키는 시스템이 되는 특징이 있다 (예 : 주문 제어 생산). Industry 4.0은 제조 운영을 디지털화하고 작업 현장에서 사무실로 그리고 전체 엔터프라이즈 네트워크에 걸쳐 분산화된다. Industry 4.0을 위한 기존 시스템 수준 디지털화 솔루션은 CPS와 최신 유행어-디지털 트윈 (DT)이 포함된다. 표준화 된 Industry 4.0 기술은 산업을 변화시키고 시장 사용을 위해 반드시 필요하다. 자산 관리 쉘 (AAS)은 떠오르는 CPS 범주이며 운영 기술 (OT)과 정보 및 통신의 통합으로 실현 될 수 있다. AAS는 고유 속성, 운영 매개 변수 및 기술 기능과 같은 자산과 관련된 주요 정보를 캡처하고 다른 AASs와의 표준화 된 보안 통신을 통해 쉽게 상호 작용할 수있는 상호 운용 가능한 방법을 제공한다. 그러나 AAS에 대한 기본 지식을 가진 사람은 극소수이며 실제로 AAS를 적용하는 방법을 이해하는 사람은 거의 없다. 현재까지 AAS에서 모델링 된 정보의 세분성은 정의되지 않은 상태로 남아 있으며, 따라서 이 논문은 일반적인 형식뿐만 아니라 AAS의 세밀한 세부 사항에도 초점을 맞추고 있다. 이 논문의 목표는이 주제에 대한 높은 수준의 소개를 제시하고, AAS의 현상 유지 개발을 제시하고, AAS를 구현하기위한 직관적 인 방법을 설계하고, 제조 부문의 사이버-물리적 애플리케이션을 위한 AAS 지원 디지털 솔루션을 개발하는 것이다. 마지막으로 인더스트리 4.0 애플리케이션 시나리오, 즉 플러그 앤 프로듀스 (PnP)를 특징으로하는 사례 연구를 알아보겠다. AAS가 앞으로 인더스트리 4.0 디지털화를 촉진하고 애플리케이션을 발전시키는 데 도움이 될 수 있음을 나타낸다.