Systementwicklung Systems Engineering: Neue Wege in der Produktentwicklung

Um cybertronische Systeme zu entwickeln, die in einer Industrie 4.0 untereinander kommunizieren können, sind neue Wege in der Produktentwicklung nötig. Welche Rolle dabei Systems Engineering spielt, zeigt ein abgeschlossenes Forschungsprojekt.

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Pfeiffer Vacuum GmbH

Beckhoff Automation GmbH & Co. KG

CONTACT Software GmbH

Dieser Artikel erschien erstmals im Juli 2017 im MM Maschinenmarkt

Ein Auto ist heute nicht einfach eine angetriebene Blechkarosserie, ein Handy nicht einfach ein portables Telefon. Im Gegenteil: diese und viele Produkte mehr vereinen mechanische Konstruktion mit Elektronik und Softwarekomponenten. Als Konsument nimmt man das hin und erwartet schlichtweg, dass diese Komponenten alle zusammenspielen. Aber wie? Lange waren beispielsweise die Automobilhersteller, aber auch die Maschinenbauer komponentenorientiert, das heißt mechanische Konstruktion und Software waren getrennte Abteilungen. Systementwicklung ist dann eine wirkliche Herausforderung.

Hier setzt das Forschungsprojekt „Mecpro²“ an, das Ende 2016 abgeschlossen und auf der Ergebniskonferenz vorgestellt wurde. Man stelle sich vor, Software-, Elektro- und Maschinenbauingenieure wollen gemeinsam sogenannte „smarte Produkte“ – zum Beispiel ein Smartphone oder ein Sensorlager wie das Variosense von Schaeffler – entwickeln und jeder spricht nur seine (Fach-)Sprache. Keiner würde den anderen tatsächlich verstehen, jeder würde mit anderen Systemen arbeiten, die Produkte wären wahrscheinlich entsprechend fehlerhaft und die Vernetzung im Sinne von Industrie 4.0 wäre nicht möglich. Es wird also Zeit, die Weichen zu stellen – so sahen es auch die Projektteilnehmer. Prof. Martin Eigner, Lehrstuhl für virtuelle Produktentwicklung an der TU Kaiserslautern und wissenschaftlicher Leiter des Verbundprojekts Mecpro²: „Wir mussten mal was machen, um die Disziplinen zusammenzubringen. Wir brauchen Respekt und ein Mindestverständnis von Software, Mechanik und Elektrik.“

Modellbasierte Entwicklung forciert diziplinübergreifende Zusammenarbeit

Die Zeit ist reif, um etwas in Gang zu setzen – vielleicht eine neue Philosophie oder Denkweise. Durch die Digitalisierung haben sich zahlreiche Produkte verändert – sowohl Consumerprodukte als auch solche in der Industrie. Gerade der Anteil an Software in den Produkten steigt zunehmend und fungiert als industrieller Innovationstreiber. So ist es nicht verwunderlich, dass Dr. Udo Judaschke von Continental Teves und Elmar Weißschuh von Daimler in ihrem Vortrag darstellen, dass 50 bis 80 % der Innovationen heute bereits auf Software basieren. Das heißt, durch die Software werden aus mechatronischen Produkten cybertronische, die Komplexität steigt dabei.

Das stellt die Unternehmen und deren Partner vor eine große Herausforderung: Wie kann man solche Produkte überhaupt produzieren – in Losgröße 1 ohne lange Entwicklungszeit? Mit den unterschiedlichen Disziplinen? „Was fehlt, ist ein integrierter Ansatz für die Entwicklung, bei dem die unterschiedlichen Disziplinen dieselbe Fachsprache sprechen“, erklärt Patrick Müller, Produktmanager PLM bei Contact Software. Ein Weg, den das Forschungsprojekt Mecpro² aufzeigt, ist: weg von der dokumentenbasierten, hin zur modellbasierten Entwicklung. Alle Disziplinen sollen näher zusammenrücken mit SysML (Systems Modeling Language) als Bindeglied. Projektziel war es, Methoden, Prozesse und Tools zu entwickeln, mit denen Unternehmen solche cybertronischen Systeme effizient entwickeln können. Im Gegensatz zu anderen Projekten, die das Thema Industrie 4.0 nahezu ausschließlich aus Sicht der Produktion sehen, nimmt Mecpro² die Position der Produkt- und Produktionssystementwicklung ein und betrachtet bezogen auf den Lebenszyklus vorgelagerte Phasen.

Bereits heute werden das Produkt und das dazugehörige Produktionssystem nicht mehr nacheinander entwickelt. Heute ist das Zusammenspiel ist allerdings geprägt von Medienbrüchen, Missverständnissen und der Notwendigkeit, dass Ingenieure die Informationen aus der Produktentwicklung interpretieren und in die Entwicklung des Produktionssystems einbringen. In Zukunft müssen die Informationen von Anfang an maschinenlesbar und lückenlos digital und rückverfolgbar abgelegt werden.

Modellbasierter Entwicklungsprozess cybertronische Produkte

Doch was bedeutet eigentlich „Mecpro²“? Hinter dem recht undurchsichtigen Namen verbirgt sich der nicht minder sperrige Titel „Modellbasierter Entwicklungsprozess cybertronischer Produkte und Produktionssysteme“. Bei cybertronischen Systemen handelt es sich um mechatronische Systeme, die um Eigenschaften der „cyber-physical systems“ erweitert werden. Diese Eigenschaften umfassen unter anderem Vernetzung, Kommunikation, Kooperation und während des Betriebs wechselnde Systemgrenzen.

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Während des Projekts wurde nun ein Rahmenwerk für den Entwicklungsprozess solcher cybertronischen Systeme entwickelt. Dazu werden die Techniken des Model-Based Systems Engineering (MBSE) für Beschreibung der cybertronischen Systeme eingesetzt. Die Zusammenarbeit innerhalb des Entwicklungsprozesses wird durch die Integration in das Product Lifecycle Management (PLM) ermöglicht.

Als Beschreibungssystematik für die Modellierung der cybertronischen Systeme wurde SysML genutzt, mit der prinzipiell die Struktur und das Verhalten von jeglichem realen oder abstrakten System beschrieben werden kann. Über den Profilierungsmechanismus wurde SysML gemäß den im Referenzentwicklungsprozess anfallenden Informationen erweitert. Im Prinzip gibt es nun eine Anweisung, wie welche SysML-Elemente zu verwenden sind, um Produkte und Produktionslinien zu beschreiben.

Mit diesem Modell sind laut den Projektpartnern anwendende Unternehmen in der Lage, im Falle von Änderungen sehr schnell analysieren zu können, wo und wie sich diese Änderungen auf Struktur oder Verhalten auswirken. Eine solche Impactanalyse über Disziplinen und den Lebenszyklus hinweg war bisher kaum möglich. Sven-Olaf Schulze, Vorsitzender der Gesellschaft für Systems Engineering, ist sich sicher, dass diesem modellbasierten Ansatz die Zukunft gehört: „Das Modellbasierte ist das, was wir brauchen, um die Gedankenwelt überhaupt abbilden zu können. Zudem sind die Produkte heute viel zu komplex, um bei Änderungen herauszufinden, wo sich diese auswirken.“

Modellbasierte Entwicklung in der Praxis

Wie der neue Entwicklungsansatz in die Praxis überführt werden kann, zeigten auf der Abschlusskonferenz des Verbundprojekts zwei Demonstratoren von Contact Software und von Siemens PLM Software. So wurde für die PLM-Lösung CIM Database in Zusammenarbeit mit der :em Engineering Methods AG eine Direktintegration des SysML Modeling Tools „Cameo Systems Modeler“ entwickelt, mit der es nun möglich ist, SysML-Modelle sogar bis auf Elementebene herunter zu verwalten.

Das Anwendungsszenario für die Entwicklung von cybertronischen Produktionssystemen zeigt innerhalb der Siemens PLM Tool-Chain, wie über eine abstrakte Beschreibung von Produktionssystemen aus Siemens Teamcenter eine sehr frühe Materialflusssimulation in Tecnomatix Plant Simulation durchgeführt werden kann. Hierfür müssen auch Informationen aus der Produktentwicklung gezielt abgerufen und genutzt werden. Eine Änderung im Produkt kann nun direkt zu einer potenziellen Änderung im Produktionssystem verfolgt werden.

Beide Demonstratoren zeigten, dass ein interdisziplinärer Systementwurf in der frühen Entwicklungsphase möglich ist – mit SysML als gemeinsame Sprache. Ein erweitertes PLM kann die Mecpro²-Methodik abbilden und SysML-Modelle realisieren. Zudem erlaubt die modellbasierte Entwicklung eine frühe Simulation, um Produkte und Produktionssysteme möglichst früh im Entwicklungsstadium abzusichern.

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