Das Industrie-4.0-Konzept beinhaltet intelligente Betriebsmittel, die mittels verschiedenster Sensoren und Kommunikationstechnologien einen vollständig digitalisierten und hochflexiblen Produktionsprozess in Fertigung und Montage ermöglichen. Dies äußert sich in Begriffen wie 'Losgröße 1' oder 'one-piece-flow'. Hiermit sind Produkte gemeint, die hochgradig kundenindividuell konfiguriert werden können und bei denen der Kunde noch möglichst lange Einfluss auf die Bestellung ausüben und Änderungen vornehmen kann. Diese Forderung nach einem Höchstmaß an Flexibilität kann nur durch ein ausgereiftes Varianten- und Konfigurationsmanagement auf Seiten der Produktentwicklung realisiert werden.

 

Das Y-Modell nach Scheer: In allen Bereichen findet man die Forderungen nach Individualisierung. Wer im Prozessbereich 'Fabrik' kundenindividuelle Produkte fertigen will, muss diesen Maßstab an Flexibilität auch bei der Produktentwicklung anlegen.

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Ein Blick in die Unternehmensabläufe lohnt sich. Professor Scheer aus Saarbrücken zeigt in seinem Y-Modell die Zusammenhänge zwischen Fertigung/Montage, Auftragsabwicklung und Produktentwicklung. Es beschreibt die zwei Hauptprozessketten in einem Industriebetrieb. Die betriebswirtschaftliche auf der linken und die technische Prozesskette auf der rechten Seite. Zudem können drei Prozessbereiche identifiziert werden:

• Der Prozessbereich Fabrik, um den sich ein Großteil der deutschen Diskussion zu I4.0 dreht.
• Der Prozessbereich Produktentwicklung, bei dem mit PLM-Systemen die Produktdaten verwaltet werden.
• Der Bereich der Logistik, in dem Bestellungen bearbeitet und Daten der Supply Chain geführt werden.

Im Gegensatz zum Prozessbereich Logistik, in dem mit ausgereiften ERP-Systemen ein hoher Grad an durchgängigen Informationsflüssen und Datenkonsistenz erreicht wird, zeichnet sich der Bereich der Produktentwicklung hinsichtlich der eingesetzten Werkzeuge und Prozesse durch eine Vielzahl an Insellösungen aus. Jede Ingenieursdisziplin hat ihre eigenen Produktmodelle und Entwicklungsmethoden. Man spricht hier von disziplinspezifischen Modellen: Mechanische CAD-Systeme für den Konstrukteur, elektrisch/elek­tronische CAD-Systeme in der Elek­trotechnik oder Application Lifecycle Management (ALM) Anwendungen in der Software-Entwicklung.

Es fehlt an einem verständlichen ­Modell des zu entwickelnden Produktes, an dem alle gemeinsam arbeiten können. Unterteilt man die Produkt­entwicklung in eine frühe und eine ­späte Phase, sind beispielsweise CAD-Modelle in der späten Phase einzuordnen. Ein Austausch zwischen den Disziplinen ist in der späten Phase oft nicht mehr mögich, da man keine gemein­samen Modelle, geschweige denn gemeinsame Vokabeln besitzt, um (Teil-)Produkte zu beschreiben. Da­runter leidet nicht nur die Geschwindigkeit, mit der ein Produkt an den Markt gebracht werden kann, sondern auch die Qualität.

Das System Engineering

Das integrierte Systemmodell: Das Systemmodell ist sozusagen der 'Kleber', der die disziplinspezifischen Modelle zusammenhält – die Summe aus Systemmodell und disziplinspezifischen Modellen kann als integriertes Systemmodell bezeichnet werden.

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Abhilfe schafft das sogenannte Model Based Systems Engineering (MBSE). Hier wird anstatt auf Dokumente auf maschinenlesbare Modelle zurückgegriffen - mit dem Vorteil, dass einzelne Informationen auch einzeln adressierbar sind. So ist es möglich, ein Systemmodell zu erstellen, das es erlaubt, den eigenen Informationsgehalt mit diszi­plinspezifischen Modellen späterer Phasen der Produktentwicklung zu verknüpfen und konsistent zu halten. Informationen aus dem integrierten Systemmodell der Produktentwicklung können für noch wesentlich spätere Phasen des Produktlebenszyklus genutzt und synchronisiert werden. Auf diese Art und Weise lassen sich schon sehr früh Informationen zwischen Produkt- und Produktionssystementwicklung strukturieren und maschinenlesbar austauschen.

Für die Modellierung eines Systemmodells werden Modellierungssprachen genutzt, die eine formalisierte, maschinenlesbare Modellierung zulassen. Es handelt sich dabei normalerweise um Sprachen mit grafischer Notation, die dem Ingenieur einen intuitiven Zugang zum Systemmodell erlauben. Ein Beispiel dafür ist die von der Object Management Group (OMG) standardisierte Systems Modeling Language (SysML), welche auf der Unified Modeling Language (UML), die aus der Software-Entwicklung bekannt ist, aufsetzt. Die Erstellung eines Systemmodells des zu entwickelnden Produktes liefert einen wichtigen Beitrag zur notwendigen Digitalisierung im Unternehmen. Inzwischen verfügbare MBSE-Werkzeuge unterstützen den Ingenieur bei der Erstellung eines Systemmodells - allerdings fehlt diesen Werkzeugen jegliche Prozessunterstützung. Es gibt also weder eine ausgereifte Versionskontrolle, noch eine praktikable Unterstützung der gemeinsamen Arbeit an einem Systemmodell.

Die Rolle des PLM-Systems

Hier kommen PLM-Systeme ins Spiel, die seit vielen Jahren genau das unterstützen. Damit PLM-Systeme die Verwaltung der aus dem MBSE stammenden Daten unterstützen können, müssen sie in der Lage sein, neben reinen Strukturdaten weitere interdisziplinäre Daten zu Anforderungen und Verhalten des Systems abbilden zu können. Das Hauptziel, das hierbei mit PLM-Systemen verfolgt wird: Die Rückverfolgbarkeit (traceability) und Transparenz aller Entscheidungen über den Entwicklungsprozess sowie über den gesamten Lebenszyklus herzustellen. Dies garantiert die Nachvollziehbarkeit von gültigen Kombinationen aus Anforderungen, funktionaler Beschreibungen und physischen Komponenten zu jedem Zeitpunkt. In der Betriebsphase sind die Daten aus dem Feld von Bedeutung sowie die aktuelle Konfiguration des Systems. Zwar stammt der Gedanke des integrierten Systemmodells aus der Produktentwicklung, jedoch sind hierin enthaltende Informationen für alle Phasen des Produktlebenszyklus von Belang.

Eine naheliegende Verwendung des integrierten Systemmodells ist die Generierung eines digitalen Abbilds für jede zu produzierende Einheit. Oft wird hier vom digitalen Zwilling gesprochen. Das Konzept des digitalen Zwillings kommt dem sehr nahe, was in der Umsetzungsstrategie Industrie 4.0 als virtuelle Repräsentation beschrieben wird. Die virtuelle Repräsentation bildet zusammen mit der fachlichen Funktionalität die Verwaltungsschale. Diese Verwaltungsschale kann innerhalb der Industrie-4.0-Komponente gehostet oder in einem übergeordneten IT-System abgebildet sein.

Aus Produktsicht muss diese Verwaltungsschale im PLM-System abgebildet sein, da hier die Produktdaten über den gesamten Lebenszyklus verwaltet werden. Das integrierte Systemmodell muss ein wesentlicher Bestandteil der Verwaltungsschale sein - bisher wurden als beispielhafte Bestandteile nur CAD-Daten, Anschlussbilder und Handbücher genannt.

Den Kontakt beibehalten

Ein weiterer Wunsch vieler Hersteller ist es, den Kontakt zu ihrem Produkt nicht gänzlich zu verlieren, wenn es sich im Betrieb befindet. Viele Felddaten können dazu genutzt werden, nachgelagerte Optimierung, Instandhaltung oder Nutzungsdatenerhebung zu betreiben. Hierzu muss jede produzierte Einheit mit seinem Hersteller kommunizieren. Damit die erfassten Daten der Einheiten auch von ihrer Bedeutung her verstanden werden können, bietet es sich an, diese Betriebsdaten aus der Realität gegen das integrierte Systemmodell zu spiegeln.

Die Systemmodell-Definition, die in der Produkt-Entwicklung getätigt wurde, stellt für die späteren Phasen des Lebenszyklus die notwendigen Kontext-Informationen für die Felddaten-Erhebung zur Verfügung. Das heißt, neben den reinen Werten, die gemessen werden, kann das Systemmodell herangezogen werden, um einem Analysetool oder dem Benutzer den Kontext und die Bedeutung der Daten klar zu machen. Die reine Übertragung eines Wertes, zum Beispiel 290 für einen Temperatur-Sensor, verlangt implizites Kontextwissen vom Benutzer. Besser wäre die Übertragung eines Wertes 290 K (für Kelvin) zusammen mit einer eindeutigen Identifika­tionsnummer (UID) des Sensors. Mit dieser UID kann der Bezug zum ­Systemmodell hergestellt und das darin enthaltene explizite Kontextwissen dem Benutzer zur Verfügung gestellt werden. Das heißt: Was bedeutet dieser Wert im Kontext des Systems? Warum wurde er gemessen?

Die zustandsorientierte ­Instandhaltung

Ein weiterer Anwendungsfall kann das Konzept der zustandsorientierten Instandhaltung (condition-based maintenance) sein. Mit statistischen Methoden und der Möglichkeit, über das Internet in annähernder Echtzeit Felddaten zu erfassen, kann man wesentlich effizienter Komponentenausfälle vorhersagen und dem Kunden vorsorglich Ersatz zur Verfügung stellen. Da sich das Systemmodell auch mit Simulationsmodellen (zum Beispiel VHDL, Matlab, Modelica) verlinken lässt beziehungsweise aus dem Systemmodell Simulationsmodelle abgeleitet werden können, lassen sich virtuelle Simulationen aufbauend auf den Informationen des integrierten Systemmodells und den realen Parametern des betriebenen Systems durchführen. Es ist beispielsweise bereits vor dem Ausrollen einer neuen Firmware möglich, das zukünftige Verhalten des Systems zu antizipieren und im Vorfeld abzusichern.

Das 150-%-Systemmodell bildet alle Varianten der Struktur und des Verhaltens ab.

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Eine Möglichkeit zur Nutzung des Digitalen Zwillings: Die virtuelle Welt bildet den digitalen Zwilling ab - zuerst auf Typebene (Teilenummernbasis) und anschließend mit der Produktion auf Instanzebene. Anstatt einer 150-%-Stückliste, die alle Varianten abbildet, spricht man im Kontext des MBSE von einem 150-%-Systemmodell, das wie beschrieben nicht nur Struktur-, sondern auch Verhaltensinformationen enthält. Zusammen mit der Produktion in der realen Welt, wird aus dem 150-%-Systemmodell in der virtuellen Welt der ­digitale Zwilling instanziiert. Er erhält genau wie sein realer Zwilling eine ­eindeutige Kennzeichnung (Serien­nummer beziehungsweise UID). In der ­Betriebsphase können dann Felddaten online über das Netz erfasst und auch Firmware-Updates ausgerollt werden, deren Einfluss auf das Verhalten, wie bereits beschrieben, zuvor verifiziert werden kann.

Der Weg zur Realisierung

Für das Engineering lässt sich bezüglich Industrie 4.0 sagen, dass die Verwaltung von Systemmodellen noch nicht ausgereift unterstützt werden kann. Sowohl die MBSE-(Modellierung) als auch die PLM-Seite müssen ihre ­Lösungen und Konzepte weiterentwickeln. Dies bedeutet auch, die Schaffung und Weiterentwicklung von Standards voranzutreiben. Die Arbeit an der  Integration von Modellierung, disziplin­spezifischen Modellen, Verwaltung und Simulation muss weitergehen - die  einzelnen Technologien sind da, doch die Überbrückung der Insellösungen steht noch aus. Zur Wahrung der Zukunftssicherheit sind die Nutzung ausgereifter Managementsysteme und die Ablösung von Legacy-Systemen notwendig. Individualentwicklungen und proprietäre Lösungen haben keinen Platz mehr, wenn Industrie 4.0 Realität werden soll.

Autoren:
Christian Muggeo ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für virtuelle Produkt­entwicklung an der TU Kaiserslautern;
Michael Pfenning ist PLM Consultant bei XPLM Solution .