Die interdisziplinäre Maschinenentwicklung hat vor allem ein Merkmal: die ständige Veränderung. Damit Unternehmen, Zulieferer und Dienstleister dafür gewappnet sind, braucht man ein Systems Engineering, das auf einheitliche Datenwelten setzt und die Zusammenarbeit harmonisiert. Drei Unternehmen zeigen den Weg, wie man mit einer agilen Vorgehensweise komplexe mechatronische Systeme beherrschen lernt, ohne dabei die Prozesse immer neu zu definieren.
Derzeit bringt häufig erst die Software innovative Funktionalitäten in Maschinen und Anlagen. In komplexen Entwicklungsprozessen gilt es, einen bestmöglichen Entwurf aus interdisziplinären Teilsystemen sicherzustellen. Um in diesem ‚mechatronischen Bermudadreieck‘ den Überblick zu Änderungsprozessen zu behalten, muss die Kommunikation aller Beteiligten auf allen Ebenen funktionieren. Klassisch sind in diesen meist dynamischen Prozessen Fachbereiche beteiligt, die ihre eigene Sprache sprechen und unterschiedliche Systeme verwenden. Entwickelte Mechanik-, Elektrik-, Elektronik- und Softwarekomponenten werden erst relativ spät zusammengeführt – das bietet Vorteile, birgt aber eben das Risiko fehlender Abstimmung, die zu aufwendigen Nacharbeiten führt. Oft hilft hier erst der Blick von außen, um dem Verbesserungspotenzial im Engineering auf die Spur zu kommen.
Neue Methoden für das Systems Engineering
Ein Weg zu effizienterem Engineering ist oftmals die Implementierung von agilen Prozessen. Dann müssen klassische – oft sequenziell ablaufende – Vorgehensweisen im Maschinenbau weichen. Gefragt sind interdisziplinär agierende Teams, die beispielsweise eine Kooperation aus Mechanik und Steuerungstechnik fokussieren. Ein klassisches V-Modell des Systems Engineering verändert durch diese Organisation der Zusammenarbeit seine Form meist deutlich. Folgt man diesem interdisziplinären Ansatz und bringt die Spezialisten zusammen, müssen neue Methoden für die Zusammenarbeit sowohl zur Entwicklung komplexer Systeme als auch für das Management eingeführt werden. Die drei Unternehmen ITQ, Software Factory und Machineering haben Methoden, Tools und Lösungen im Portfolio, um Unternehmen bei der entsprechenden Umstellung zu helfen. Während sich ITQ den ‚menschlichen Methoden‘ verschrieben hat, kümmert sich die Software Factory um die passenden Datenwelten und die Infrastruktur eines Unternehmens. Machineering unterstützt Firmen bei der Implementierung von Simulationslösungen für das Systems Engineering.
Dr.-Ing. Rainer Stetter, Geschäftsführer ITQ:
„Der Schlüssel für die Digitalisierung ist das Verständnis für das eigene Unternehmen und – daraus abgeleitet – die Handlungsaufforderung für Management und Mitarbeiter. Erst wenn man begriffen hat, was das Unternehmen für Industrie 4.0 und IoT zu tun hat, dann kann man die Potenziale der vierten industriellen Revolution für sich erschließen und Märkte erobern und sichern. Die zeitgemäße Aus- und Weiterbildung und die Bereitschaft für Veränderung im Engineering sind dafür die unabdingbare Voraussetzung. Wichtig ist dabei das interdisziplinäre Arbeiten aller Disziplinen, beispielsweise mit der Scrum-Methode. Hier wird motiviert auf Augenhöhe entwickelt.“
Erst wenn zu hohe Entwicklungskosten entstehen und es zu ungeplanten Terminverschiebungen kommt, suchen Unternehmen nach Prozessfehlern. Dabei kommen Mitarbeiter schon einmal in Erklärungsnot, wenn sich der Entwicklungsstatus nicht exakt ermitteln lässt. ITQ mit Sitz in Garching bei München bietet für solche Fällen eine mechatronische Organisationsberatung im Engineering an, die das Projektmanagement mit neuen Methoden optimiert. Das Kompetenzfeld der ITQ umfasst Software und Systems Engineering, dessen Inhalte die Basis für neue Arbeitsweisen bilden und eine interdisziplinäre Entwicklung begünstigen. Bestes Beispiel ist die Scrum-Methode für den Maschinenbau, die im Kern die (zuvor oft fehlende) Kommunikation der Entwicklungsabteilungen neu orchestriert. Anstatt eines sequentiell orientierten Entwicklungsauftrags sind immer häufiger parallel ablaufende Prozesse gefragt, die die Abstimmung und Kommunikation auch komplexer und enger gestalten. Im Grundsatz teilt Scrum die Tätigkeiten in einen Entwicklungsworkflow ein, in dem Projektowner, Scrum-Master und das Team die Aufgabe strukturieren, portionieren und priorisieren. In Sprints arbeiten die Teams die Teilaufgaben ab, wobei das tägliche Monitoring der Ergebnisse abteilungs- und disziplinübergreifend funktioniert. Voraussetzung ist allerdings die Akzeptanz der Methodik im gesamten Unternehmen. Ein Patentrezept zur Einführung von SCRUM kann es aufgrund der firmenspezifischen Strukturen und Produkte nicht geben. Aufgrund der Erfahrung berichtet ITQ von deutlich kürzeren Projektlaufzeiten nach der Scrum-Einführung im Maschinenbau. Agile Methoden zielen auf eine höhere Planungssicherheit und schnellere Reaktionsmöglichkeit bei geänderten Rahmenbedingungen ab, womit sich das Risiko bei Softwareentwicklungsprojekten verringern lässt. Drei Punkte stehen für die Flexibilisierung in der Organisation:
• Transparenz: Projektfortschritt, Kommunikation
• Qualitätsprüfung: Stetige Reviews
• Anpassung: Zyklen von vier Wochen
Der Scrum-Zyklus. Bild: mfp-Tenner
Daten eng am Projekt
Neue Methoden müssen gerade im Engineering meist in Software abgebildet werden. Die Software Factory GmbH integriert die IT-Architektur als Unterbau für die mechatronischen Systeme. Das Ziel ist, die Projekte und das Datenmanagement eng zu verzahnen. Ein Merkmal ihres Digital Engineering-Portfolios ist die Optimierung der Arbeitsabläufe in den Prozessen. Erst wenn Mensch, Methode und Maschine eine einheitliche Peripherie um ein Systems Engineering bilden, lassen sich Produktkonfigurationen aus Software, Elektrik, Elektronik und Mechanik mit ihren unterschiedlichen Lebenszyklen über sämtliche Konstruktions- und Entwicklungsschritte hinweg verfolgen. Gelingt es, die Produktdatenwelt im Unternehmen und deren Management zu harmonisieren, sind die Voraussetzungen für ein Systems Engineering geschaffen. Komponenten und Systeme sollten intelligent integriert werden, um für weitere Vernetzung und Anpassungen vorbereitet zu sein. Damit öffnen sich Anwender auch für Industrie 4.0-Anwendungen wie Predictive Maintenance. Abhängigkeiten von Anlagenteilen auf Steuerungs- und Softwareebene lassen sich identifizieren. Die Auswirkungen von Änderungen können früh abgeschätzt werden. Entsprechend unterstützt ein modellbasierter Entwicklungsprozess die virtuelle Validierung von mechatronischen Systemen. Produktkonfigurationen aus Software, Elektrik, Elektronik und Mechanik sind mit ihren unterschiedlichen Lebenszyklen über alle Konstruktions- und Entwicklungsschritte verfolgbar. Die Software Factory setzt meist auf die Anwendung PTC Integrity, die nach dem Model Based Systems Engineering-Ansatz (MBSE) Systeme und Software-Artefakte miteinander verbindet – einschließlich der Anforderungen, Modelle, Code und Tests. Teams können Produkt- und Systemanforderungen verwalten, Closed-Loop-Produktvalidierung aktivieren und die globale Software-Entwicklung beschleunigen.
Dr. Andreas Gallasch, Geschäftsführer Software Factory:
„Wenn Rainer Stetter sagt, dass die Digitalisierung und dessen Verständnis der Schlüssel für Innovation ist, dann ist das Systems Engineering und die Ausrichtung auf die Software das Schloss dafür. Erst wenn die Unternehmen das Projektmanagement mit einem zentralen modellbasierten Datenmanagement koppeln, werden die Prozesse beherrschbar und mechatronische Teamarbeit ermöglicht. Produktdaten und deren Vernetzung sind die Herausforderung für smartes produzieren. Nur mit effizienter Informationsnutzung lassen sich Flexibilität, Konfigurierbarkeit und Wandlungsfähigkeit eines Produkts in den Griff bekommen.“
Ein weiterer Eckpfeiler bei dem hier vorgestellten Systems Engineering-Szenario ist die 3D-Simulation. Dazu bietet Machineering die Software Industrialphysics als integrierendes Werkzeug in der mechatronischen Entwicklung. Das Tool trägt besonders in den frühen Projektphasen zum Erfolg und der Kosteneffizienz eines Projekts bei. Zahlreiche Aufgaben im Engineering lassen sich mithilfe von Simulationslösungen vorziehen – angefangen bei der Auslegung von Maschinen über deren Bewegungs- und Antriebskinematik bis hin zur virtuellen Inbetriebnahme mit der realen Steuerung. Eine Entwicklungsumgebung, in der 3DCAD-Systeme, Simulationssoftware und Steuerungen verknüpft sind, kann aus der Inbetriebnahme eine virtuelle Prozessbegleitung machen. Damit schließt sich der Kreis zum Systems Engineering, denn Erkenntnisse und Änderungen aus Mechanik-, Antriebs- und Steuerungstechnik werden immer wieder miteinander synchronisiert und konsistent gehalten. In der Anlagenentwicklung gewinnt die Simulation an Bedeutung: Sie trägt maßgeblich zur Gestaltung des digitalen Prototyps bei, der wiederum eine Grundlage für den digitalen Zwilling bilden kann. Ganz anders taucht man in die Maschinenwelten mit einer Augmented Reality-Brille ein: Machineering ist es gelungen, Modelle bei gleichzeitiger Wahrnehmung der Umgebung in die Brille zu projizieren. Insbesondere für die Fabrik- und Anlagenplanung sowie für die Überwachung des laufenden Betriebs eignet sich diese Perspektive. Schon in einer frühen Phase der Entwicklung kann man komplette Anlagen projizieren. Stehen Änderungen im Produktionsprozess an, so lassen sich die lokalen Unterschiede vor dem Austausch einer Maschine vor Augen führen.
Dr. Georg Wünsch, Geschäftsführer Machineering:
„Simulation ist nicht gleich Simulation! Eine herkömmliche 3D-Simulation liefert Erkenntnisse für den nächsten Projektschritt, während ein ganzheitlicher Engineering-Ansatz im Kern einen digitalen Zwilling für die gesamte Anlagenentwicklung bietet, der weit über eine reine Überprüfungsfunktion hinausgeht. Die Simulation steht dabei als eine bereichsübergreifende Plattform zur Verfügung, auf der zu jedem Zeitpunkt der aktuelle Entwicklungsstand verifiziert und auf Realisierbarkeit mit weiteren Bereichen überprüft wird – ein großer Schritt in Richtung Industrie 4.0.“
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