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Die vierte Revolution und ihre Konsequenzen

Vernetzung

Die vierte Revolution und ihre Konsequenzen

Heute ist lediglich ein Prozent der physischen Welt vernetzt. Mit dem Internetprotokoll V6 gibt es 430 Sextillionen Internetadressen, eine Zahl mit 36 Nullen. Bis 2020 werden rund 37 Milliarden Dinge mit dem Internet verbunden sein. Der wertmäßige Anteil an Elektronik und Software wird bei Produkten und eingebetteten Dienstleistungen ständig steigen. Daraus folgt ein Bedarf an interdisziplinärer und integrierter Produktentwicklung und ein Überdenken heutiger Konstruktionsmethoden, Prozesse, IT-Lösungen und Organisationsformen.



V-Modell für Model Based Systems Engineering mit einem PLM/SysLM Backbone
Bild: Martin Eigner

Die letzten zehn Jahre sind durch einen stetigen Wandel der Wertschöpfungsanteile im Maschinenbau gekennzeichnet. IT und Automatisierungstechnik ersetzen zunehmend bisher mechanisch realisierte Funktionen in den heutigen Produkten. Nach Einschätzung vieler Unternehmen werden IT und Automatisierungstechnik vor allem in Bezug auf die Wettbewerbsfähigkeit weiter an Bedeutung gewinnen. Ein gutes Beispiel hierfür ist das Automobil, dessen Innovationen und Funktionserweiterungen mehr und mehr aus den Bereichen Elektronik und IT kommen. Wenn Produkte kommunizieren, werden häufig darauf aufbauende Dienstleistungen entwickelt. „Es wird künftig keinen einzigen Bereich des Geschäftslebens geben, der nicht digital ist“, sagte Frank Riemensperger, Geographic Senior Managing Director bei Accenture.

Wer zuerst kommt…

„Wer neue Technologien als erster beherrscht, wird einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil haben.“ Dies gelte für die Automobilindustrie ebenso, wie für den neuen Markt der ‚Wearables‘, der tragbaren Technologien von Google Glass bis hin zu Armbändern, die den Gesundheitszustand ihres Trägers analysieren können. Die gesamte physische Welt werde durch das Internet vernetzt und völlig neue Geschäfts-Modelle ermöglichen. Aus den genannten Punkten ergibt sich eine Reihe von Anforderungen an PLM-Lösungen, die für die Unterstützung eines für Industrie 4.0-Umgebungen geeigneten Produktentwicklungsprozesses (PEP) erweitert werden müssen.

Interdisziplinarität

Diese basiert darauf, die Engineering-Tätigkeiten über den gesamten Produktlebenszyklus organisatorisch und systemtechnisch zu unterstützen, das heißt von der frühen Phase der Anforderungsaufnahme, Produktentwicklung, Produktionsplanung und Produktion, operativer Betrieb mit Service und Ersatzteilversorgung bis hin zum Recycling, über alle Disziplinen (Mechanik, Elektrik/Elektronik, Software und Dienstleistungen) und über die Bereichsgrenzen eines Unternehmens hinaus. Wesentlich für PLM-Lösungen ist eine sinnvolle Einbindung der verschiedenen Autorensysteme entlang des Produktlebenszyklus. Darunter fallen insbesondere die frühe konzeptionelle Phase des PEP sowie die CAD- und CAE-Anwendungen für die mechanische, elektrische und elektronische Konstruktion sowie für die Softwareentwicklung. Dabei sind zwei Dinge zu beachten: einerseits die Konzeption und Umsetzung disziplinen-übergreifender Freigabe und Änderungsprozesse und zum anderen die Einbindung in eine betriebliche Systemarchitektur nach dem Vier-Ebenen-Konzept des VDA. Die Integration wird aber nicht am Ende des PEP aufhören, sondern der Trend geht eindeutig in die Richtung, auch die nachfolgenden Bereiche des Produktlebenszyklus in PLM-Lösungen zu integrieren. Dazu gehören die Bereiche Produktionsplanung und Serviceunterstützung.

Engineering Collaboration

Disziplinenübergreifende Produktentwicklung führt zwangsläufig zu zunehmender Globalisierung innerhalb der Wertschöpfungskette sowohl innerhalb der OEMs als auch zwischen OEMs und ihren Zulieferern und damit zu komplexeren, vernetzten Arbeitsorganisationen und Prozessen. Das bedeutet, dass sich die Produktdaten und die typischen Engineering-Prozesse über die gesamte Zulieferkette verteilen. Die Anforderung bereichsübergreifender Kommunikation zwischen allen Beteiligten über verschiedene Kulturräume und Zeitzonen gewinnt immer mehr an Bedeutung. Außerdem muss die Internet-basierende Einbindung von Kunden und Zulieferern in Form einer Engineering Collaboration-Plattform Teil einer PLM-Lösung sein.

Frühe Phase

Industrie 4.0-kompatible Produkte und die dazugehörigen Engineering-Prozesse verlangen einerseits eine zunehmend stärkere Betonung der frühen Phasen des PEP. Zusammen mit der notwendigen Interdisziplinarität ergibt sich mit dem Model Based System Engineering (MBSE) ein neuer Ansatz in der Produktentwicklung, der für die Entwicklung komplexer mechatronischer und cybertronischer Produkte gute Voraussetzungen bietet. Daraus ergeben sich neue Modellelemente, die einerseits administriert und andererseits den Engineering-Prozessen unterliegen. Dazu gehören zum Beispiel Anforderungen, Funktionen, Verhalten und logische Systemblöcke. Die Methoden des modellbasierten Systems Engineering können dazu beitragen, ein multidisziplinäres Produkt in einer abstrakten Weise zu beschreiben. Die VDI 2206 definiert einen systematischen Ansatz für die Entwicklung mechatronischer Systeme. Es können drei Ebenen der Modellierung identifiziert werden:

  • Modellbildung und Spezifikation
  • Modellbildung und erste Simulation
  • Disziplinspezifische Modellbildung
  • Basierend auf den ersten Simulationen und der funktionalen Beschreibung beginnt die disziplinspezifische Entwicklung, die die physischen Elemente des Systems adressiert, wie Hardware-Teile oder Software-Code. Hier setzen in der Regel die CAx-Prozesse in der virtuellen Produktentwicklung an. Ab dieser Ebene positionieren sich heutige PLM-Lösungen. Die wesentliche Anforderungen an PLM sind, die neuen Artefakte abzubilden und die darauf aufbauenden Engineering-Prozesse (Freigabe-, Änderung- und Konfigurationsmanagement) zu unterstützen.



    Die Abbildung zeigt eine typische PLM-Architektur in Automotive, Aerospace und Hightech (basierend auf dem Vier-Ebenen VDA-Modell).
    Bild: Martin Eigner

    Späte Phase

    Moderne Ansätze von internetbasierten Dienstleistungen, die auf kommunizierenden Produkten beruhen, haben ihren Ursprung häufig in einer Massendatenauswertung in der Produktions- und Betriebsphase. Das bedeutet eine Erweiterung der PLM-Lösungen bis in den Servicebereich. Aktuell haben sich für diesen Bereich leider isolierte und nicht integrierte Service Lifecycle Management-Systeme (SLM) etabliert. Sinnvoll wäre eine Erweiterung der PLM-Lösung auf der Basis gemeinsamer Stamm- und Strukturdaten. Für die Optimierung des PEP ist es interessant, welche Komponenten und Systeme zu qualitativen oder funktionalen Problemen führen. Im Servicebereich kann eine direkte Optimierung des Wartungs- und Ersatzteilversorgungsprozesses erfolgen.

    Einbettung in IT-Architektur

    Die Abbildung auf dieser Seite stellt einen typischen Ansatz einer industriellen implementierten IT-Architektur mit der Zielsetzung eines integrierten Freigabe- und Änderungsmanagements (ECR/ECM) und ein darauf aufbauendes Konfigurationsmanagement dar. Gekennzeichnet ist dieses Konzept durch die vier Ebenen, die im Rahmen einer VDA-Arbeitsgruppe festgelegt wurden:

  • Autorensysteme (MBSE, MCAD, ECAD, CASE, CAP, CAM, Office) sowie Berechnungs- und Simulationssysteme.
  • Team Data Management (TDM), eine Verwaltungsebene, die autorensystemnahe Informationen verwaltet und die direkt den Autorensystemen zugeordnet sind. Diese Ebene verwaltet in der Regel die nativen Formate der Autorensysteme. Sind die Autorensysteme einfach strukturiert, kann diese Ebene auch entfallen und man spricht von einer Direktkopplung.
  • PLM-Backbone, die zentrale Ebene des PEP, die die interdisziplinäre Produktstruktur mit allen zugehörigen Dokumenten – in der Regel in neutralen Formaten – enthält. Darauf baut das entwicklungstechnische Änderungs- und Konfigurationsmanagement auf. Dies ist die eigentliche PLM-Lösungsebene.

  • PPS-Backbone, der bei einer globalen Verteilung meist aus mehreren lokalen Instanzen und häufig verschieden angepassten PPS-Systemen besteht. Auf dieser Ebene wird heute der logistische und produktionstechnische Teil des Änderungs- und Konfigurationsmanagements umgesetzt.
  • Neue Technologien

    Moderne PLM-Lösungen nutzen heute bereits SOA und Webservices. Für die Zukunft müssen weitere moderne IT-Technologien genutzt werden:

  • In-Memory-Datenbanken und Grid Computing
  • Cloud Computing
  • Big Data
  • Neue Methoden der Interaktion und Präsentation (Usability)
  • Die Hauptidee des In-Memory-Datenbank-Management-Konzepts (IMDBM) besteht darin, den gesamten Datenbestand eines Unternehmens im Hauptspeicher in Form von sogenannten In-Memory-Datenbanken oder hauptspeicherresistenter Datenbanken zu speichern. Beim Grid-Computing handelt es sich um eine Infrastruktur zur gemeinsamen Nutzung von autonomen Rechenleistungen. Die Vision der Grid-Technologie besteht darin, Rechenleistung aus dem Netzwerk zu beziehen, quasi wie Strom aus der Steckdose. Ein umfangreicherer Funktionsumfang und verstärkte Vernetzung von IT-Ressourcen werden im Rahmen von Cloud-Computing angestrebt. Hierbei wird der Anwender nicht mehr selbstständig Rechenleistung oder Applikationen betreiben müssen, sondern kann die IT-Prozesse komplett in eine Cloud auslagern. Diese Technologie geht einher mit immer günstigeren Angeboten der Dienstleister.



    Eine Zulieferer-Kette im Automobilbau
    Bild: Martin Eigner

    Größere Datenbestände

    Der zunehmende Einsatz von IT-Lösungen in der Industrie führt zu immer größeren Datenbeständen, die entlang des gesamten Produktlebenszyklus gesammelt werden. Die Herausforderung der Verarbeitung und intelligenter Analyse großer Datenmengen im industriellen Kontext wird oft vereinfacht als ‚Big Data‘ bezeichnet. Die Hauptidee besteht darin, unter Einsatz von intelligenten Algorithmen und Verfahren (beispielsweise Data Mining, Business Analytics) diese ‚Datenschätze‘ intelligent auszuwerten und die Ergebnisse anwendergerecht zur Verfügung zu stellen. Der Bedienkomfort ist wesentlich geprägt durch Handhabung des PLM-Systems durch den Anwender. Diese Usability wird von neuen Interaktionsmöglichkeiten zwischen Mensch und Computer profitieren. Die natürlichen Schnittstellen des Menschen mit seiner Umwelt (Sprache, Gestik, Berührung, Sehen, Hören et cetera) wurden jahrzehntelang in der Softwareentwicklung vernachlässigt. Trends wie Bring your own Device (BYOD) und Choose your own Device (CYOD) werden die Bedienung der Geräte wesentlich beeinflussen.

    Anforderungen im Überblick

    Aus der Veränderung des PEP durch den Industrie 4.0-Trend ergibt sich eine Reihe von Anforderungen an PLM-Lösungen. Dazu gehören:

  • Interdisziplinarität sowohl bezüglich der Disziplinen als auch entlang des Produktlebenszyklus
  • Engineering Collaboration zwischen den Disziplinen, entlang des Produktlebenszyklus und entlang der Zulieferkette
  • Stärkere Einbindung der Upstream (MBSE)- und Downstream-Prozesse
  • Einbindung in die betriebliche IT-Struktur durch Anwendung des VDA Vierebenen-Konzepts
  • Anwendung neuer IT-Technologien
  • Natürlich müssen PLM-Lösungen diese Veränderungen durch geeignete Entwicklungsplattformen ermöglichen. Diese Entwicklungsplattform muss neben den internen Entwicklern auch den Kunden für die bei dieser Komplexität der Anwendung absolut notwendigen Customizing-Maßnahmen offenstehen. Die häufigsten Faktoren der PLM-Weiterentwicklung und des Customizing betreffen:

  • die Funktionserweiterung der PLM-Lösung, die sich in neuen Klassen, Attributen und Methoden und deren Einbindung in die ‚Out Of The Box‘ Basisfunktionalität des zugrunde liegenden PLM Systems niederschlägt
  • die Einbindung und Erweiterung der typischen Produktlebenszyklus-orientierten Prozesse, wie Freigabe-, Änderungs- sowie das Konfigurationsmanagement. Natürlich müssen alle neuen Objekte aus den Funktionserweiterungen entlang des Produktlebenszyklus in diese Prozesse integriert werden um eine durchgängige Integration zu erreichen
  • die systemtechnische Integration der verschiedenen IT-Lösungen auf den verschiedenen internen Architekturebenen sowie die Integration der IT-Lösungen und der daraus resultierenden Daten von Zulieferern und Kunden. Hier kommt es vor allem auf die Offenheit der Schnittstellen, der vom Systemlieferanten garantierten Aufwärtskompatibilität und der Verwendung von internationalen Standards an.
  • Beispiel für Integration

    Ein Beispiel der MBSE-Integration soll dies verdeutlichen. Ähnlich der Einbindung von CAD zu PLM, wurden am VPE1 an der TU Kaiserslauten die Kommandos eines PLM-Systems in die Befehlsstruktur eines SysML-Autorensystemes integriert. Parallel sieht man auf der Abbildung auf dieser Seite, wie die neuen Objektklassen RFL in das Datenmodell und in die Befehlsstruktur des PLM-Systems Aras Innovator eingebunden wurden. Durch die Verknüpfung mit den im ursprünglichen Leistungsumfang enthaltenen konstruktiven Stammdaten und Stücklisten wurde eine durchgehende Integration von Anforderungen, Funktionen, logischen Blöcken und der Entwicklungsstückliste (E-BOM) erreicht. Diese Integration ist mit relativ niedrigen Arbeitsaufwand durch die SOA-basierenden Architektur, die Offenheit der Schnittstellen und der Einfachheit des Customizing durch einen Repository-basierenden Ansatz beider Systeme möglich geworden.