Die Implementierung von Werkzeugen und Methoden des (modellbasierten) Systems Engineerings in den Produktentstehungsprozess ist nicht nur für die Unternehmen der Fertigungsindustrie eine Herausforderung, sondern auch für ihre PLM-Systemlieferanten." />

Produktionssysteme

„Stärkere Integration von Werkzeugen und Methoden ist notwendig“

Systems Engineering, Teil 7


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ie Implementierung von Werkzeugen und Methoden des (modellbasierten) Systems Engineerings in den Produktentstehungsprozess ist nicht nur für die Unternehmen der Fertigungsindustrie eine Herausforderung, sondern auch für ihre PLM-Systemlieferanten. Die müssen entscheiden, welche SE-Werkzeuge und -Funktionen sie wie in ihre Lösungen einbinden. Wie Siemens PLM Software diese Herausforderung meistert, beschreibt Teil 7 unserer Serie.

„Beim Systems Engineering (SE) geht es darum, Kundenerwartungen durch Systeme, die aus mehreren, wechselwirkenden Komponenten bestehen, besser zu erfüllen. Nicht das einzelne Produkt steht im Vordergrund, sondern eine Leistung, die unter Umständen durch mehrere Produkte erbracht wird“, sagt Dr. Stefan R. Jockusch, Vice President Product Development Product Lifecycle Management bei Siemens PLM Software. Wenn der Software-Anbieter von SE spricht, dann orientiert er sich an der Definition des International Council on Systems Engineering (Incose), die sehr stark durch die amerikanische Luft- und Raumfahrt- sowie die Rüstungsindustrie geprägt ist. Allerdings bevorzugt Siemens selbst den Begriff des System Driven Product Development, wie Jockusch sagt. „Incose gibt nur die Methodik für die Systemdefinition vor, nicht aber, wie man das System dann umsetzt, das heißt zum Beispiel das Testen automatisiert. Wir als Softwarehersteller müssen da also mehr liefern.“

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Die Nähe zu Incose kommt nicht von ungefähr, weil die Firma ihre ersten Schritte in Richtung SE an der Hand von Unternehmen in Aerospace & Defense unternahm: Noch vor der Aquisition durch Siemens entwickelte sie zusammen mit Kunden aus diesem Umfeld eine Software namens Slate, die später in Teamcenter SE umbenannt wurde. „Auch im Maschinen- und Anlagenbau haben wir zusammen mit Kunden Pionierarbeit geleistet und den Mechatronics Concept Designer entwickelt, mit dem man eine virtuelle Maschine zusammen mit der Steuerungssoftware simulieren kann“, betont Jockusch. In den letzten Jahren ist es vor allem die Automobilindustrie, deren Anforderungen die Weiterentwicklung von Teamcenter und die Ergänzung der Produktpalette um Zukäufe und neue Module beeinflussen. Vor ein paar Monaten erst hat Siemens Industry den Softwarehersteller LMS übernommen, mit dem Ziel, die im Bereich der Logiksimulation klaffende Lücke ein Stück weit zu schließen.

Anforderungen werden komplexer

Einer der Treiber für das SE ist nach Einschätzung von Siemens PLM die Komplexität der Anforderungen an die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Systeme, die inzwischen auch das Automotive-Umfeld erreicht hat, wie Jockusch mit Hinweis auf die neue ISO-Norm 29292 sagt. „Man kann mit Fug und Recht behaupten, dass die mechatronische Komplexität im Fahrzeugbau und anderen Branchen schneller zunimmt als im Flugzeugbau. In einem Auto stecken heute mehr Programmierzeilen als in einem Flugzeug. Die Komplexität ergibt sich jedoch nicht allein aus der Menge an Software, sondern aus den im Konflikt zueinander stehenden Anforderungen. Wenn ich immer mehr Gewicht einspare, um den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren, dann treibt das irgendwann den Geräuschpegel in die Höhe. Ein wichtiges Element von SE sind deshalb Trade-Off-Studien, das heißt die Beurteilung von mehreren Lösungsalternativen hinsichtlich verschiedener Kenngrößen.“

Die Anforderungen der Automobilindustrie auf dem Gebiet des SE unterscheiden sich laut Jockusch gravierend von denen der Luft- und Raumfahrt. Während letztere aufgrund der langen Laufzeit von Flugzeugprogrammen bei einer neuen Produktgeneration fast auf der grünen Wiese anfangen und eher geneigt sind, im Vorfeld einen gewissen formalistischen Aufwand zu treiben, denken die Automobilhersteller üblicherweise in Modelljahren und evolutionären Entwicklungsschritten. Gleichzeitig gibt es eine viel größere Vielfalt von Modellen, die auf der Basis einer oder mehrerer Plattformen gebaut werden, und es gibt bestimmte Baugruppen, die in mehreren Marken und Derivaten verbaut werden. „Die Beherrschung der Varianz und der Zugriff auf Bestehendes sind im Automobilbereich die Schlüsselthemen. Die Werkzeuge und Methoden des SE müssen viel stärker in die Entwicklungsprozesse und hier insbesondere in das Konfigurations- und Änderungsmanagement integriert sein als sie es derzeit sind, um die Auswirkungen von Änderungen beurteilen zu können und die Nachvollziehbarkeit sicherzustellen.“

SE deckt nicht nur die Produktdefinition, sondern das ganze Entwicklungsgeschehen einschließlich der Elektrik-, Kabelbaum- und Embedded Software-Entwicklung ab, wie Jockusch weiter ausführt: „Wir als PLM-Hersteller haben die Fähigkeit, das toolseitig zu unterstützen. Die Frage, ob wir fit für SE sind, müssen Sie eigentlich unseren Kunden stellen, die vor riesigen Aufgaben bei der Reorganisation ihrer Prozesse und der Ausbildung ihrer Mitarbeiter stehen. Einige OEM haben gute Arbeit geleistet, was den theoretischen Überbau anbelangt. Ihnen fehlen aber oft die Ingenieure mit dem disziplinenübergreifenden Rüstzeug, um das Thema in die Breite zu tragen.“

Und wie sieht es mit dem Rüstzeug von Siemens PLM aus? Jockusch räumt ein, dass Systems Engineering in der spezifischen Ausprägung für Automotive noch relativ neu für die Firma sei, aber man habe dank der starken Position in Luft- und Raumfahrt gerade in den USA gestandene SE-Experten, die auch in der Incose mitarbeiten. Außerdem verfüge man dank der Muttergesellschaft Siemens über eine Hintermannschaft und einen SE Think Tank, den andere Mitbewerber nicht hätten. „Die Ausprägung für die Automobilindustrie ist natürlich auch für uns neu, weshalb wir da entwicklungstechnisch nachlegen mussten.“

Leistungsfähiges Konfigurationsmanagement

Erste Voraussetzung für SE ist laut Jockusch ein zentrales Anforderungsmanagement für alle Disziplinen, das es in dieser Form heute bei den wenigsten Unternehmen gibt. Üblicherweise verteilen sich die Anforderungen über einen High-Level-Master und vier oder fünf andere Systeme, in denen sie weiter entwickelt werden, was das Änderungsmanagement enorm erschwert. Siemens PLM hat viel Geld in die Entwicklung eines übergreifenden Requirements Managements für Hardware und Software investiert, das den Austausch von Anforderungen mit IBM Doors erlaubt und außerdem über eine Schnittstelle zu MS Word und MS Excel verfügt. Anforderungen aus anderen Anwendungen können über eine Standard-Schnittstelle im ReqIF-Format importiert und exportiert werden. Das Modul habe bei Siemens den Benchmark gegen Doors gewonnen und wird geschäftsweit eingesetzt, versichert Jockusch.

Die vielleicht wichtigste Erweiterung der Unified Architecture mit Blick auf die Anforderungen des Automobilumfelds sind die neuen Funktionen für das Management von Konfigurationen, Varianten und Optionen oder genauer gesagt die Möglichkeit, diese Funktionalität auf alle anderen Objekte des Datenmodells anzuwenden. „Wir können die Anforderungen mit einer Variantenstruktur überlagern, um sie im Kontext einer bestimmten Konfiguration zu betrachten und zum Beispiel zu schauen, wie die Anforderungen beim Opel Zafira Baujahr 2012 in Funktionen und Geometrie umgesetzt wurden“, erläutert Jokusch. „SE lebt davon, dass man solche Zusammenhänge deutlich macht. Wenn ich ein Bauteil anfasse, möchte ich wissen, welche Funktionen davon betroffen sind.“

Wesentliche Herausforderung für das SE in der Automobilindustrie ist - neben der frühzeitigen Simulation der Systemfunktionen - die Traceability, wie Jockusch betont: „Wenn ein Problem auftritt, muss ich zurückverfolgen können, was in dem Auto mit der Fahrgestellnummer alles drin steckt, und ich muss nachweisen können, was ich getestet habe.“ Voraussetzung für die Traceability ist eine Datenmanagement-Plattform, die alle Inhalte des Fahrzeugs soweit versteht, dass sie die Nachvollziehbarkeit gewährleisten kann. Siemens PLM hat schon Mitte des vorigen Jahrzehnts damit begonnen, das Datenmodell von Teamcenter UA zu erweitern, um Informationen über Elektrik, Elektronik und eingebettete Software abbilden zu können - wenn auch nicht bis in die letzte Verästelung.

Zu den Kernkomponenten, die in der SE-Umgebung von Teamcenter die Nachvollziehbarkeit sicherstellen, gehören neben dem Varianten- beziehungsweise Konfigurationsmanagement das Programm- und das Change-Management. Das Programm-Management ist integraler Bestandteil der PLM-Lösung und erlaubt es, Aufgaben mit beliebigen Objekten zu verknüpfen, beispielsweise den Status einer Baugruppe mit dem Status der Aufgabe „Baugruppe aktualisieren“. Ohne Programm-Management könne man SE-Projekte mit ihren vielen sich widersprechenden Aufgaben nicht effizient steuern, sagt Jockusch: „Die Frage ist ja nicht, ob wir es irgendwann schaffen, den Benzinverbrauch eines Fahrzeugs zu senken, sondern ob wir es auch schaffen, das sparsame Auto rechtzeitig auf den Markt zu bringen.“

Zu den besonderen Leistungsmerkmalen von Teamcenter gehören die Funktionen für das Embedded Software-Management. Die PLM-Lösung ist nicht nur theoretisch in der Lage, die eingebettete Software im Kontext der Fahrzeugkonfiguration zu verwalten und ihre Wiederverwendung in anderen Entwicklungsprojekten zu unterstützen. Sie hat das auch in der Praxis unter Beweis gestellt: Die Funktionalität wurde ursprünglich zusammen mit Ford entwickelt und hat dem Automobilhersteller angeblich mehr als 100 Millionen US-Dollar an Gewährleistungskosten gespart. „Entscheidend für die Wiederverwendung ist das Bibliothekskonzept“, sagt Jockusch. „Die Ingenieure bedienen sich einfach aus einer Bibliothek von Elektronik- und Softwarekomponenten und können sicher sein, was an Signalen rauskommt.“

Verwaltung der eingebetteten Software

Die Erweiterung des Datenmodells um softwarespezifische Objektklassen wie Hardware, ECU, Message oder Signal bedeutet nicht, dass Siemens PLM mit Teamcenter den Software-Entwicklungsprozess im Sinne des Application Lifecycle Management (ALM) unterstützten wird. Dafür gebe es dezidierte Werkzeuge mit noch detaillierteren Datenmodellen, sagt Jockusch. „Das Geschäft mir Lösungen für die Code-Generierung, Kompilierung und das Software-Konfigurations-Management überlassen wir gerne anderen. Es sind kritische Funktionen die man integrieren muss.“ Teamcenter verfügt standardmäßig über eine entsprechende Schnittstelle zu Clearcase.

Nach intensiven Gesprächen mit Ford hat der Softwarehersteller eine Möglichkeit geschaffen, die man normalerweise nicht im PLM-Kontext erwarten würde. Teamcenter verwaltet auch die so genannten Kalibrierungsdaten - Tausende von voreingestellten Parametern für das Timing der Motorsteuerung, der Scheinwerfer, der Fensterheber et cetera, die für jede Fahrzeugkonfiguration unterschiedlich sein können und bei den meisten Herstellern in Excel-Tabellen oder Access-Datenbanken verwaltet werden. Ein hochkomplexes Thema, wie Jockusch betont, weil diese Daten zum Teil von den Zulieferern definiert werden und dann zusammengeführt werden müssen, was auf Excelbasis sehr fehleranfällig ist.

Unterstützung modellbasierter Ansätze

Die modellbasierte Systementwicklung ist nach Überzeugung von Siemens PLM der Schlüssel zur Verbesserung der Produktivität. Nach der reinen (wissenschaftlichen) Lehre ist die Modellierung der Systemarchitektur mit SysML oder einer anderen abstrakten Beschreibungssprache dabei der notwendige Zwischenschritt auf dem Weg von der Anforderungsdefinition zur Simulation der (Teil-)Systeme. Der PLM-Hersteller hält die Unterstützung von SysML auf Dauer für unerlässlich und ist auf der Suche nach der passenden Lösungsstrategie. Bisher sei die Nachfrage in anderen Bereichen wie Matlab/Simulink oder Modelica deutlich höher, sagt Jockusch.

Handlungsbedarf sieht Jockusch aber vor allem bei der modellbasierten Definition von E/E-Architekturen (Elektrik/Elektronik) und der prozessdurchgängigen Abbildung dieser Funktionssicht auf ein physikalisches Netz mit integrierter Business-Intelligenz, um beispielsweise simulieren zu können, ob ein Feldbussystem mit Messages überladen ist. Mit anderen Worten bei der Funktionalität, die bei vielen Automobilherstellern von einem Tool wie Vector Preevision abgedeckt wird. Es gebe aber auch noch eine Reihe von anderen Herstellern, mit denen wir in Kontakt stehen, sagt Jockusch. Man kann also davon ausgehen, dass Siemens noch die eine oder andere Übernahme tätigen wird.

Vor einigen Monaten erst hat der Konzern den Simulationsspezialisten LMS übernommen, mit dem Ziel, die modellbasierte Systementwicklung besser zu unterstützen und gleichzeitig das Know-how der Firma im Bereich der Logiksimulation zu absorbieren. Die Simulationssoftware Amesim sei im Prinzip ein Wettbewerbsprodukt zu Modelica, das aber nicht auf einer universellen Modelliersprache basiere, erläutert Jockusch: „LMS wollte nicht nur eine Simulationsplattform entwickeln, sondern den Content für die Simulation. Wir bieten Baukästen für bestimmte Industrien, insbesondere die Automobil- und die Flugzeugindustrie, die sehr akkurate Modellbibliotheken für bestimmte Aggregate enthalten - beispielsweise Schaltungen fürs Automobil oder neuerdings sogar einen Hybridantrieb. Sie können die Schaltung auch mit Modelica aufbauen - das hat sogar den Vorteil, dass sie die Modelle in andere Tools laden können. Aber sie haben dort keine validierten Modellbibliotheken.“


Die LMS-Software wird in der Automobilindustrie unter anderem für die Simulation der Fahrdynamik eingesetzt, allerdings meist im Zusammenspiel mit anderen Werkzeugen, wie Jockusch erläutert. Wenn es um die Modellierung und Simulation von Software gehe, führe in der Automobilindustrie kein Weg an Matlab Simulink vorbei. Amesim bietet die Möglichkei

t, Simulink-Daten zu importieren und die Steuerungssoftware zusammen mit dem dynamischen Verhalten der Schaltung und der Fahrzeuggeometrie zu co-simulieren. Diese Technologien werden mit hoher Energie ausgebaut. Parallel dazu verfolgt Siemens Standardisierungsbestrebungen wie den FMI-Standard (Functional Modeling Interface), die laut Jockusch von wichtiger strategischer Bedeutung sind, aber heute noch nicht den Funktionsumfang direkt integrierter Lösungen bieten.

Einfachere Verknüpfung von Objekten

Was wird aus der LMS-Software in Teamcenter einfließen und welchen Vorteil bietet die Integration? In erster Linie die Möglichkeit, die bislang in den Abteilungen liegenden Simulationsdaten zentral zu verwalten und einem konsistenten Lifecycle-Management zu unterwerfen, wie Jockusch betont. Er gibt ein Beispiel: „Sie können mit Amesim heute schon die Slalomfahrt eines Fahrzeugs sehr realitätsnah simulieren, indem sie Hunderte von Parametern spezifizieren. Was sie aber noch nicht können, ist auf Knopfdruck das Modell des Baujahrs 2012 zu laden und durch denselben Parcours zu schicken.“

Eine der großen Herausforderungen bei der Verwaltung der Partialmodelle aus den vielen, verschiedenen SE-Werkzeugen ist die Frage, wie sie mit vertretbarem Aufwand mit anderen Modellen oder Objekten verknüpft werden können. Und wie diese Verknüpfungen anschaulich visualisiert werden können. Mit wachsender Zahl der Anforderungen oder Funktionen ist das Geflecht möglicher Verknüpfungen schon bei einer größeren Baugruppe nicht mehr handhabbar. Um den Pflegeaufwand zu reduzieren, bietet Teamcenter einen relativ simplen Lösungsansatz, der darin besteht, die Objekte nicht direkt miteinander zu verknüpfen, sondern über eine Zwischenstruktur, die sich nicht so dynamisch verändert wie die einzelnen Objekte. Zum Beispiel die Anforderungen mit der Position einer Funktion in der Funktionsstruktur. „Die Zahl der Verknüpfungen nimmt dadurch nicht mehr exponential, sondern nur noch linear zu“, erläutert Jockusch.

Ein anderer, interessanter Ansatz, der kurioserweise aus dem Schiffbau stammt, ist die Zuordnung der Objekte zu bestimmten räumlichen oder thematischen Partitionen, über die sie automatisch miteinander verknüpft sind. Daneben beschäftigt sich Siemens PLM - wie andere Hersteller - natürlich auch mit Ansätzen der automatischen beziehungsweise halbautomatischen Verknüpfung mit Hilfe semantischer Auswertungen. Was die Visualisierung anbelangt, hat man die grafische Darstellungstechnologie von y-works lizenziert und in Teamcenter eingebunden. Sie ermöglicht es, die Verknüpfungen in einem grafischen Baum automatisch in verschiedene Diagramme umzuwandeln und nach bestimmten Kriterien zu ordnen.

Fazit: Siemens PLM ist der PLM-Hersteller mit der längsten Erfahrung auf dem Gebiet des Systems Engineerings, auch wenn die wichtigsten funktionalen Erweiterungen erst in den letzten Jahren unter dem Einfluss der Kunden aus der Automobilindustrie in Teamcenter UA eingeflossen sind. Das gilt insbesondere für das leistungsfähige Konfigurations- und Variantenmanagement. Zu den Besonderleiten der Lösung gehört, dass sie in der Lage ist, auch die eingebettete Software oder die Kalibrierungsdaten im Kontext einer Fahrzeugkonfiguration zu verwalten. Durch die Übernahmen des Simulationsspezialisten LMS hat sich Siemens PLM auf dem Gebiet der modellbasierten Systementwicklung deutlich verstärkt, auch wenn hier noch eine Reihe von Lücken zu schließen sind. -sg-

Michael Wendenburg, Sevilla (www.wendenburg.net)

Siemens PLM Software, Köln, Tel. 0221/20802-0, http://www.siemens.com/plm

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