Produktionssysteme

Mit Akzent auf das Projektmanagement

Die Implementierung von Werkzeugen
und Methoden des (modellbasierten) Systems Engineerings (SE) 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 der deutsche PLM-Anbieter Contact Software diese Herausforderung bewältigt, beschreibt Teil 6 unserer Serie.

Systems Engineerings ist dem Verständnis von Contact Software zufolge ein methodischer Ansatz, um die Entwicklung von großen und/oder sehr komplexen mechatronischen Systemen in ebenso komplexen Umgebungen mit unterschiedlichen Disziplinen beherrschbar zu machen. Grundlage dafür ist die Modellbildung, das heißt die Abbildung des Gesamtsystems in einem abstrakten Systemmodell, das sukzessive in Teilsysteme zerlegt wird, die wiederum in Partialmodellen beschrieben werden. Auch Anforderungen sind letztlich ein solches Modell, weil sie den Versuch darstellen, die Realität in vereinfachter Form abzubilden.

Eine zweite, mindestens ebenso wichtige Dimension des SE ist die prozessorientierte Planung und Steuerung dieser Modellbildung, das heißt die Projektmanagement-Sicht auf das Problem, wie Dr. Jan Kickstein, Leiter Anwendungsentwicklung bei Contact betont. Und Entwicklungsleiter Frank Patz ergänzt: „Der eigentliche Sinn und Zweck des SE ist es ja, die Zusammenarbeit großer Organisationen zu unterstützen, weshalb der Collaboration-Aspekt meines Erachtens im Vordergrund steht. Ein Systemmodell zu haben ist schön und gut, aber man muss auch die Arbeit an diesem Modell organisieren. Für uns als PLM-Anbieter heißt das, dass wir die unterschiedlichen Disziplinen zusammen bringen und ihre Partialmodelle in Beziehung zueinander setzen müssen.“

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Wachsender Bedarf im Mittelstand

Contact beschäftigt sich schon seit einiger Zeit mit dem Thema SE, weil sich seine mittelständisch geprägten Kunden damit beschäftigen. Bedarf besteht vor allem in der Automobilzulieferindustrie, in der das Unternehmen als CAx-neutraler PLM-Hersteller traditionell stark verwurzelt ist. Auch im Maschinen- und Anlagenbau gibt es erste Kunden, die SE als Ansatz entdecken, um ihre Prozesse effizienter zu gestalten und Kosten zu sparen, sagt Kickstein.

„Die Komplexität der Lieferketten ist neben der Produktkomplexität der wichtigste Treiber für SE“, führt Patz weiter aus. „Unsere Kunden werden zunehmend mit den Komplexitätsproblemen der OEM konfrontiert, die sie in ihre Variantensystematik einbinden und ihnen immer mehr Anforderungen aufbürden. Es entstehen auch auf Seiten der Zulieferer Variantenkombinationen, die in dieser Form vielleicht nur einmal gebaut werden und die man virtuell absichern möchte. Mehr noch als das Thema Wiederverwendung steht bei unseren Kunden das Validierungsproblem im Vordergrund. Sie kommen hinten am V-Modell an und sollen etwas validieren, ohne genau zu wissen, was vorne eigentlich der Input war. Natürlich erleichtert eine zuverlässige Validierung auch die Wiederverwendung, aber sie ist nicht der eigentliche Treiber.“

Was die durchgängige Nutzung der Methoden und Werkzeuge des (modellbasierten) SE in den Entwicklungsprozessen angeht, stehen die meisten Kunden noch ziemlich am Anfang. „Wir sehen manchmal wundervolle Doors-Datenbanken mit Tausenden von Anforderungen und einem eigenen Fachbereich, der sich darum kümmert, dass sie OEM-konform behandelt werden. Aber die eigenen Engineering-Disziplinen interessiert das gar nicht - die beziehen ihre Informationen aus anderen Quellen“, erzählt Patz. Es sei deshalb nicht damit getan, irgendwelche Tools für die Systemmodellierung zu implementieren - man müsse die Disziplinen und Fachbereiche erst einmal an die Systemsicht heranführen und den SE-Ansatz in den Prozessen und den Köpfen der Anwender verankern. Insbesondere in denen der Mechanik-Entwickler, die sich manchmal zu Recht fragen, warum sie Funktionen von Bauteilen, die für sie eigentlich selbst erklärend sind, erst einmal in einem abstrakten Modell beschreiben sollen.

Neues Anforderungsmanagement

Contact hat seine Wurzeln im Engineering-Datenmanagement und versteht, wie die Mechanik-Entwickler denken. Der Bremer Softwarehersteller hat aber in den letzten Jahren erhebliche Investitionen getätigt, um aus dem angestammten Engineering-Umfeld herauszuwachsen und den gesamten Produktentstehungsprozess (PEP) mit allen in der Entwicklung angewandten Methoden (einschließlich SE) optimal zu unterstützen. „Unser Anspruch ist es, sowohl das Gesamtprodukt, als auch das komplette Produktportfolio zu verwalten und alle damit zusammen hängenden Prozesse zu steuern“, betont Patz. „Bei vielen unserer Kunden laufen heute schon die Daten aus Elektronik, Elektrik, Software und Mechanik in CIM Database zusammen. Das ist ja der erste Schritt in Richtung SE.“

Im Unterschied zu manchem größeren Mitbewerber, der seine SE-Kompetenz durch Firmenübernahmen ausbaut, erweitert Contact seine PLM-Plattform aus eigener Kraft um SE-Werkzeuge und -Funktionen. Oder vielleicht sollte man sagen, weitgehend aus eigener Kraft, denn man arbeitet bei der Software-Entwicklung oft mit renommierten Forschungsinstituten zusammen oder beteiligt sich an größeren Forschungsvorhaben. Zu den jüngsten Erweiterungen, die Contact unter dem Namen Virtual Product bündelt, gehören die Module für das Anforderungsmanagement und die Funktionsmodellierung. Sie erlauben es, Anforderungen PLM-gestützt zu erfassen und geltungssicher durch Prozesse wie das Änderungsmanagement zu schleusen; zum anderen können Funktionen von Teilsystemen damit direkt in CIM Database modelliert werden. Das innovative Konzept für das Anforderungsmanagement-Modul, das großen Wert auf eine intuitive Handhabung legt, entwickelte die Firma gemeinsam mit dem Virtual Vehicle Research Center (ViF) in Graz (www.vif.tugraz.at)

Dank der neuen Komponenten-Architektur von CIM Database, die mit der Version 10 eingeführt wurde, können solche Innovationen schnell umgesetzt werden. Die Architektur trennt fein säuberlich zwischen der Technologie-Plattfom, die grundlegende Dienste und Funktionen bereitstellt, den Anwendungsmodulen und den kundenspezifischen Anpassungen beziehungsweise Erweiterungen. Die Release-Zyklen der einzelnen Komponenten sind unabhängig voneinander und von dem der Plattform, wie Patz erläutert: „Dadurch können wir neue Module und Funktionen für Anwendungsbereiche mit einem hohen Innovationsbedarf wie zum Beispiel SE schneller vom Forschungs- und Prototypenstadium zu einem serienreifen Produkt entwickeln.“

Übergreifendes Informationsmodell

Ein wichtiger Bestandteil der SE-Umgebung ist die integrierte Projektmanagement-Anwendung Project Office, die auch stand-alone einsetzbar ist. Sie steuert den Prozess der Anforderungserfüllung, indem man die Anforderungen mit dem Projektplan beziehungsweise den im Projektplan definierten Meilensteinen verknüpft. Warum diese Dimension so wichtig ist, erläutert Jan Kickstein: „Bei der Systementwicklung gibt es nicht ein V-Modell, sondern eine Vielzahl von V-Modellen, denn ein System besteht aus vielen Teilsystemen, an deren Entwicklung mehrere Partner beteiligt sind. Hinzu kommt die zeitliche Dimension, das heißt die V-Modelle werden nicht einmal, sondern in einem iterativen Prozess mehrfach durchlaufen. Zu koordinieren, wer wann welche Anforderungen umsetzen und validieren muss, ist die vorrangige Aufgabe von PLM und erfordert ein leistungsfähiges Projektmanagement.“

Nach Auffassung von Contact muss eine PLM-Lösung in der Lage sein, die Zerlegung komplexer Produkte in Teilsysteme zu organisieren und ihre Beziehungen zu verwalten, weil das die Basis für das Konfigurationsmanagement ist. Sie muss nicht nur die Partialmodelle aller Disziplinen verwalten können, sondern zum Beispiel auch wissen, welche Version eines CAD-Modells der Berechnungsexperte vereinfacht und durch den Solver geschickt hat, das heißt welches Berechnungsmodell und welche Ergebnisse zu welchem Versionsstand des CAD-Modells gehören. „Dafür benötigen wir in CIM Database ein übergreifenden Informationsmodell, das die Partialmodelle zusammenhält und bei Bedarf bestimmte Informationen aus ihnen herauszieht und anderen Partialmodellen zur Verfügung stellt“, sagt Patz, der dieses gemeinsame Informationsmodell als Ontologie bezeichnet.

Anforderungen und Funktionen sind neben den Komponenten die wesentlichen Elemente oder Entitäten dieses übergreifenden Informationsmodells, das unterschiedliche Möglichkeiten bietet, ein System mit seinen Partialmodellen zu strukturieren. Man kann dafür eine Funktions- oder Anforderungsstruktur nutzen, muss dies aber nicht tun, wie Patz erläutert. „Unsere PLM-Software erlaubt es, Teilmodelle aufzubauen, ohne dass die anderen vorhanden sein müssen. Das macht die Flexibilität unserer Lösung aus.“ Eine weitere Möglichkeit der Strukturierung ist das so genannte Variabilitätsmodell, das Produktmerkmale und Eigenschaften mit bestimmten Regeln kombiniert. Bei variantenreichen Produkten bietet es sehr mächtige Funktionen, um andere Teilmodelle zu konfigurieren beispielsweise eine Komponenten-Stückliste, aber auch ein Funktionsmodell.

Die Verknüpfung der Elemente des Informationsmodells untereinander, beispielsweise einer Anforderung mit einer Komponente, aber auch mit den Partialmodellen oder einem kompletten Workspace ist ein weitgehend händischer Prozess. CIM Database unterstützt den Aufbau des Beziehungsgeflechts durch eine Strukturmatrix, in der zwei Modelle nebeneinander geöffnet werden können, um die Verlinkung zu modellieren. Wenn die Anwender in ihren Autorenwerkzeugen bereits entsprechende Beziehungen hergestellt haben, können diese Informationen natürlich über eine Schnittstelle ausgelesen werden. Das sei aber heute noch eher die Ausnahme, sagt Patz. „Das Beziehungswissen automatisch beziehungsweise synthetisch zu erzeugen ist schwierig. Man braucht mindestens eine ungeordnete Ausgangsmenge, die man analysieren kann. Das Material dafür müssen die Anwender bereitstellen, indem sie ihr Wissen externalisieren.“

Forschung als Motor der Innovation

Die Bremer nehmen nicht für sich in Anspruch, Anforderungsmodelle besser als mit anderen Systemen erstellen zu können. „Wir können Anforderungen aber sehr gut in die PLM-Umgebung übernehmen und im Prozess mitführen“, sagt Kickstein. Im Rahmen des Forschungsprojekts Adistra (Adaptierbares Instrumentarium für die strategische Produktplanung) entwickelt der Softwarehersteller gerade eine ReqIF-Schnittstelle, die es erlauben wird, Anforderungen standardbasiert aus Doors oder anderen Autorenwerkzeugen in CIM Database zu importieren beziehungsweise sie wieder zu exportieren. Ziel des Verbundprojekts unter Führung des Heinz-Nixdorf-Instituts (HNI) in Paderborn (www.hni.uni-paderborn.de/pe) ist es, die strategische Produktplanung und die Frühphase der Produktentwicklung besser zu verzahnen. Das Anforderungsmanagement spielt dabei eine wichtige Rolle.


Abgesehen von der ReqIF-Schnittstelle bietet CIM Database noch keine Standardintegrationen zu gängigen Autorenwerkzeugen für die Systemmodellierung und -simulation. Das hängt unter anderem damit zusammen, dass die Kunden vielfach noch gar nicht wissen, welche Informationen aus den Partialmodellen sie mit ihrem Referenzmodell in PLM synchronisieren wollen. „Wenn wir nur mal die Elemente nehmen, die man in SysML verwenden kann, dann stellt sich beispielsweise die Frage, ob die einzelnen Elemente einer Verhaltensmodellierung etwas im PLM zu suchen haben“, sagt Kickstein. „Und auch bei anderen Elementen wäre zu überlegen, in welcher Informationstiefe man sie wo benötigt. Einen Doors-Katalog mit 17.000 Anforderungen würde wohl niemand komplett in einen SysML-Editor laden, um die Anforderungen dort mit Funktionen oder anderen Systemelementen zu verknüpfen.“

Modellverwaltung mit Workspaces

Gerade was die Nutzung der Modelliersprache SysML anbelangt, gibt es nach Einschätzung von Kickstein und Patz noch viel Klärungsbedarf. Aus diesem Grunde beteiligt sich Contact an dem kürzlich vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) genehmigten Forschungsprojekt mecPro (Modellbasierter Entwicklungsprozess cybertronischer Produkte und Produktionssysteme). In dem Verbundprojekt gehen namhafte Industrieunternehmen, Hochschulen und Softwarehersteller gemeinsam der Frage auf den Grund, wie die Ergebnisse des modellbasierten SE in PLM integriert werden sollen. Koordiniert wird das Projekt übrigens vom Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung (VPE) der TU Kaiserslautern, der von Prof. Dr. Martin Eigner geleitet

wird.

Auch ohne Direktschnittstellen ist CIM Database dank der Workspaces-Technologie in der Lage, Partialmodelle aus Autorensystemen wie Modelica oder Simulink in den PLM-Kontext zu integrieren und im Prozess geltungsgesichert bereit zu stellen, so dass sie von unterschiedlichen Disziplinen genutzt werden können. „Darin sind wir einzigartig“, versichert Patz. Man kann Modelica-Modelle beispielsweise zusammen mit den Symbol-Engines, die für ihre korrekte Interpretation erforderlich sind, in einem Workspace ablegen. Allerdings handelt es sich dabei um eine rein dokumentenbasierte Verwaltung, ohne die Möglichkeit, auf die Binnenstruktur beziehungsweise bestimmte Detailinformationen in den Modellen zuzugreifen. Dazu sind dann spezielle Schnittstellen erforderlich, die zu entwickeln laut Kickstein aber nicht schwierig ist, zumal Contact auf diesem Gebiet jahrelange Erfahrung hat.

„Schnittstellen zwischen irgendwelchen SE-Tools zu bauen, ist wirklich kein Thema, wenn man erst einmal weiß, welche Informationen man in seinem Hub haben möchte und wie man an die Informationen rankommt“, sekundiert Patz. Letzteres sei jedoch mehr eine politische als eine technische Herausforderung. Auch im SE-Umfeld seien viele Standardisierungsinitiativen nur entstanden, weil sich ein marktbeherrschender Anbieter geweigert habe, Schnittstellen zu seinem System zuzulassen. Als CAx-neutraler PLM-Hersteller war Contact immer schon ein Verfechter offener IT-Systeme. Die Firma ist Mitglied des CPO Core Teams, das sich dafür einsetzt, den Ende 2011 verabschiedeten Codex of PLM Openness (CPO) in verbindliche Anforderungen für die Industrie umzusetzen.

Die Workspaces-Technologie wurde entwickelt, um die Teilprozesse der Modellerstellung in der Mechanik- und Elektrik/Elektronik-Entwicklung in der Frühphase optimal zu unterstützen. Für den Work in Progress in der Softwareentwicklung beziehungsweise das Sourcecode-Datenmanagement, das aufgrund der feinen Granularität der Arbeitsergebnisse und der hohen Änderungsfrequenz nicht mit den normalen PLM-Funktionen für Versions- und Änderungsmanagement bewältigt werden kann, bietet Contact Schnittstellen zu bewährten Lösungen. Beispielsweise zu der quelloffenen Software Subversion (SVN), die auch intern für die Verwaltung der Software-Versionsstände eingesetzt wird. Man kann auch Clearcase oder andere Werkzeuge an CIM Database anbinden.

Für die Validierung beziehungsweise das Testcase-Management von Anforderungen stellt CIM Database derzeit noch keine eigenen Werkzeuge zur Verfügung - ihre Entwicklung ist allerdings geplant. Das Informationsmodell um Entitäten wie Use Cases beziehungsweise Testfälle oder Testergebnisse zu erweitern, sei kein großer Akt, sagt Kickstein. „Es gibt da auch schon einen Prototypen, den wir erst einmal für den Hausgebrauch in die Lösung einbauen werden. Dank der Komponenten-Architektur ist er dann auch schnell im Portfolio.“

Fazit: Eine ausbaufähige SE-Plattform

Als mittelständischer PLM-Hersteller bietet Contact mit CIM Database eine umfassende Plattform zur Unterstützung der interdisziplinären Systementwicklung, die zwar noch nicht alle Anforderungen des SE-Prozesses abdeckt, sich aber hinter den entsprechenden Lösungen der internationalen Mitbewerber nicht zu verstecken braucht. Zu ihren besonderen Leistungsmerkmalen gehören die integrierte Projektmanagement-Anwendung Project Office und die Workspaces-Technologie, die es erlaubt, die Partialmodelle der verschiedenen Disziplinen sehr einfach in den Prozess einzusteuern. Die offene Komponenten-Architektur der Lösung beschleunigt nicht nur die Markteinführung von eigenen, neuen SE-Modulen, sondern erleichtert auch die Einbindung von Werkzeugen und Anwendungen anderer Hersteller. Ein White Paper zum Thema Systems Engineering und PLM steht unter http://www.contact-software.com/de/info-service/white-paper.html zum Download bereit. -sg-


Michael Wendenburg, Sevilla (www.wendenburg.net)

Contact Software GmbH, Bremen, Tel. 0421/20153-0, http://www.contact.de

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