Produktionssysteme

Start mit Doppelstrategie

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. Die müssen nämlich entscheiden, welche SE-Werkzeuge und -Funktionen sie wie in ihre Lösungen einbinden. Wie PTC mit dieser Herausforderung umgeht, beschreibt Teil 5 unserer Serie.


PTC hat die wachsende Bedeutung des Systems Engineering (SE) im Sinne eines interdisziplinären Entwicklungsansatzes für komplexe mechatronische beziehungsweise cybertronische (d.h. miteinander vernetzte) Systeme früh erkannt und entsprechende Weichenstellungen vorgenommen. Die vielleicht wichtigste war vor knapp zwei Jahren die Übernahme der Firma MKS, die Software für das Application Lifecycle Management (ALM) entwickelte. MKS Integrity ist kein Autorensystem, sondern eine Art PLM-Lösung für die Entwicklung von Produkten mit einem hohen Software-Anteil - sie steuert die damit verbundenen Tätigkeiten und verwaltet die Ergebnisse. Durch die Kombination von Anforderungsmanagement und anderen Integrity-Bestandteilen mit der PLM-Lösung Windchill will PTC ein integriertes Lösungsportfolio für die interdisziplinäre Hard- und Software-Entwicklung schaffen.

„Systems Engineering ist unserem Verständnis nach mehr als Engineering the System, bei dem sich ein Systems Projektmanager darauf konzentriert, dass die Software rechtzeitig mit der Hardware ausgeliefert wird“, sagt Andrew Wertkin, früherer CTO (Chief Technology Officer) von MKS und heute bei PTC als CTO für die Entwicklung der produktübergreifenden Plattform-Strategie verantwortlich. „Es geht um die Frage, wie wir das System überhaupt bauen wollen. Es geht um die Analyse der Arbeitsfortschritte der einzelnen Disziplinen, die wir für die Verifikation und Validierung wieder zusammenbringen müssen. Überlappt wird das Ganze vom Änderungsmanagement auf Systemebene und auf der Ebene der einzelnen Komponenten, um die Schnittstellen zwischen den Komponenten und die Abstimmungspunkte zu verstehen.“

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Wesentliche Treiber für viele SE-Initiativen in der Industrie sind laut Wertkin die wachsende Komplexität der Produkte und der Wunsch der Kunden, die Zahl der Produktplattformen zu reduzieren, indem sie die Varianz später und kostengünstiger über Software in die Produkte einbringen. Das Problem sei jedoch, dass viele Unternehmen noch sehr abgekapselte Produktentwicklungsteams hätten und deshalb nicht in der Lage seien, Plattformen wieder zu verwenden und die Produkte darauf aufzubauen. „Deshalb reicht es nicht aus, ein paar zusätzliche SE-Werkzeuge einzuführen und entsprechend gut ausgebildete Leute einzustellen - die Unternehmen und insbesondere ihre Mechanikentwickler müssen lernen, in Systemen zu denken und geeignete Plattformen zu schaffen. Grundlage dafür ist der modellbasierte SE-Ansatz.“

Integration an der Oberfläche

PTC adressiert die Anforderungen an ein integriertes Lifecycle-Management für mechatronische Systeme mit einem „Doppelpack“, bestehend aus Windchill und Integrity. Die ALM-Lösung beziehungsweise wesentliche Bestandteile davon sind in diesem Lösungsverbund für das Anforderungsmanagement verantwortlich und steuert die Abwicklung der Software-Entwicklungsprojekte, insbesondere das anspruchsvolle (Sub-)Versionsmanagement, während Windchill die Bearbeitung der Anforderungen mit den disziplinenspezifischen Werkzeugen für Mechanik und Elektrik/Elektronik (E/E) unterstützt. Außerdem kontrolliert die PLM-Lösung die Zusammenführung aller Systemkomponenten, einschließlich der freigegebenen Software, in einer gemeinsamen Stückliste (BOM) und steuert auf dieser Basis auch das Konfigurations- und Änderungs-Management über den weiteren Produktlebenszyklus.

Die Verbundlösung basiert auf zwei relativ eigenständigen Anwendungen mit unabhängigen Datenmodellen, die über SOA-basierte Diensten so nahtlos integriert sind, dass Kernprozesse wie Konfigurations- und Change-Management prozessdurchgängig und systemübergreifend unterstützt werden können. So kann beispielsweise das Bauteil, das eine bestimmte Anforderung erfüllt, in Windchill liegen, während Integrity die Informationen zu dem dazu gehörigen Test verwaltet: „Aus Sicht der Architektur und des Datenmodells mögen Windchill und Integrity zwei unterschiedliche Anwendungen sein. Aus Benutzersicht handelt es sich jedoch um eine einheitliche Umgebung, in der er transparent mit Informationen aus beiden Systemen interagieren kann“, erläutert Derek N. Piette, der bei PTC aus der PLM- in die ALM-Fraktion gewechselt ist und sich dort um die Lösung für Systems Requirement and Validation kümmert.

Die Doppelstrategie von PTC sieht derzeit nicht vor, beide Plattformen auf der Basis eines einheitlichen Datenmodells vollständig miteinander zu verschmelzen. „Wir benötigen einen flexiblen Ansatz, der es unseren Kunden erlaubt, mit einer Anwendung zu starten und sie um eine andere zu ergänzen oder Anwendungen auszutauschen. Dafür ist ein standardbasiertes Integrationskonzept bessert geeignet“, führt Piette weiter aus und Wertkin ergänzt: „Es wird kein einheitliches Datenmodell geben können, weil es sich um zwei Datensätze mit unterschiedlicher Semantik, unterschiedlichen Objekten und unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich Revisionierung und Änderungsmanagement handelt. Wir stellen uns eine modulare Systemarchitektur vor, in der Windchill und Integrity unter einer einheitlichen Oberfläche ein Paket von Diensten bereitstellen, die miteinander kommunizieren.“

Keine eigenen MBSE-Tools

Nach den Plänen von PTC sollen die Informationen den Anwendern transparent in einer Art Dashboard bereitgestellt werden, so dass sie sich keine Gedanken darüber zu machen brauchen, in welcher Anwendung sich welche Informationen befinden. Ein graphischer Navigator erleichtert die Visualisierung des komplexen Netzwerks von Informationen und Abhängigkeiten. Dieses Dashboard für die systemübergreifende Navigation ist allerdings derzeit noch in der Entwicklung.

Ungeachtet der wachsenden Bedeutung des Model-based systems engineering (MBSE) wird PTC (vorerst) keine eigenen Werkzeuge für die funktionale und logische Systemmodellierung oder die Simulation der Systemfunktionen entwickeln. Die Strategie des Unternehmens zielt darauf ab, die vorhandenen Werkzeuge besser in die PLM-Plattform(en) und -Prozesse zu integrieren, wie Wertkin betont: „Unsere Kunden kämpfen nicht damit, die richtigen Werkzeuge zu finden, sondern damit, die mit ihnen erzeugten Artefakte in einer konsistenten Weise zu nutzen, das heißt ihren Lebenszyklus zu verfolgen, Änderungen zu managen et cetera. Um die SE-Modelle wiederverwenden zu können, reichen Copy & Paste nicht aus; sie müssen der Kontrolle des Änderungsmanagements unterstellt werden.“

Gerade für die Simulation gebe es heute schon leistungsfähige und gut etablierte Werkzeuge wie Modelica, das bei Mechanikentwicklern sehr beliebt sei, Matlab und Simulink von Mathworks oder Vector Preevision für die Elektrik/Elektronik-Entwicklung (E/E) im Automotive-Bereich, führt Wertkin weiter aus. „Es wäre unsinnig, eine etablierte Software wie Simulink ersetzen zu wollen. Unser Geschäft ist es, die Modelle aus Simulink zu einem Bestandteil des PLM-Backbones zu machen und dafür zu sorgen, dass Änderungen und ihre Auswirkungen gerade beim Austausch der SE-Artefakte nachvollziehbar bleiben.“

Wertkin sagt allerdings auch, dass die Strategie im Fluss sei. Es ist nicht auszuschließen, dass PTC seine aus zahlreichen Puzzlesteinen bestehende SE-Landschaft weiter vervollständigt, sei es durch eigene Entwicklungen, Übernahmen, oder durch Partneranwendungen. Handlungsbedarf besteht beispielsweise im Bereich der Funktionsmodellierung - hier drängen wichtige Kunden aus Automobilindustrie, Luftfahrt und Verteidigungsindustrie auf eine Antwort, wie Piette einräumt.

Offenheit und Interoperabilität

Nach Überzeugung von PTC kann es für das SE aufgrund der heterogenen IT-Landschaften in den Unternehmen aber keine Komplettlösung aus einem Guss eines Herstellers geben, sondern allenfalls Integrationslösungen, in denen selbst PLM immer nur ein (wenn auch wichtiger) Bestandteil sein wird. Offenheit und die Unterstützung offener Standards seien dafür unabdingbare Bedingungen, meint Wertkin. PTC habe deshalb als einer der ersten PLM-Hersteller den vom Prostep iViP-Verein gemeinsam mit führenden Automobilherstellern initiierten Codex of PLM Openess (CPO) unterzeichnet und beteilige sich aktiv an anderen Normierungsaktivitäten – beispielsweise bei den Organisationen OMG (www.omg.org) und ASAM (www.asam.net), sowie bei der Entwicklung eines einheitlichen Requirements Interchange Formats (reqIF),

Die Kunden erwarten eine Lösung, die sich in ihre bestehende Systemlandschaft einfügt, betont Wertkin. PTC arbeitet deshalb mit allen namhaften Herstellern von Modellierwerkzeugen zusammen, um ihre Interoperabilität zu gewährleisten. Das ist schwierig genug, denn es geht nicht nur darum, die Ergebnisse zu verknüpfen, sondern auch ihre Qualität sicherzustellen: „Wir müssen dokumentieren, warum wir ein bestimmtes Modell erzeugt haben, was wir damit eigentlich simulieren wollten und was wir tun, wenn sich der physische Prototyp nachher nicht so verhält, wie vorher gesagt“, erläutert Wertkin. „Wenn wir den Regelkreis nicht schließen, vererben sich bei der Wiederverwendung funktionaler oder logischen Modelle auch die Fehler weiter.“

Eine der Schwierigkeiten bei der Integration der modellbasierten Techniken in PLM sind neben der Vielzahl und Heterogenität der Werkzeuge, die zum Teil über eigene Datenmanagement-Tools verfügen, die fehlenden Standards für den Modellaustausch. Für kritische Anwendungen wie Simulink oder einige SysML-Editoren, die bei vielen PTC-Kunden im Einsatz sind, nutzt der Hersteller proprietäre Schnittstellen zu Integrity. Sie bieten laut Wertkin ziemlich leistungsfähige Möglichkeiten, um Anforderungen mit Modellen zu verknüpfen und die einzelnen Attribute bei Änderungen zu synchronisieren beziehungsweise in der Modellierumgebung zu erkennen, welche Änderungen an den Anforderungen anstehen.

Erfassung der Anforderungen

Zu Modelica beziehungsweise Modelica-basierten Werkzeugen gibt es derzeit noch keine so tiefe Integration. Das Problem sei, dass es gerade bei Modelica nicht ausreiche, einfach nur die Modelle zu speichern, sagt Wertkin. „Wenn man sie mit unterschiedlichen Symbol-Engines beziehungsweise unterschiedlichen Versionen derselben Engine interpretiert, könnten die Ergebnisse abweichen. Man muss also nicht nur die Arbeitsergebnisse, sondern auch die Werkzeugkette managen, um die Nachvollziehbarkeit zu gewährleisten.“ PTC unterstützt die Integration anderer, domainspezifischen Anwendungen durch eine offene Programmierschnittstelle und setzt im übrigen auf Third-Party-Anbieter wie Sodius, die spezielle Toolkits und Work Benches für die Modellkonvertierung zwischen verschiedenen Anwendungen anbieten.

Die Erfassung der Anforderungen und ihre Abbildung in einer entsprechenden Systemarchitektur ist nach Überzeugung von PTC das Fundament des Systems Engineering. Was nicht korrekt beschrieben ist, kann zwar korrekt getestet und umgesetzt werden, führt aber nicht zum gewünschten Ergebnis. Dank der Übernahme von Integrity verfügt das Unternehmen über ein eigenes, leistungsfähiges Softwaremodul für das Requirements Engineering, das nicht nur die Erfassung von Anforderungen mit den dazu gehörigen Testfällen und Testresultaten durchgängig rückverfolgbar verknüpft, sondern auch in der Lage ist, Anforderungen aus Doors zu managen und bi-derektional zu synchronisieren. Mit Doors Next wird diese Synchronisation mithilfe der ReqIF Schnittstelle erfolgen. Desweiteren wird innerhalb Integrity die Rückverfolgung und Synchronisation von Anforderungstexten mit SysML modellierten Anforderungselementen ermöglicht. Zukünftig sollen auch Anforderungen zwischen Integrity und SysML-Editoren ausgetauscht werden können.

Ergänzt um einige Features aus Windchill und mit einem erweitertem Datenmodell ersetzt das Anforderungsmanagement aus Integrity die bestehende Funktionalität der PLM-Lösung. Allerdings ist es nicht vollständig integriert, sondern fungiert als gemeinsames Modul für beide Systemwelten: „Die Informationen können sowohl in Integrity, als auch in Windchill visualisiert werden“, erläutert Piette, „aber ich brauche nicht notwendigerweise alle Anforderungen im PLM. Das hängt letztlich davon ab, welches Use Case-Modell ich für die Nachvollziehbarkeit definiert habe. Software-relevante Anforderungen verbleiben normalerweise in der ALM-Umgebung.“

Analog zum Vorgehensmodell bei der Softwareentwicklung wird das System zunächst über alle Disziplinen integral betrachtet, um es dann in Systemkomponenten und Arbeitspakete für die unterschiedlichen Disziplinen zu unterteilen, die umgesetzt und anschließend wieder zusammengeführt werden. Die disziplinbezogenen Aktivitäten laufen weiter abgekapselt ab, werden aber über die gemeinsame Systemkonfigurationsschicht der PLM-Lösung in strukturierter Form zusammen gehalten, mit dem Ziel, Tests auf Systemebene möglichst früh und zuverlässig im Prozess durchführen zu können. Wichtig für die Absicherung der Systemarchitektur ist die Definition von entsprechenden Test Cases, die mit den Anforderungen verknüpft werden und über den gesamten Lebenszyklus mit ihnen verknüpft bleiben.

Integrity ergänzt Windchill um Werkzeuge für Test-Management und Validierung, die laut Piette für das SE ebenso wichtig sind wie das Anforderungsmanagement und ein maßgeblicher Grund für die Übernahme der Software waren: „Validierung ist nach unserem Verständnis mehr als Test - es kann Hardware in the Loop- oder Software-basierte Simulationen umfassen. Das heißt mit anderen Worten, dass Integrity unsere primäre Anwendung für die gesamte obere Ebene des V-Modells darstellt.“

Die in Integrity definierten oder importierten Anforderungen stellen gewissermaßen die Klammer zwischen den verschiedenen SE-Artefakten und letztlich auch zwischen ihnen und den disziplinenspezifischen Modellen (CAD oderCAE) dar. Piette geht nicht davon aus, dass es irgendwann einmal möglich sein wird, Modelle einer höheren Abstraktionsebene - zum Beispiel eine Systembeschreibung in SysML - in Modelica oder gar ein CAD-Modell zu transformieren. Das heißt, sie müssen über die Anforderungsstrukturen miteinander verknüpft werden, um die Zusammenhänge transparent zu machen. Dies in einer intelligenten Art zu tun, die sich die semantischen Informationen und bestimmte Regeln zunutze macht, ist eine der vielen offenen Baustellen - nicht nur bei PTC, sondern bei allen PLM-Anbietern. Oder wie Piette sich ausdrückte: „Die Elemente manuell zu verlinken, kann nicht der Weisheit letzter Schluss sein. Das ist der Arme-Leute-Ansatz.“

Fazit: Es gibt viel zu integrieren

PTC hat die Bedeutung des SE frühzeitig erkannt und durch Übernahme der ALM-Lösung Integrity von MKS die Grundlage für eine Integrationslösung geschaffen, die eine interdisziplinäre Entwicklung von Hardware und Software unterstützt. Von der Architektur her handelt es sich um zwei eigenständige Anwendungen, die über SOA-basierte Dienste integriert sind, so dass Informationen den Kernprozessen wie dem Änderungsmanagement systemübergreifend bereitgestellt werden können.

Die Pläne von PTC sehen vor, beide Anwendungen funktional zu erweitern und sie noch stärker zu modularisieren. Zu den Kernfunktionen der Integrationslösung gehört das Anforderungs- und Test-Management, das nach dem Verständnis von PTC die Grundlage des SE bildet. Eigene Werkzeuge für die modellbasierte Systementwicklung will das Unternehmen vorerst nicht anbieten, sondern sich im Wesentlichen darauf konzentrieren, die bestehenden Werkzeuge anderer Anbieter in die PLM- beziehungsweise die ALM-Lösung zu integrieren und ihre Interoperabilität zu gewährleisten. -sg-

Michael Wendenburg, Sevilla (www.wendenburg.net)

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