Smart Industry

Integrierte Struktur-Verwaltung für das PLM

Dr.-Ing. Stefan Schulte, Dr.-Ing. Alexander Stekolschik, Duisburg

Die Produkt- und Prozesskomplexität im Maschinen- und Anlagenbau steigt täglich, nicht zuletzt bedingt durch stärkere Kundenorientierung und Individualisierung der kundenspezifischen Gesamtlösung. Zudem erfordern steigende Qualitätsansprüche und verkürzte Lieferzeiten durchgängige Prozesse mit hoher Prozesssicherheit. Produktqualität und -komplexität werden neben dem Konstruktions-Know-how durch die Struktur des Produktes bestimmt. Der in Duisburg beheimatete Geschäftsbereich Oil & Gas Division der Siemens AG hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, eine Lösung zur integrierten Verwaltung aller Produktstrukturen im gesamten Produktlebenszyklus zu entwickeln. Es entstand eine Tool- sowie durchgängige Prozesslandschaft, die einen bedeutenden Baustein der PLM-Strategie darstellt und permanent weiterentwickelt wird.

Der Produktentstehungsprozess bis hin zur Markteinführung und Serviceabwicklung hat sich in den vergangenen Jahren wesentlich verändert. Heute sind hier ganz unterschiedliche Unternehmensbereiche sowie Kunden und Zulieferer an der Strukturentstehung und -verwaltung beteiligt. Dabei unterscheiden sich diese verschiedenen Strukturen durch Inhalt, Detaillierung und Tiefe. Die Entstehung dieser Strukturen folgt dabei nicht zwingend einem streng sequentiellen Ablauf. Vielmehr entstehen Strukturen iterativ und aufbauend auf jeweils anderen Strukturen (zum Beispiel Ersatzteilstrukturen basierend auf Teilestücklisten).

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Um die Zusammenarbeit über die Unternehmensgrenzen hinweg zu ermöglichen, besteht der Bedarf, ganze Strukturen oder Teilstrukturinformationen flexibel im Produktlebenszyklus abzubilden. Ein Austausch folgt einerseits fest definierten Prozessen wie beispielsweise der Austausch von Konstruktionsstücklisten zwischen Auftrags-Engineering und Logistik. Andererseits müssen ad hoc Strukturen zugänglich sein, wie etwa Designstrukturen im Service-Fall. Insbesondere die erfolgreiche Zusammenarbeit verschiedener Engineering-Disziplinen wie Mechanik, Elektrik/Elektronik, Prozess-/Verfahrenstechnik oder Software ist von der Verfügbarkeit aller Strukturinformationen abhängig.

Beim Austausch von Strukturinformationen ist elementar, dass die ausgetauschten Strukturteile stimmig sind, zum Beispiel Anforderungsstrukturen passend zu Designstrukturen, Kostenstrukturen passend zu Teilestrukturen et cetera. Allerdings ist die händische Zuordnung von komplexen Elementen und Knoten unterschiedlicher Strukturen im täglichen Geschäft kaum praktikabel.

Hieraus ergibt sich der Bedarf einer integrierten Struktur-Verwaltung im gesamten Produktlebenszyklus mit folgenden Anforderungen: Durchgängige Verfügbarkeit aller Strukturen des Produktlebenszyklus, Integration interdisziplinärer Engineering-Strukturen, Abbildung von Beziehungen zwischen Elementen und Knoten unterschiedlicher Strukturen auf verschiedenen Detaillierungsstufen, durchgängige Konsistenz und Fehlerfreiheit der Strukturen und eindeutige Versionierung und Statusangabe im gesamten Lebenslauf.

Integrierte Struktur-Verwaltung für das PLM

Bisher erfolgte die Pflege und Verteilung von Strukturen in Form von klassischen Stücklisten. Sie dienten als zentraler Informationsträger im Unternehmen für Strukturen, wobei sie vornehmlich Teile- und Dokumentstrukturen beinhalteten. Andere Strukturinformationen wurden in lokalen Listen, Datenbanken oder nur in Papierform gepflegt. Herkömmliche Stücklisten sind in der Abbildung interdisziplinärer Information (zum Beispiel Kundenanforderungen, Kosten oder Funktionsbeschreibungen, Design-Strukturen) und deren Beziehungen zueinander stark eingeschränkt. Zudem lassen sie in den wenigsten Fällen die Erzeugung anwendungspezifischer Sichten zu, um beispielsweise Strukturinformationen in entsprechendem Anwendungskontext herauszufiltern. Zudem sind Stücklisten überwiegend werks- und damit fertigungsspezifisch aufgebaut, was sie für die verteilte, multiple Strukturverwaltung eines global agierenden Unternehmens nahezu unbrauchbar macht.

Durchgängige Prozesslandschaft

Das in Duisburg beheimatete Verdichtergeschäft der Oil & Gas Division der Siemens AG hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, eine Lösung zur integrierten Verwaltung aller Produktstrukturen im gesamten Produktlebenszyklus zu entwickeln. Zur Umsetzung dieser Lösung hat der Konzern in Duisburg eine entsprechende Tool- sowie durchgängige Prozesslandschaft aufgebaut. Die Hauptbestandteile dieser Umgebung sind Teamcenter (PDM) für das Engineering vor der Konstruktionsfreigabe, SAP für die ERP-Logistikumgebung und NX als Authorsystem für die 3D-Konstruktion (CAD/Piping) beziehungsweise NC-Programmierung (CAM). Diese Systeme sind entweder direkt integriert (NX in Teamcenter) oder flexibel über eine prozessbezogene Schnittstelle verbunden (Teamcenter und SAP über T4S-Interface).

Würde man versuchen, alle Beziehungen zwischen Elementen beziehungsweise Knoten unterschiedlicher Strukturen abzubilden, entstünde ein unüberschaubares und nicht handhabbares Beziehungsnetz. Kern dieses Lösungsansatzes sind daher die prozessseitige Etablierung und die technische Implementierung von „Führungsstrukturen“. Diese dienen als Referenzstruktur und sind im gesamten Produktlebenszyklus und den beteiligten Unternehmensbereichen gültig. Führungsstrukturen orientieren sich am logischen Aufbau des Produkts, berücksichtigen jedoch auch Projektabwicklungsabläufe sowie logistische Prozesse. Sie beinhalten hierarchisch angeordnete Strukturelemente und Knoten, die eindeutig über eine ID gekennzeichnet sind.

Die IT-technische Umsetzung der Führungsstruktur in der jeweiligen CAD-, PDM- oder ERP-Anwendung variiert: Sie reicht von einfachen Ordner-Strukturen in Teamcenter bis hin zu komplexen Logistiknetzen in SAP, zeichnet sich jedoch immer grundsätzlich durch die gleiche grundlegende Struktur und eindeutige Identifizierbarkeit ihrer Strukturelemente aus. Da Oil & Gas Division über eine breite Produktpalette verfügt, wird für jeden Produkttyp (Turbinentyp, Verdichtertyp etc.) eine fest definierte Führungsstruktur eingerichtet.

Verkettete Strukturen

Die Funktionsweise der Führungsstrukturen ist einfach wie wirkungsvoll: In jeder Phase des Produktlebenszyklus werden einzelne Bereiche oder Elemente wie etwa Anforderungen, Teile, Dokumente oder terminliche Projektphasen der jeweiligen anwendungsspezifischen Struktur (zum Beispiel Anforderungs-, Teile- oder Abwicklungsstruktur) mit einem Element der Führungsstruktur verknüpft. Dies kann im einfachsten Fall in Form von Kopiervorgängen per Hand oder auch durch fest im System verankerte Automatismen und Funktionen erfolgen. Diese Verknüpfung führt zu einer bereichsbezogenen Detaillierung oder auch Verallgemeinerung der Führungsstruktur. So kann ein Strukturknoten etwa für die Fertigungsplanung in ERP direkt weiterbenutzt, durch eine CAD-Designstruktur in PDM detailliert oder durch einen Freigabetermin für die Gesamtmaschine in ERP verallgemeinert werden. Im Verlauf des Produktlebenszyklus füllt sich so die Führungsstruktur stetig mit Informationen aus anwendungsspezifischen Strukturen. Auf diese Wiese entsteht eine durchgängige, konsistente Verkettung von Strukturen, welche eine einfache, eindeutige Zuordnung verschiedenster Strukturinformationen zueinander erlaubt.

Die Vielseitigkeit der Strukturlandschaft bei Siemens Energy Oil & Gas verdeutlicht das folgende Beispiel. Die in Duisburg gefertigten Produkte, so genannte Prozessverdichter, werden im Auftragsfall für den Kunden entwickelt, optimiert und gefertigt. Dieser Engineering-to-Order-Prozess bedeutet, dass die überwiegenden Komponenten entweder parametrisch angepasst werden oder neu entstehen. Die wichtigsten Randbedingungen für diesen Prozess sind kundenindividuelle Vorgaben, das zu komprimierende Medium, vorhandenes internes Know-how in Form der Konstruktionsrichtlinien und außerdem umfangreiche Erfahrung aller Beteiligten beim Auftragsabwicklungsprozess. Eine Komponente des Verdichters sind die Verdichterfüße. Sie sind eine Schnittstelle zwischen dem Gehäusehauptteil und den Anlagenkomponenten wie Rahmen und Fundament (Bild 3). Durch ihre Schnittstellen-Funktion und die damit verbundene Abhängigkeit zwischen Anlagenumgebung und Verdichterdimensionierung können die Füße nicht als Wiederholteil verwendet werden. Die vorhandenen Konstruktionsrichtlinien geben zwar die berechneten gestuften Varianten vor, lassen aber auch die benötigte Varianz einiger Parametern zu, so dass der Konstrukteur auf Kundenanforderungen flexibel reagieren kann. Die Führungsstruktur dieses Teil-Produkts besteht aus zwei Ebenen und insgesamt drei Knoten, die in allen nachfolgenden Sichten vorhanden sind (F, F.1 und F.2 in Bild 3).

Workshops entscheiden über Varianten

Diese Führungsstruktur ist noch unabhängig von Kundenanforderungen und dem genauen Maschinentyp. Im Lebenslauf dieser Baugruppe entsteht eine Vielzahl an weiteren Strukturen, die an die Führungsstruktur angelehnt sind.

Die ersten Strukturen sind auftragsneutral und werden bei R&D in Entwicklungsprojekten vorbereitet. Das Ergebnis dieser Entwicklungsprojekte sind beispielsweise eine oder mehrere auftragsneutrale CAD-Variantenvorlagen, bestehend aus der Baugruppenstruktur, entsprechenden 3D-CAD-Modellen, technischen Zeichnungen und Unterlagen. Je nach Ausprägung werden diese Strukturen entweder nach dem „150 Prozent-Prinzip“ aufgebaut (enthalten also alle potenzielle Wiederholkomponenten) oder in Vorlagen-Bibliotheken aufgeteilt (diskrete vordefinierte Strukturen), bezogen auf eine bestimmte gestufte Fußgröße.

Die Wahl einer der Varianten wird in regelmäßigen Workshops entschieden, in denen Vertreter unterschiedlicher Disziplinen ihre Anforderungen definieren. Ein wichtiges Entscheidungskriterium ist dabei die spätere einfache Handhabung im Auftrags-Engineering. Die Variantenvorlagen sind in der Ebene 1 und 2 der Führungsstruktur identisch. Die Unterschiede entstehen erst in weiteren Ebenen, etwa durch weitere Strukturstufen für einzelne Bauteile (Bleche) und Wiederholteile (Normteile).

Durch die parametrische Steuerung dieser neutralen Struktur (Parameteränderung) und Abwählen beziehungsweise Neu-Erstellung der Komponenten, entsteht eine kunden- und auftragsbezogene CAD-Struktur im CAD-System NX 6. Die Steuerung erfolgt in Führungsstrukturknoten. Der Umfang und die Möglichkeiten der Steuerung werden in R&D-Projekten genau beschrieben und stellen somit eine (noch manuelle) Abbildung der Schnittstelle zu der Anforderungsstruktur dar. Sowohl die neutrale als auch die auftragsbezogene CAD-Baugruppe werden im PDM-System Teamcenter verwaltet. Die endgültige CAD-Struktur stellt noch keine Konstruktionsstückliste dar. Die CAD-Baugruppe enthält einige CAD-Elemente wie Skizzen, die nicht fertigungsrelevant sind. Zudem fehlen in dieser Struktur teilweise Stücklistenkomponenten, die nicht in CAD abgebildet werden wie beispielsweise Zukauf-Kleinteile. Sowohl CAD- als auch Stücklistenstruktur werden im PDM-System verwaltet.

Zusammenspiel CAD, PDM und ERP

Reine CAD-Elemente werden über verschiedene Konfigurationsmöglichkeiten für „nicht stücklistenrelevant“ erklärt und erscheinen nicht in der Stückliste. Zusätzliche Komponenten hingegen können als „nichtgeometrische“ Komponenten im PDM-System zur Stückliste hinzugefügt werden. Das Ergebnis sind zwei Sichten auf eine Produktstruktur: die CAD-bezogene Sicht und die stücklistenbezogene Sicht.

Die Konstruktionsstücklisten-Struktur besteht aber nicht nur aus Bauteilkomponenten sondern auch aus zusätzlichen Dokumenten. Diese Dokumente werden in Teamcenter zu der Stücklistenstruktur verknüpft. Der Bezug zwischen der R&D-Vorlagenstruktur und der entstandenen auftragsbezogenen Komponenten (CAD-Baugruppe und Konstruktionsstückliste) wird im PDM-System über die Führungsstruktur festgehalten und nachfolgend in das ERP-System übertragen. Dadurch ist ersichtlich, von welcher Vorlage eine Struktur abgeleitet wurde, so dass eine bestimmte Prozessvorlage für die Weiterbearbeitung, beispielsweise auf die Vorlage abgestimmten und vordefinierten Fertigungspläne, ausgewählt werden kann.

Parallel hinzu entsteht eine weitere und nicht weniger wichtige Struktur: die Visualisierungsstruktur, die in vielen Fällen von der CAD und Stücklistenstruktur beeinflusst wird. So kann die Stücklistenstruktur der Verdichterfüße weitere Konstruktionsebenen beinhalten wie etwa den Zwischenschritt für die Schweißkonstruktion (Bleche ohne Bohrungen), die aber in der Visualisierungsstruktur nicht vorkommen. Diese Strukturebenen werden schon im CAD-System entsprechend gekennzeichnet, sodass sie in der Visualisierungsstruktur nicht enthalten sind. Als Werkzeug und Grundlage für die Visualisierungsstruktur – sowohl im PDM- als auch im ERP-System – wird die 3D-Technologie „JT“ verwendet (seit kurzem ein internationaler Visualiserungs-Standard).

Der wichtigste Übergabepunkt für die assoziative Erzeugung weiterer Strukturen ist die Konstruktionsfreigabe. Bei dieser Freigabe in Teamcenter sind mehrere Aufgaben zusammengefasst. Die Stücklistensicht auf die Produktstruktur wird nach ERP (SAP) als eine schreibgeschützte Konstruktionsstückliste (Konzernstückliste) inklusive aller stücklistenrelevanter Dokumente übertragen. Diese Struktur enthält keine werksbezogene Fertigungsinformationen. Ein weiterer Bestandteil der Freigabe sind die Erzeugung und die ERP-Übertragung der JT-Visualisierungsstruktur. Das Zusammenspiel dieser Strukturen bildet die Grundlage für die nachgeschalteten Fertigungsprozesse. Nach der Freigabe erfolgt die Fertigmeldung des Konstrukteurs über das entsprechende ERP-Projekt-Netzelement. Auch diese Netzelemente orientieren sich an der Führungsstruktur. Die Fertigungsstrukturen selbst entstehen in lokalen Werken, basierend auf Fertigungsprozessen, Maschinenpark und vorhandenen Rohmaterialien. Die neutrale Konstruktionsstückliste kann dazu mehrfach werksbezogen in eine Werksstückliste „geklont“ (kopiert) werden. Danach erfolgen fertigungsspezifische Anpassungen, wie beispielsweise Erweiterungen der Struktur im Falle der Verdichterfüße um Halbzeug-Blech-Komponente oder auch Umstrukturierungen zwecks besserer Handhabung in Fertigungsaufträgen. Die entstandene Fertigungsstückliste wird dann entweder zum Lieferanten ausgelagert oder intern gefertigt. In beiden Fällen dient die schon vorhandene Visualisierungsstruktur als wichtige Hilfe für die Fertigung.

Reale Daten für die Wartung

Im weiteren Lebenszyklus der gefertigten Maschine finden hochqualitative Maschinenwartungen statt. Für die verantwortlichen Service-Einheiten der Siemens AG sind daher die Strukturen der ausgelieferten und beim Kunden montierten Maschine von elementarer Bedeutung. Dies beinhaltet auch Abweichungen von der Konstruktions- oder Fertigungsstückliste, zum Beispiel bedingt durch veränderte Baustellenbedingungen beim Kunden. Hierzu entstehen neben den Strukturen bezogen auf den Auslieferungszustand „As-Built“-Strukturen, welche die real, physisch vorhandene Vorort-Lösung beim Kunden widerspiegeln. Diese werden wiederum durch Service-Strukturen ergänzt, welche die Wartung der Maschine und Versorgung mit Ersatzteilen dokumentieren.

Die Bedeutung der integrierten Struktur-Verwaltung wird im Änderungsfall deutlich. Die beschriebenen Strukturen sind im Verlauf des Produktlebenszyklus dynamisch und werden aufgrund veränderter Kundenanforderungen überarbeitet. Der Ansatz der Führungsstruktur in Verbindung mit einem systemübergreifenden Änderungsmanagement unterstützt die Synchronisierung der geänderten Strukturen. Änderungen werden im Engineering angestoßen, im PDM-System dokumentiert und münden in automatisch initiierten Benachrichtigungsprozessen im ERP-System. Auf diese Weise ermöglicht die integrierte Strukturverwaltung die flexible und schnelle Reaktion auf Änderungen zu jedem Zeitpunkt im Produktlebenslauf. Weiterhin sind Strukturinformationen zu jedem Zeitpunkt konsistent und in gesicherter Qualität zugänglich.

Die integrierte Strukturverwaltung stellt einen bedeutenden Baustein der PLM-Strategie bei Siemens Energy Oil & Gas dar. Die Entwicklung bei der Siemens AG steht dabei nicht still. Permanent erfolgen Untersuchungen, wie Strukturen weiterer Disziplinen in die PLM-Umgebung integriert werden können. So wird beispielsweise das System Comos als Drehscheibe für die Rohrleitungs-, Elektro-, Mess- und Regeltechnik eingesetzt. Comos beschreibt und pflegt die Zusammenhänge der unterschiedlichen Disziplinen und ist für den Anlagenbau von entscheidender Bedeutung. Die Integration der Comos-Prozesse und entsprechenden Strukturen in die Führungsstruktur im PDM-System (Teamcenter) wird der nächste wichtige Schritt in Richtung einer vollständigen integrierten Struktur-Verwaltung sein. -sg-

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

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