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(Bild: Siemens AG)

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Siemens AG

Der Entwicklungsprozess bei Maschinen- und Anlagenbauern orientiert sich im Wesentlichen am jeweils verfolgten Geschäftsmodell, je nachdem, ob es sich um ein Unternehmen handelt, das primär kundenspezifische Sondermaschinen bzw. -anlagen baut, oder das sein Geschäft auf einem standardisierten Portfolio aufbaut.

Die zugrundeliegenden Prozesse im Engineering (Bild 1) ähneln sich jedoch unabhängig von der Geschäftsart, zumindest sobald ein gewisser Grad an Standardisierung einzelner Komponenten und Aggregate erfolgt, was aufgrund der so möglichen Optimierung von Kosten und Time-to-Market für jeden Maschinen- und Anlagenbauer von Interesse ist.

Bild 1: Ein typisches Engineering-Szenario im Maschinenbau

Bild 1: Typisches Engineering-Szenario im Maschinenbau Siemens AG

Zur Entwicklung eines besseren Verständnisses für die Anforderungen an ein integriertes Engineering-System im Maschinen- und Anlagenbau betrachten wir im Folgenden ein typisches Szenario für einen Maschinenbauer, der über ein vielfältiges Portfolio an teilstandardisierten Maschinen für ausgewählte Industriebranchen verfügt. Der Maschinenbauer setzt dabei im wesentlichen Standardmodule für eine spezifische Bearbeitungstechnologie ein. Jedoch ist aufgrund der sehr speziellen Anforderungen der zu bearbeitenden Werkstücke eine kundenspezifische Anpassung der Werkzeuge und der Werkstückzuführung notwendig.

Individuelle Kundenanforderungen haben in diesem Szenario also zur Folge, dass kundenspezifische Komponenten, insbesondere Werkzeuge und Werkstückzuführungen, entwickelt werden müssen. Des Weiteren soll die gelieferte Maschine an die Produktionslinie des Kunden adaptiert werden.

Maschinenadaptionen dieser Art können sich auf den Arbeitsraum der Maschine selbst auswirken und zusätzlich besondere Anforderungen an übergeordnete Aggregate, z.B. Hydraulikpumpen, Kompressoren oder Stromversorgungseinheiten stellen. Die Wechselwirkung zwischen den Komponenten stellt hiermit also eine weitere Herausforderung an den Engineering-Prozess.

Die Abbildung von Kundenanforderungen auf Maschinenfunktionen findet heute in der Regel mit sogenannten Maschinenkonfiguratoren statt. Der Konfigurator bildet dabei Anforderungen an die Maschine aus Sicht des Kunden auf technische Eigenschaften, Komponenten und Aggregate der Maschine aus Sicht des Maschinenbauers ab. Der Konfigurator unterstützt den Maschinenbauer dabei, den passendsten Maschinentyp auszuwählen und gegebenenfalls notwendige kundenspezifische Anpassungen zu identifizieren.

Bei der Anpassung der Maschine an kundenspezifische Anforderungen besteht ein hohes Projektrisiko. In einem typischen Engineer-to-Order (ETO) Szenario ist es daher besonders wichtig, größtmögliche Transparenz bezüglich der zu erwartenden Kosten für die Produktion der Maschine und die Entwicklung der kundenspezifischen Komponenten sicherzustellen.

In der Regel setzen Maschinenkonfiguratoren auf Informationen aus dem jeweiligen CRM/ERP-System, um die erforderlichen Kostenpositionen zu ermitteln. Sie bilden die Schnittstelle zwischen Vertrieb und Konstruktion, um möglichst schnell zu einer verlässlichen Aufwandsabschätzung und somit zu einem Angebot zu kommen.

Im modularen Maschinenbau ist die Maschine konzeptionell aus existierenden, standardisierten Modulen aufgebaut. Abhängigkeiten zwischen Modulen und übergeordneten Aggregaten sind in der Regel im Maschinenkonfigurator hinterlegt.

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Die 150-Prozent-Maschine

In der Konstruktion selbst ist häufig auch die sogenannte „150% Maschine“ vorzufinden. Hier ist im Wesentlichen das gesamte Modulportfolio im Modell eines einzelnen Maschinentyps vorzufinden. Die individuelle Maschine entsteht hierbei durch „Ausblenden“ der nicht benötigten Module. Je nach Modellierungstiefe sind Abhängigkeiten zwischen Modulen und übergeordneten Aggregaten im Konstruktionsmodell abgebildet.

Aufgrund der Komplexität eines Maschinenportfolios mit vielen Optionen und Varianten wird schnell deutlich, dass der Angebotsprozess durch eine detaillierte Analyse der Abhängigkeiten und der möglichen Implementierungsvarianten gestützt werden muss. PLM-basiertes Variantenmanagement wie mit dem Teamcenter Product Configurator bietet hierbei zahlreiche Funktionen zur Abbildung der Abhängigkeiten individueller Maschinenfunktionen.

In der Regel wird der Angebotsprozess von Experten auf Seiten des Kunden begleitet. Diese verfügen über detaillierte Kenntnisse der zugrundeliegenden Bearbeitungstechnologien und der technologischen Integration in den Produktionsprozess. Die hier entstehenden, sehr spezifischen Anforderungen erfordern eine intensive Interaktion mit dem Kunden, auch noch in der fortgeschrittenen Designphase der Maschine oder Anlage.

Der Designprozess ist dabei in der Regel durch ein PLM-System gestützt und primär durch die mechanische Konstruktion getrieben. Nichtsdestotrotz ist eine intensive und kontinuierliche Interaktion zwischen den Disziplinen (Mechanik, Elektrik, Automatisierung) sowie der Software-Entwicklung erforderlich, denn Anpassungen, die durch eine zu späte Einbindung einzelner Disziplinen erforderlich werden, sind kostspielig und zeitintensiv.

Andere Disziplin, anderes Datenhaltungssystem

Abhängig von der jeweiligen Disziplin können unterschiedliche Datenhaltungssysteme zum Einsatz kommen. Während Mechanik- und Elektrokonstruktion in der Regel auf ein PLM-System setzen, ist es im Automatisierungs-Engineering und in der Softwareentwicklung üblich, auf Versionsmanagementsysteme (ALM) zu setzen.

Bild 2: Maschinenentwicklung (PLM, Product Lifecycle Management) und Automatisierungssoftware-Entwicklung (ALM, Application Lifecycle Management) vereint

Bild 2: Maschinenentwicklung (PLM, Product Lifecycle Management) und Automatisierungssoftware-Entwicklung (ALM, Application Lifecycle Management) vereint Siemens AG

Der gesamte Maschinenbauprozess ist auf die Zuverlässigkeit der Kosten- und Aufwandsabschätzung und auf die Optimierung der Maschinenlieferzeit (Time-to-Delivery) fokussiert. Somit sind alle Maßnahmen, die dies unterstützen von hohem Wert für den Maschinenbauer, unter anderem auch die Effizienz bei der Zusammenarbeit der Disziplinen. Dies zeigt sich zunehmend dadurch, dass viele Maschinenbauer auf die funktionale Modellierung ihres gesamten Maschinenportfolios hinarbeiten. Hierbei wird schnell deutlich, dass eine wesentlich umfassendere digitale Repräsentation der zu entwickelnden Maschine erforderlich ist, die weit über die reine gemeinsame Ablage disziplinspezifischer Artefakte hinausgeht.

Transparenz, sowohl auf Ebene einzelner Komponenten als auch auf Ebene übergeordneter Aggregate, muss im Verlauf des gesamten Entwicklungsprozesses sichergestellt werden. Jede Änderung einer Komponente muss sofort im Kontext der gesamten Maschine reflektiert werden, um das Risiko unvorhergesehener Kosten- und Zeitaufwände zu minimieren.

Am Ende des Entwicklungs- und Produktionsprozesses, beinhaltet nahezu jede Maschine individuelle Kundenanpassungen, sei es lediglich in Form einzelner Softwareoptionen, mechanischer Ergänzungen bis hin zu umfassenden Adaptionen. Somit muss jede Maschine auch weiterhin als individuelle Produktvariante innerhalb des PLM Systems verwaltet werden, inklusive aller zugehöriger Software- und Konfigurationsartefakte.

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Der erweiterte PLM-Ansatz

Eine potenzielle Verbesserung dieses Szenarios ergibt sich durch die Erweiterung des PLM-Ansatzes auf alle Disziplinen, inklusive der Verwendung der Methoden aus dem Application Lifecycle Management (ALM) (Bild 2).

Bild 2: Maschinenentwicklung (PLM, Product Lifecycle Management) und Automatisierungssoftware-Entwicklung (ALM, Application Lifecycle Management) vereint

Bild 2: Maschinenentwicklung (PLM, Product Lifecycle Management) und Automatisierungssoftware-Entwicklung (ALM, Application Lifecycle Management) vereint Siemens AG

Neben der verbesserten Einbindung der Software-Entwicklung und des Automatisierungs-Engineerings in den Gesamtprozess, ergeben sich hier Möglichkeiten, das Maschinenportfolio über Softwarefunktionen zu differenzieren und die benötigten Softwareartefakte regelbasiert und automatisiert zu generieren.

Betrachtet man das beschriebene Gesamtszenario, ist eine tiefergehende Integration des Software- und Automatisierungs-Engineerings in den Maschinenentwicklungsprozess erforderlich, um die Erfüllung der wesentlichen Anforderungen, wie Kostentransparenz, kurze Lieferzeiten und Erfüllung spezifischer Kundenanforderungen zu erreichen. Schlüsselelemente hierzu sind, bei steigender Komplexität des Maschinenportfolios:

  • Schaffung von Konsistenz zwischen den Anforderungen an die Maschinenfunktionen und den zugehörigen Anforderungen an die SPS-Software
  • Integration der SPS-Software-Konfigurationen in die Verwaltung der Maschinenvarianten
  • Sicherstellung der Konsistenz aller im Maschinenprozess entstehenden Artefakte (Designdokumente, Konstruktionen, Schaltpläne, Konfigurationen, Softwaremodule, etc.)

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Mechatronisches Engineering mit Automation Designer, basierend auf Teamcenter

Bild 3: Production System Engineering von Siemens – Skalierbar vom Konzept-Design zur realen Maschine

Bild 3: Production System Engineering von Siemens – Skalierbar vom Konzept-Design zur realen Maschine Siemens AG

Das Production Systems Engineering von Siemens verwendet Teamcenter als Datenbackbone für die Persistenz aller in der Designphase entstehenden Artefakte (Bild 3). Artefakte aus einzelnen Disziplinen, die zur selben Funktion oder Komponente gehören, werden untereinander vernetzt, damit die interdisziplinären Aspekte des Designs erhalten bleiben. Dieser Entwicklungsansatz stellt sicher, dass die betroffenen Disziplinen rechtzeitig über Änderungen des Designs informiert werden. Das sorgt für eine Verbesserung der Konsistenz aller Engineering-Ergebnisse. Weiterhin sorgt dieser Ansatz dafür, dass mit der höheren Modularisierung die Wiederverwendbarkeit einzelner Maschinenkomponenten steigt.

Die Brücke zwischen den verschiedenen Disziplinen wird mit Automation Designer hergestellt. Mit Automation Designer wird ein funktionales Modell einer Maschine oder Anlage aus der mechanischen Struktur abgeleitet. Die mechanische Struktur entsteht zuvor z.B. in Line Designer oder Mechatronics Concept Designer. Im funktionalen Modell setzt sich die Struktur eines Projekts aus den elektrischen Funktionen sowie den verwendeten Geräten und deren Topologie innerhalb des Automatisierungssystems zusammen.

Das in Automation Designer vollständig integrierte E-CAD-Modul „Electrical Design“ ermöglicht die Erstellung aller elektrischen Schaltpläne, des Schaltschrankdesigns sowie der notwendigen Produktionsdokumentation. Alternativ dazu, können Schaltpläne auch auf Basis vordefinierter Regeln in EPLAN Electric P8 generiert werden.

Bild4: Siemens komplettiert mit Electrical Design seinen Digitalen Zwilling für Maschinen und Produktionslinien in einer konsequenten Weiterentwicklung um die Detaildaten der Elektrotechnik.

Bild4: Siemens komplettiert mit Electrical Design seinen Digitalen Zwilling für Maschinen und Produktionslinien um die Detaildaten der Elektrotechnik. Siemens

Die Einhaltung kundenspezifischer Namenskonventionen ist ein wichtiger Anwendungsfall im Maschinenbau, insbesondere dort, wo kundenspezifische Anforderungen im Schaltschrankbau umgesetzt werden müssen. Automation Designer unterstützt die Definition und Implementierung von Bezeichnungshierarchien über die sogenannten Expressions. Dabei lassen sich unterschiedliche Regeln zur Zusammensetzung der Identifikatoren definieren. Durch dies Expressions lassen sich im Grunde alle in Automation Designer verwendeten Attribute dynamisch beschreiben. Diese Funktionalität ersetzt die in der Regel im Maschinenbau verwendeten und auf Textersetzungsregeln basierenden skript- oder tabellenbasierten Verfahren. Mit ihnen wird Transparenz und Konsistenz in der gesamten mechatronischen Engineering-Prozesskette erreicht.

Die nach dem jeweiligen unternehmens- oder kundespezifischen Standard definierten hierarchischen Bezeichner werden auf alle Artefakte übertragen. Dies stellt sicher, dass alle Signale und Variablen sowohl im Elektroplan als auch im Automatisierungsprojekt konsistent benannt werden. Automation Designer stellt dabei Workflows zur Verfügung, um das Automatisierungsprojekt und die grundlegenden elektrischen Schaltpläne, basierend auf dem virtuellen Modell der Maschine, automatisch zu generieren.

Die Standardisierung von Bezeichnern und deren Hierarchien sind ein wichtiger Schritt in Richtung der konsistenten Verwendung von Signalen und Variablen über alle Disziplinen hinweg und bildet damit auch die Basis für die weitere Implementierung des Automatisierungsprojekts.

Nach der Definition der erforderlichen Programmblöcke und der generellen Struktur des Automatisierungsprojekts generiert Automation Designer das Automatisierungsprojekt direkt nach TIA Portal. Dabei werden zuvor definierte Vorlagen und Regeln angewandt. Neben der Generierung von TIA Portal Projekten beherrscht Automation Designer auch den Rückimport. Das unterstützt das Roundtrip-Engineering nach Änderungen des SPS-Codes im TIA Portal. SPS-Systeme anderer Hersteller werden über die AutomationML-Schnittstelle angebunden.

Alle Engineering-Objekte und Attribute werden innerhalb des gemeinsamen Teamcenter-Servers persistiert, versioniert und konsistent gehalten. Damit können diese Informationen für die Generierung weiterer Artefakte im Entwicklungsprozess verwendet werden, beispielsweise für die Erstellung der Anwenderdokumentation.

Bild5: Der Automation Designer vereint Mechanik, Elektrik und Automatisierung

Bild5: Der Automation Designer vereint Mechanik, Elektrik und Automatisierung Siemens AG

Das von Automation Designer eingeführte Bibliothekskonzept unterstützt durch Abstraktion und Wiederverwendung Anlagen- und Maschinenbauer dabei, ihr Portfolio zu standardisieren und dabei dennoch vielfältige kundenspezifische Anforderungen zu realisieren.

Automation Designer steigert durch seinen interdisziplinären Ansatz und durch die unterstützten Design- und Generierungs-Workflows Effizienz, Transparenz und Konsistenz im gesamten Engineering-Prozess. Mit Automation Designer werden Anlagen- und Maschinenbauer in die Lage versetzt, einen wesentlichen Schritt in Richtung eines umfassenden System Engineering Ansatzes zu unternehmen.

Der hohe Grad an Flexibilität durch die Anwendung von Expressions und Templates, die Unterstützung der Wiederverwendbarkeit durch die Reuse-Library und dessen Adaptierbarkeit an unterschiedliche Unternehmensstandards ermöglicht es Maschinen- und Anlagenbauern selbst hochkomplexe Produktportfolios mit vielen Varianten und Optionen zu beherrschen und kundenspezifische Anpassungen effizient umzusetzen.

Eplan, Eplan Electric P8 und Eplan Data Portal sind eingetragene Marken der Eplan Software & Service GmbH & Co. KG.

Siemens auf der SPS 19: Halle 11

Dr. Arno Pernozzoli

Dr. Arno Pernozzoli, Senior Key Expert PLM, Siemens AG
(Bild: Siemens AG)
Senior Key Expert PLM, Siemens AG

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