Tools und Services für das digitale Engineering

Als OEM steht man ständig unter Zeit- und Kostendruck. Die Herausforderungen, die sich in der täglichen Praxis ergeben, sind vielfältig. An erster Stelle steht oft, den Liefertermin einzuhalten. Ein böses Erwachen droht, wenn sich nach der Realisierung eines Projekts herausstellt, dass bestimmte Spezifikationen nicht eingehalten werden. Ebenfalls nicht selten sind Probleme bei der Inbetriebnahme: die Maschine läuft einfach nicht wie erwartet und die Software muss vor Ort in kürzester Zeit angepasst werden – mit dem Kunden im Nacken. Fatal für die Kostenkalkulation wird es, wenn immer wieder neue Prototypen erstellt werden müssen, bis der Kunde endlich rundum zufrieden ist. Genau diese Probleme adressiert das Digitale Engineering. Der digitalisierte Entwicklungsprozess ermöglicht

• genauere Iterationen in einer frühen Projektphase,
• bietet Unterstützung bei der Programmierung der Anwendungssoftware und
• ebnet den Weg zur virtuellen Inbetriebnahme.

Für OEMs ergeben sich daraus riesige Chancen: Kürzere Entwicklungszyklen bei geringerem Personalaufwand und schnellere Time-to-Market, weil die Kundenwünsche bereits beim ersten Wurf getroffen werden und die festgelegten Spezifikationen sicher eingehalten werden. Weitere Effekte betreffen die höhere Intelligenz in den Maschinen für komplexere Funktionen und nicht zuletzt auch die höhere Maschinenverfügbarkeit. Grundsätzlich wird auch der Entwicklungsprozess effizienter, da alle Disziplinen auf eine gemeinsame Datenbasis zugreifen. Diesen Fortschritten kann sich eigentlich kein OEM verschließen.

Durchgängiger Informationsfluss ist entscheidend

Eines der Ziele des Digital Engineerings ist, Prozesse und damit verbundene Informationsflüsse durchgängig zu gestalten. Informationen über Komponenten, Maschinen und Anlagen werden im ‚Digitalen Zwilling‘ abgelegt und ohne Bruch oder gar Informationsverlust weitergereicht – über die verschiedenen Stufen des Entwicklungsprozesses sowie den laufenden Betrieb und Instandhaltungsmaßnahmen bis zum Ende des Lebenszyklus. Im Rahmen des Referenz-Architekturmodells Industrie 4.0 (RAMI 4.0) wird statt des digitalen Zwillings die Bezeichnung „Verwaltungsschale“ (VWS) gebraucht.

Mit Hilfe von RAMI 4.0 und VWS gelangen Daten, die bei Entwicklung und Konstruktion anfallen, von Hersteller und OEM bis hin zum Anlagenbetreiber. So kann in jeder Entwicklungsstufe geprüft werden, ob die anfangs festgelegten Spezifikationen bei der Realisierung eingehalten werden und auf die Daten referenziert werden. Der durchgängige Informationsfluss unterstützt darüber hinaus nicht nur Betrieb und Wartung von Maschinen, sondern auch neue, in der Regel datenbasierende Service- und Geschäftsmodelle, die das Wesen von Industrie 4.0 und dem Industrial Internet of Things (IIoT) ausmachen. Daten aus dem laufenden Betrieb und der Instandhaltung finden schließlich automatisiert den Weg zurück zu OEMs und Herstellern, wo sie wiederum zur Verbesserung von Konstruktion und Entwicklung beitragen. Soweit zumindest die Theorie.

Insellösungen statt Tool-Chain

Am Anfang steht der Digitale Zwilling, der über die verschiedenen Projektierungsstadien und -disziplinen sukzessive entsteht. Lenze

In der Praxis ist das aufgezeigte Szenario – jedenfalls Stand heute – erst bruchstück-haft realisierbar. Der Grund: Die benötigten Tools mit gemeinsamen Datenmodellen und standardisierten Schnittstellen stehen noch nicht in ausreichendem Maße zur Verfügung. Gerade im Entwicklungsprozess existieren deshalb noch zu viele Insellösungen. Daher lassen sich Daten oft nicht mit einem vertretbaren Aufwand zwischen diesen Datensilos austauschen. Ohne einen durchgängigen Informationsfluss sind die positiven Effekte des Digital Engineerings jedoch nicht zu erreichen.

Um den digitalen Zwilling herstellerübergreifend weitergeben zu können, bräuchte es standardisierte Datenmodelle und -schnittstellen. Zumindest was die Verwaltungsschale betrifft, konnte die Plattform Industrie 4.0 entscheidende Fortschritte erzielen. Zur Hannover Messe 2018 wurde das Rahmenwerk zur VWS-Definition abgeschlossen. Inzwischen hat die Plattform weitere Details veröffentlicht, mit deren Hilfe Unternehmen selbst Verwaltungsschalen für ihre Komponenten entwickeln und so virtuelle Abbilder ihrer Assets erstellen können. Die Basis bildet ein technologieneutrales UML-Modell, das alle notwendigen Informationen, erste Austauschformate in XML und JSON sowie ein Zugriffskonzept enthält.

Die komplette Beschreibung der Verwaltungsschale umfasst mehrere Teile. Teil 1 ‚Details of the Administration Shell – Part 1: The exchange of information between partners in the value chain of Industrie 4.0′ stellt dar, wie Informationen in der Verwaltungsschale aufbereitet und strukturiert sein müssen, um alle enthaltenen Informationen als Paket (Dateiverbund) von einem Partner zum nächsten weiterzugeben.

Im nächsten Schritt definiert die Plattform Industrie 4.0 APIs der Verwaltungsschale. Die aufrufbaren Schnittstellen liefern Informationen über den Gegenstand und können die Daten verändern. Anschließend folgt eine Beschreibung, wie mehrere Verwaltungsschalen in einem Netzwerk zusammenspielen.

Einer macht den Anfang

Bei einer durchgehenden Prozesskette lässt sich die Applikationssoftware aus dem Digitalen Zwilling ableiten und komplettieren. Lenze

Mit dem aktuellen Status ist es nun erstmals möglich, zumindest innerhalb einer geschlossenen Herstellerwelt eine durchgängige Tool-Chain zu entwickeln, die auf einem standardisierten digitalen Zwilling basiert.

Lenze sieht im Digital Engineering einen der wichtigsten Innovationstreiber für die Industrie und hat sich entschlossen, Kunden frühzeitig auf dem Weg ins digital Engineering mitzunehmen: Erste Tools, Prototypen und Konzeptstudien wurden bereits auf den letzten Messen vorgestellt, um den Partnern aufzuzeigen, worauf die Entwicklungsabteilungen beim OEM künftig setzen können. Zugleich können die Kunden Feedback geben und ihre Anforderungen einbringen.

Ausgangsbasis sind vorhandene Werkzeuge wie etwa die Toolbox FAST. Dieses Set an Technologiebausteinen wird zu einem Framework weiterentwickelt, denn Modularisierung im Maschinenbau setzt eine modulare Software-Architektur voraus. Dazu kommen weitere Anwendungen mit Fokus auf das Digital Engineering. Die App InA wurde für das Konfigurieren von Software-Standards wie PackML oder OPC-UA erweitert und ermöglicht nun Basis-Codegenerierung und Augmented Reality. Neu ist auch der Prototyp des System Designers, ein webbasierter Service für die Planungsphase des digitalen Engineering. Hinzu kommen weitere Werkzeuge, etwa in Bezug auf das Industrial Internet of Things (IIoT). Und nicht zuletzt auch Beratungsleistungen, um OEMs, Anlagenbauer und -betreiber bei der Digitalen Transformation der Industrie zu begleiten und zu unterstützen.

Digital – von Anfang an

Das Ziel einer durchgängigen Tool-Chain lässt sich nur erreichen, wenn sämtliche Stufen des Lebenszyklus berücksichtigt werden. Lenze teilt die Werkzeuge entsprechend in die typischen Phasen eines Produkts ein: Von der Idee über Entwicklung und Implementierung bis hin zu Inbetriebnahme und Betriebsphase.

Für den Einstieg hat Lenze das ‚InAutomation‘-Konzept entwickelt. Hier geht es darum, aus mechatronischen Maschinenmodulen eine Applikation zu konfigurieren und zu parametrieren sowie Software zu generieren. Mit dem Tool wird ein digitaler Zwilling kreiert, der diese Daten aufnimmt und für spätere Zwecke bereithält.

Auf dieser Basis kann bereits eine ‚virtuelle Maschine‘ erstellt werden, die sich mit Hilfe einer Hololens-Brille sogar als Augmented-Reality-Objekt in 3D darstellen lässt und einfache Abläufe in der Simulation zeigt – noch bevor auch nur eine Schraube angefasst wurde. Damit lassen sich mögliche Fehler oder Probleme bereits in einer frühen Phase entdecken und abstellen, was viel Zeit und Entwicklungsaufwand spart.

Aus den bis dahin vorliegenden Daten kann zudem automatisiert Code zur Steue-rungsprogrammierung generiert werden, der als Grundlage für eine verfeinerte Pro-grammierung dient. Auch das Testen von Code lässt sich automatisieren. Damit wer-den Entwickler grundlegende Aufgaben abgenommen und der Engineering-Prozess deutlich beschleunigt.

Vorhandene Entwicklungs- Werkzeuge integrieren

Wer seine Maschinendesigns modular zusammenstellt, braucht Programmiertools, welche die vordefinierten Software-Bausteine automatisch zusammenfügen. Lenze

Zu den Klassikern in Lenzes Portfolio an Engineeringtools gehört die Applikation Software Toolbox FAST, mit der sich modulare Maschinensteuerungen entwickeln lassen. Zahlreiche komplett vorgefertigte Softwaremodule für Maschinenautomatisierung, Motion-Control und Integrated Robotics lassen sich kombinieren. Damit diese Vorteile auch im Rahmen des Digital Engineerings zur Verfügung stehen, wird die Toolbox ausgebaut zu einem Software-Framework, das zum einen mit dem Digitalen Zwilling umgehen kann und zum anderen das Fundament für die automatische Code-Generierung legt.

Ein weiteres Tool ist der Drive Solution Designer – eine Kern-Anwendung für einen Experten in Sachen Motion Control. Hier können konkrete Antriebs-Anwendungen en Detail konfiguriert werden. Doch Lenze ist inzwischen mehr: ein Anbieter mit einem vollständigen Portfolio für die Automatisierung von Maschinen und Motion-Control. Dementsprechend arbeitet das Unternehmen daran, eine ähnliche Funktionalität für ein breiteres Anwendungsspektrum zu erstellen, zugleich aber die daraus resultierende Komplexität der Lösungen handhabbar zu machen. Schließlich erwarten Kunden mit jeder Maschinengeneration immer intelligentere Maschinen, die eine höhere Flexibilität in der Produktion – bis hin zur Losgröße 1 – ermöglichen. Dafür braucht es passende Tools, die sich in die Tool-Chain des Unternehmens einfügen und einen nahtlosen Informationsaustausch mit Hilfe des digitalen Zwillings unterstützen.

Simulation und virtuelle Inbetriebnahme

Mit Hilfe geeigneter Tools können Maschinen beziehungsweise Anlagen in unter-schiedlichen Leveln simuliert werden, die unterschiedlich hohe Anforderungen an Rechenzeit und -kapazitäten stellen: Physik der Mechanik, Antriebstechnik und Motion-Applikationen, bis hin zum Automationssystem und kompletten Fertigungsprozessen. Alle dafür benötigten Daten liefert bereits der digitale Zwilling.

Anders als beim ‚InAutomation‘-Konzept, bei dem nur die grundsätzlichen Einstellungen getroffen wurden, geht es um die Simulation der kundenspezifischen Konstruktion mit ihren vielen konkreten Details. Bei ausreichender Rechenleistung kann auf diesem Weg bereits eine virtuelle Inbetriebnahme erfolgen. So können frühzeitig Probleme oder Fehler in der Konstruktion sowie bei der Programmierung aufgedeckt werden. Der OEM oder der Anlagenbauer erspart sich dadurch aufwändige Nacharbeiten und kann die reale Inbetriebnahme wesentlich schneller durchführen.

Produktion braucht Kooperation

Aus dem Digitalen Zwilling einer Maschine muss sich ebenso das Front-End weitgehend automatisch generieren lassen. Lenze

Jenseits der Entwicklerbüros von Hersteller und OEM gibt es keine ‚One-Vendor-World‘, sondern gemischte Umgebungen. Hier sind Interoperabilität und Kompatibilität gefragt. Damit die Tool-Chain nicht an den Fabriktoren endet, setzt sich Lenze in den Standardisierungsgremien dafür ein, dass digitaler Zwilling beziehungsweise Verwaltungsschale auch in der Produktion und im Anlagenmanagement ohne Informationsverlust eingesetzt werden können. RAMI 4.0, eClass und BaSys 4.0 liefern dafür die Grundlagen, die nun von allen Playern in einheitlicher Weise mit Leben gefüllt werden müssen. Nur so gelingt es, einen durchgängigen Informationsfluss auch in PLM-, MES- und ERP-Systeme zu gewährleisten und damit die Vorteile des Digital Engineerings auch hier zu nutzen.

Werden dann einzelne Komponenten, zum Beispiel ein Antrieb, ein Maschinen- oder Anlagen-Modul, hinzugefügt oder ausgetauscht, stehen über den digitalen Zwilling dieser Komponenten automatisiert Informationen darüber bereit, welche Funktionen sie bereitstellen. Dies ist ein wichtiger Schritt hin zu Plug & Produce, das damit noch weiter geht als die frühere Vorstellung von der Entwicklung cyber-physikalischer Systeme (CPS).

Grundlagen für Services und Cloud

Daten aus dem digitalen Zwilling über die verwendeten Komponenten und Module sind wertvolle Informationen für neue Services und Geschäftsmodelle. Das gilt zum einen für den OEM, der bei Wartung und Service Level Agreements neue Wege gehen kann, beispielsweise durch die Nutzung von Remote Services oder der Zusicherung einer höheren Verfügbarkeit durch engmaschigeres Monitoring. Das gilt aber auch für den Endkunden. Maschinen und Anlagen, die ihn von selbst aus beispielsweise im Asset Management unterstützen, weil etwa Daten nicht mehr manuell eingegeben werden müssen, haben einen konkreten Mehrwert und sind daher attraktiver.

Doch noch obliegt es dem OEM, für solche Vorteile nicht nur die Grundlagen zu schaffen, sondern seine Kunden auch darüber aufzuklären, welche Chancen sich daraus ergeben, zum Beispiel im Hinblick auf IIoT-Services oder Methoden wie Big Data Analytics und Machine Learning. Ebenso profitieren Condition Monitoring oder Predictive Maintenance vom Einsatz des digitalen Zwillings. Dessen standardisierte Datenmodelle und -formate werden den Einsatz von Cloud-Anwendungen vereinfachen, der bislang immer noch darunter leidet, dass Informationen aus unterschiedlichen Quellen erst konvertiert und angeglichen werden müssen. Die dazu benötigten Datenanalysten sind auf dem Arbeitsmarkt nur schwer zu bekommen und zudem teuer.

Die Vorteile des Digital Engineerings sind unbestreitbar: Reduzierung der Time-to-Market beim OEM sowie der Integrationskosten beim Maschinenbetreiber, Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit, flexible Produktion hin zu Losgröße 1, lernfähige Maschinen, veränderbare Produktionen und flexible, erweiterbare Maschinensoftware sind nur einige Pluspunkte. Das größte Hindernis auf dem Weg dorthin stellen die fehlenden Werkzeuge und Standards dar.

Lenze hat es sich deshalb zur Aufgabe gemacht, standardisierte Software, Interfaces und Connectivity zu entwickeln, um dafür zu sorgen, dass ein durchgängiger Informationsfluss gewährleistet wird – auch über die Grenzen des eigenen Leistungsspektrums hinaus.

Das Unternehmen setzt dabei auf eine enge Kooperation mit Kunden und Partnern. Indem frühzeitig Chancen und Wege aufgezeigt werden, will Lenze seine Kunden inspirieren, sich mit Digital Engineering als einem der wichtigsten Treiber für Innovationen im Maschinen- und Anlagenbau auseinanderzusetzen. Ihre Anforderungen und Ideen bilden die Grundlage für neue Tools und Services. So positioniert sich Lenze als Berater für die Digitale Transformation, für Industrie 4.0 und IIoT, der seine Kunden bei diesem Wandel begleitet und unterstützt.

(sk)