Develop³ Systems Engineering 01.2014

develop 3
systems engineering
01 2014
„ Die interdisziplinäre
Zusammenarbeit
ganzer Branchen ist
ein Muss.“
Friedhelm Loh, Ehrenpräsident ZVEI
Meinung Seite 16
Round Table:
Eine Brücke von der
virtuellen zur realen Welt
Trends Seite 30
Von der Datensammlung
zur Information
Trends Seite 36
Parallel ein gemeinsames
Ziel verfolgen
Praxis Seite 52
www.develop3.de
Titelstory Seite 10
Im Vordergrund stehen
Methodik und Kommunikation

Unendliche Möglichkeiten,
eine Designplattform
NI LabVIEW ist die umfassende Entwicklungsumgebung mit herausragender
Hardwareintegration und Kompatibilität. Damit meistern Sie jede Herausforderung
in der Mess-, Steuer- und Regeltechnik. LabVIEW ist das Herzstück des Graphical
System Design, das Konzept, mit dem Sie über eine offene Plattform aus
produktiver Software und rekonfigurierbarer Hardware die Systementwicklung
beschleunigen können.
Die grafische Entwicklungsumgebung
NI LabVIEW
bietet herausragende
Hardwareintegration
und ermöglicht es Ihnen,
intuitiv zu programmieren.
» ni.com/labview-platform
© 2014 | National Instruments, NI, ni.com und LabVIEW sind Marken der National Instruments Corporation.

Editorial
Grenzen zwischen Disziplinen
gilt es zu überwinden!
Auf rund 50 % und mehr wird der Anteil der Funktionalitäten einer
modernen Maschine taxiert, der durch Programmcode in der
Steuerung oder den Steuerungen definiert wird. Mit anderen
Worten: Software wird zur dominanten Größe! Zu 100 % wird es
allerdings auch nicht reichen – ohne ‚Hardware‘ wie Antriebe, Lager
oder Sensorik wäre die ganze Software schlicht wertlos. Auf
der Hand liegt, dass nur das reibungslose Zusammenspiel von
Mechanik, Elektrotechnik und Software zu einer qualitativ
hochwertigen und gleichzeitig innovativen
Maschine führt. Leider zeigt die Praxis, dass es
eben an diesem Zusammenspiel oft fehlt.
‚Hausgemacht‘ seien die Probleme,
meint it’s-OWL-Chef Dr. Roman Dumi -
trescu: „Erst haben wir die Leute so
ausgebildet und dann auch noch die
Unternehmen entsprechend organisiert!“
(Siehe Interview ab S. 10.)
Eine Lösung kann die interdisziplinäre
Zusammenarbeit bringen – und genau
das ist der Grund, warum Sie diese Erst-Ausgabe
der develop 3 systems engineering der Konradin
Mediengruppe in Händen halten. Zugegeben:
Die Thematik ist nicht brandneu und nicht jeder kann auf Anhieb
mit dem Begriff Systems Engineering etwas anfangen. Aber jeder
kennt die Probleme und die Automobilindustrie investiert massiv,
um die drei Disziplinen zu synchronisieren – zumal mit der Industrie-4.0-Diskussion
neben die Ingenieure nun auch noch die Informatiker
treten; Automatisierer und ITler müssen sich verstehen!
Wir wollen dazu Anregungen liefern und Tipps aus der Praxis (siehe
S. 66). Ihr Feedback wird uns verraten, ob uns das gelingt.
Dipl.-Ing. Michael Corban
Chefredakteur develop 3 systems engineering
michael.corban@konradin.de
„Software allein
ist wertlos – erst das
Teamwork von Mechanik,
Elektrotechnik
und Software
‚bringt’s‘!“
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Inhalt 01/2015
Mit dem Umstieg auf die Konfiguration mit einem
gewerkeübergreifenden Baukasten konnte MAG IAS
die Konstruktionszeit halbieren
60
Industrie 4.0 fordert das Teamwork von IT- und Automatisierungs-
Spezialisten und die Überwindung des Bruchs zwischen virtueller
und realer Welt
30
Magazin
6 Branchennews
Die Industrie der Zukunft ist vernetzt
Mitsubishi Electric und Eplan
als strategische Partner
8 Termine/Veranstaltungen
ENGINEERING CAMPUS:
Ideenaustausch für Konstruktionsleiter
Informationen schützen
Engineering zum (Be-)Greifen
Menschen
und Unternehmen
10 Titelstory
Details und Hintergründe zur
Fachgruppe Systems Engineering
15 Produktentwicklung
Lapp: Prozesse kommen vor Tools
Friedhelm Loh im Interview: „Die
Industriekultur muss sich verändern“
Daimler arbeitet an PLM2015-Projekt
20 Stimmen zum Systems Engineering
Norbert Scholz, Baumüller Nürnberg
Dr. Rainer Stetter, ITQ
Dr. Armin Walter, Lenze Engineering
Christoph Bräuchle, PTC
Andreas Huhmann, Harting
Trends
30 Industrie 4.0
Round Table: Eine Brücke
von der virtuellen zur realen Welt
36 Sensorik
Interne Signalverarbeitung und
Multisensorsysteme
42 Engineering
Round Table: Das physikalische
Verständnis bleibt elementar
46 Datendurchgängigkeit
MES-Lösungen sind Schaltzentrale,
PLM umfassender als Industrie 4.0
48 Datenverwaltung
Schnittstellen-Management und
durchgängige Ressourcen-Nutzung
Praxis
52 Automatisierung
Parallel ein
gemeinsames Ziel verfolgen
55 Engineering
Digital durchgängig – von der
ersten Idee bis zum Service
58 Systeme
Ahmed Mahmoud im Interview:
„Let us empower the Engineers!“
60 Baukastensysteme
Konstruktionszeit um mehr als
50 % gesenkt
64 CAD
Kollaboratives Engineering:
Erfolgskritischer Entwicklungsprozess
Rubriken
3 Editorial
28 Wir berichten über...
66 Vorschau
66 Impressum
4 develop 3 systems engineering 01-2014

Friedhelm Loh, Ehrenpräsident ZVEI
Meinung Seite 16
Trends Seite 30
Trends Seite 36
Praxis Seite 52
www.develop3.de
nextlevel
for industry
Kompetenz in technischer Software und interdisziplinäres
Zusammenarbeiten sind die Schlüssel zum Erfolg von
Industrie 4.0, sagt ZVEI-Ehrenpräsident Friedhelm Loh
16
Titelstory
10 Systems Engineering
Der Fokus der Fachgruppe Systems Engineering
liegt auf dem Maschinen- und Anlagenbau sowie
Lösungen, die einfach und praktikabel sein sollen.
Dazu im Interview: Dr. Roman Dumitrescu
Industrie 4.0
für den Schalt anlagenbau.
Rittal präsentiert Ihnen auf der SPS IPC Drives
zusammen mit Eplan, Cideon und Kiesling
eindrucksvoll, wie Sie vom Engineering bis
zur Fertigung im Schaltanlagenbau bis zu
50 % Einsparpotenzial realisieren können.
develop 3
systems engineering
01 2014
Engineering System Automation
„ Die interdisziplinäre
Zusammenarbeit
ganzer Branchen ist
ein Muss.“
Round Table:
Eine Brücke von der
virtuellen zur realen Welt
Von der Datensammlung
zur Information
Parallel ein gemeinsames
Ziel verfolgen
Titelstory Seite 10
Im Vordergrund stehen
Methodik und Kommunikation
www.rittal.de
develop 3 systems engineering 01-2014

Magazin Branchennews
‚Integrated Industry – Join the Network!‘ lautet das Motto der Hannover Messe 2015
Die Industrie der Zukunft ist vernetzt
Ziel muss ein starkes Netzwerk aus Maschinenbau, Elektrotechnik
und IT sein, um die Herausforderungen von Industrie
4.0 zu meistern
Bild: Deutsche Messe
Die Integration der industriellen Wertschöpfungsprozesse geht in die
nächste Runde: Was die Industrie für den nächsten Evolutionsschritt benötigt,
wie künftig die Produktentwicklungs- und Produktionsprozesse auf -
einander abgestimmt sein müssen und ein konkretes Zusammenwachsen
von Informationstechnik und Automation aussehen kann, zeigen unter anderem
die Aussteller der Digital Factory im Zuge der Hannover Messe 2015.
Das Leitthema „Integrated Industry – Join the Network!“ bildet dabei den
übergeordneten Rahmen rund um die vieldiskutierten Industrie-4.0-Technologien.
Es steht dafür, dass die wesentlichen Herausforderungen – wie
etwa allgemein gültige Standards für die Machine-to-Machine-Kommu -
nikation, die Frage der Datensicherheit oder die Suche nach dem Ge -
schäftsmodell der Zukunft – nur im Netzwerk zu bewältigen sind. „Die Frage
ist nicht, ob Industrie- oder IT-Unternehmen die Führungsrolle einnehmen
– nur gemeinsam werden die Möglichkeiten von Industrie 4.0 bestmöglich
erschlossen“, ist Dr. Jochen Köckler, Mitglied des Vorstands der
Deutschen Messe, überzeugt. „Dafür braucht es ein starkes Netzwerk aus
Maschinenbau, Elektrotechnik und IT.“
Die daraus resultierenden Technologieveränderungen macht die Messe erlebbar.
Digitalvernetzte Fertigungsanlagen, innovative Produktionsver -
fahren, neuartige Industrieroboter und auch IT-gestützte Automationslösungen,
die sämtliche Organisationsabläufe einer Fabrik verändern können,
werden gezeigt. „In der Smart Factory verschmelzen Maschinenbau
und IT“, so Köckler weiter. „Die IT-Unternehmen sind Teil des Netzwerks und
nutzen die Messe, um sich mit ihren Kunden aus der Industrie auszutauschen.“
Die Präsenz von internationalen IT-Konzernen und die Anmeldung
von Microsoft zeigten, dass man mit dem Leitthema den Puls der Industrie
träfe. Die Bandbreite der IT-Lösungen, die Fertigungsunternehmen in allen
Prozessen unterstützen, reicht dabei von der Innovation und ersten
Idee im CAx-System über die Produktionsplanung und -steuerung mit
MES und ERP, die Simulation und Vorausberechnung mit Hilfe virtueller
Realität und 3D-Modellen von Produkt und Fabrik bis zum Management
der Produkt- und Produktionsdaten über den gesamten Lebenszyklus mit
PDM und PLM.
ik
www.hannovermesse.de
Durchgängigkeit bei Elektro-Engineering und SPS-Programmierung
Mitsubishi Electric und Eplan als strategische Partner
Bilder: Eplan
Hartmut Pütz und Maximilian Brandl: „Durch die Integration
von Eplan mit GX Works2 lassen sich Projektqualität
und Datenkonsistenz steigern“
Um eine optimale Integration von Elektro-Engineering
und SPS-Programmierung zu realisieren
und als Partner der e-F@ctory Alliance arbeiten
die Entwicklungsabteilungen von Mitsubishi
Electric und Eplan eng zusammen. Sie wollen die
Projektqualität und Datenkonsistenz für Anwender
steigern. Dafür sind die Eplan-Plattform und
GX Works2, die Konfigurations- und Programmiersoftware
von Mitsubishi Electric für die Melsec-SPS-Serie
jetzt per Schnittstelle gekoppelt.
Für gemeinsame Kunden soll eine Reduzierung
der Entwicklungskosten um mehr als 50 % möglich
sein. Ein konkreter Anwendungsfall: Ein Elektroingenieur
erstellt einen Stromlaufplan und
leitet per Knopfdruck Informationen wie
I/O-Adressen und Funktionstexte an den SPS-
Programmierer, der die GX-Works2-Steuerung
programmiert. Das führt zu deutlich kürzeren
Entwicklungs- und Inbetriebnahmezeiten von
Anlagen und Systemen. Eplan Electric P8 als Teil
der Plattform verbindet die Daten der Elektro-
Hardware-Planung und der Steuerungstechnik
sowie die zugehörige umfassende Dokumentation.
„Durch die Integration mit GX Works2 lassen
sich Projektqualität und Datenkonsistenz steigern“,
sagt dazu Hartmut Pütz, Präsident der
Factory Automation – European Business Group
von Mitsubishi Electric. Gleichzeitig reduzierten
sich Kosten und Entwicklungszeit für gemeinsamen
Kunden. „Unsere weltweiten Kunden profitieren
von der neuen E-CAD- und SPS-Schnittstelle
und der hohen Komponentenverfügbarkeit
im Eplan Data Portal“, ergänzt Maximilian
Brandl, Vorsitzender der Geschäftsführung von
Eplan. Die zentrale Eplan-Plattform beinhaltet alle
Daten von der Vorplanung bis zum Detail-Engineering.
Diese Informationen können als Grundlage
für folgende Projektschritte in der SPS-orientierten
Automatisierungstechnik genutzt werden.
Zudem lassen sich Makros beziehungsweise
Bibliotheken und CAD-Produktdaten von Mitsubishi
Electric einbinden und in Eplan hinterlegte
Daten direkt in GX Works2 importieren. ge
www.e-factory-alliance.com
www.eplan.de
www.mitsubishielectric.com
6 develop 3 systems engineering 01–2014

Magazin Termine/Veranstaltungen
ENGINEERING CAMPUS: Ideenaustausch rund um Systems Engineering und Produktentwicklung
‚Input‘ für innovativ denkende Konstruktionsleiter und -interessierte
Innovative Entwicklungsingenieure stellen sicher, dass ihr Unternehmen
wirtschaftlich stark bleibt. Aber auch kluge Köpfe brauchen ‚Input‘ – und
genau den liefert im September 2015 der erste ENGINEERING CAMPUS
der Zeitschriften develop 3 systems engineering, KEM – Konstruktion, Entwicklung,
Management und elektro AUTOMATION in Kooperation mit
AutomobilKonstruktion, Industrieanzeiger sowie medizin&technik. Die
Veranstaltung bietet den Teilnehmern die Möglichkeit, sich zu allen
Themen rund um die Produktentwicklung zu informieren. Themen sind:
Bild: Daimler
Bild: Leukefeld
Dr. Peyman Merat, Projektleiter PLM2015
bei Daimler, wird von der Gestaltung
der Engineering-Prozesse bei dem Automobilbauer
berichten
Prof. Timo Leukefeld berichtet von dem Ziel
einer ganzjährig unabhängigen Energie -
versorgung im Bereich des Wohnens – und
öffnet damit interessante Perspektiven
·
·
·
Erfolgreiches Systems Engineering in der Praxis
Safety inklusive – sichere und Standard-Automatisierung wachsen
zusammen
Energieeffizienz in der Antriebstechnik – Richtlinie schraubt Wirkungsgrad
in die Höhe
Entwicklungsdienstleistungen – Unterstützung auch bei sensiblen
Projekten
Die Keynote wird Dr. Peyman Merat halten, Projektleiter PLM2015 bei
der Daimler AG zum Thema ‚Das digitale Rückgrat der Produktentwicklung‘.
Hintergrund ist, dass die Entwicklungs- und Produktplanungsprozesse
bei Daimler künftig die enge Vernetzung von Produktdatenmana-
gement-Software Smaragd und CAD/CAE/CAM-Software NX von Siemens
nutzen – letztere wird im Rahmen des intern ‚PLM2015‘ genannten
Großprojektes derzeit eingeführt (siehe dazu auch Beitrag S. 18). Die
Plenumsrede hält zum Abschluss Prof. Timo Leukefeld, der sich unter
dem Titel ‚Energie intelligent verschwenden‘ interessante Gedanken zu
unserem Umgang mit Energie macht – ein in vielerlei Hinsicht anregender
Vortrag.
co
22. September 2015
9:00 bis 17:30 Uhr
Mövenpick Hotel, Stuttgart Airport
www.wirautomatisierer.de/ec
VDMA-Informationstag zu Know-how-Schutz & Informationssicherheit
Informationen im Unternehmen schützen
Mechatronisches Engineering auf der SPS IPC Drives
Engineering zum (Be-)Greifen
Der VDMA veranstaltet am Donnerstag,
den 4. Dezember im Haus des VDMA in
Frankfurt einen Informationstag zu Knowhow-Schutz
& Informationssicherheit.
Der Schutz unternehmenswichtiger Informationen,
die in Konstruktionsdaten, Prozessen,
Rezepturen und Verfahren stecken,
ist eine der größten Herausforderungen
im Thema Unternehmenssicherheit. Sie
benötigt rechtliche, organisatorische und
technische Mechanismen. Die Gefahren
sind vielfältig. Oft steht der Schutz gegen
Angriffe durch Wettbewerber oder illoyale
Mitarbeiter im Fokus, doch auch Kunden
oder Lieferanten werden zunehmend als
Know-how-Diebe identifiziert.
Das Ziel der Veranstaltung ist, VDMA-Mitglieder
zu den Themen Industriespionage,
Know-how-Schutz und Security praxisumfassend
zu informieren. In parallelen
Expertenrunden tauschen Referenten
und Teilnehmer aktiv ihre Erfahrungen
und Herausforderungen aus. Mit dabei
sind Fachleute aus der Industrie, dem BSI
als zuständiger Bundesbehörde und Vertretern
der Securityindustrie. Statt Vorträgen
soll also eine intensive Diskussion
stattfinden. In den Pausen besteht zudem
die Möglichkeit, den fachlichen Meinungsaustausch
zu vertiefen und Kontakte zu
knüpfen.
ik
www.vdma.org
Auf der SPS IPC Drives 2014 in Nürnberg wird als Messedemonstrator
eine Keks-Cocktail-Maschine zu sehen sein, an
deren Beispiel anschaulich das mechatronische Engineering
demonstriert werden soll. Showcase MI5 nennt Organisator
ITQ das Studentenprojekt – MI5 steht dabei für „Mechatronisches,
idealtypisches Engineering“, das die fünf magischen i
umfasst; innovativ, interdisziplinär, international, inkrementell
und iterativ. MI5 soll eine ‚idealtypische‘ Art des Engineerings
(be-)greifbar machen, und damit auch den Aufbau moderner
Cyber-physischer Systeme. Sponsoren des Projekts sind Hersteller
von Automatisierungstechnik sowie Anbieter aus dem
Engineering-Bereich – B&R, Beckhoff, Bosch Rexroth, Indus -
trial Physics, Phoenix Contact, Wenglor und Siemens. co
www.itq.de
SPS IPC Drives 2014: 1-458
(auf dem Gemeinschaftsstand Bayern Innovativ)
8 develop 3 systems engineering 01–2014

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Bild: Siemens
An der Vision einer digitalen Durchgängigkeit
von Beginn der Produktentwicklung
an bis über alle Phasen des Produktlebenszyklus
hinweg arbeiten zahlreiche
Unternehmen und Forschungsinstitute.
Methodisch ist dabei das Systems Engineering
einer der vielversprechendsten
Ansätze – auch wenn der Begriff schon
eine längere Historie hat als erwartet.

Titelstory Menschen & Unternehmen
Im Interview: Dr. Roman Dumitrescu, Leiter der Fachgruppe Systems Engineering
„In erster Linie geht es
um Kommunikation“
Mitte August 2014 gründeten OWL-Technologie-Netzwerker, das Fraunhofer IPT, die
Gesellschaft für Systems Engineering (GfSE) und Dassault Systèmes die Fachgruppe
Systems Engineering. Der Fokus liegt dabei insbesondere auf dem Maschinen- und Anlagenbau
sowie Lösungen, die einfach und praktikabel sein sollen. Details und Hintergründe
erläutert Dr. Roman Dumitrescu, einer der drei it’s-OWL-Geschäftsführer und Leiter der
Fachgruppe im Gespräch mit der develop 3 .
develop 3 : Dr. Dumitrescu, warum wurde die Fachgruppe Systems
Engineering gegründet?
Dumitrescu: Im Spitzencluster it’s OWL leite ich das Querschnittsprojekt
Systems Engineering, in dem Forscher neue
Methoden für den multidisziplinären Entwurf intelligenter
technischer Systeme erarbeiten. Jetzt wollen wir aber nicht an
Dingen forschen, die keiner braucht, sondern wir wollen uns
am tatsächlichen Bedarf der Unternehmen orientieren. Daher
haben wir im August diese Fachgruppe gestartet, um Industrie
und Wissenschaft im Bereich Systems Engineering noch
näher zusammenzubringen. Dabei findet natürlich auch ein
intensiver Austausch zwischen den Unternehmen statt.
develop 3 : Ist eines der Ziele der Fachgruppe, die digitale Durchgängigkeit
aus dem Product Lifecycle Management (PLM) bis hinein
in die Automatisierung zu realisieren, die heute noch fehlt?
Dumitrescu: Unter anderem. Die Frage danach war aber schon
eine Motivation zur Durchführung der Studie „Systems Engineering
in der industriellen Praxis“ (Anmerkung der Redaktion:
siehe Kasteninfo), die wir kürzlich durchgeführt haben. Interessant
war dabei, dass es keine einheitliche Definition von
Systems Engineering gibt. Einigen können sich allerdings alle
auf den Aspekt des ‚ganzheitlichen Systemdenkens‘. Personen
im PLM-Umfeld verstehen darunter vor allem ein durchgängiges
Datenmodell, das im Rahmen der Entwicklung abgelegt
und im Verlaufe des Produktlebenszyklus konkretisiert wird –
im Vordergrund steht also der Datenstamm, der die Produktund
Systemarchitektur beschreibt. Der Automatisierer will dagegen
den Entwurf, die Inbetriebnahme und zum Teil auch das
Monitoring einer gesamten Anlage als Gesamtsystem verstehen
und managen. Die entsprechenden Modelle aus den beiden
Welten stimmen deswegen heute noch nicht überein.
Das zusammenzubringen, hier eine Durchgängigkeit zu erreichen,
ist die Herausforderung.
develop 3 : Welche Hürden gilt es zu überwinden?
Dumitrescu: Es reicht nicht aus, einfach nur viele Tools einzukaufen.
Denn abgesehen vom Handling der Schnittstellen,
wofür es schon einige Standards gibt, interessiert stets der jeweilige
Fokus. Ziel muss sein, Modelle zu entwickeln, die verschiedene
Sichten auf ein Produkt, eine Maschine oder eine
Anlage erlauben. Den Produktioner interessieren naturgemäß
andere Dinge als den Konstrukteur oder Automatisierer. Ziel
der Fachgruppe Systems Engineering ist es deshalb, sich mit
Ansätzen für ein solches disziplinübergreifendes Systemmodell,
das verschiedene Sichten erlaubt, zu beschäftigen und die
damit in Zusammenhang stehenden Fragen vor allem pragmatisch
zu lösen. An dieser Stelle ist allerdings auch noch einige
Forschungsarbeit zu leisten.
STUDIE
Mit dem Titel „Systems Engineering in der
industriellen Praxis“ ist 2013 eine Studie
zum Thema Systems Engineering erschienen,
die auf der Befragung von 32 Unternehmen
aus dem deutschsprachigen Raum
basiert. Die Clusterpartner Heinz Nixdorf
Institut, die Fraunhofer-Projektgruppe Entwurfstechnik
Mechatronik und die Managementberatung
Unity erklären darin,
was es mit dem Begriff
Systems
Engineering
(SE) auf sich
hat.
Interessenten
können die Studie
als pdf oder Druck
bestellen:
http://t1p.de/m2gk
develop 3 systems engineering 01–2014 11

Menschen & Unternehmen Titelstory
develop 3 : Muss für ein erfolgreiches Systems Engineering in dem
oben beschriebenen Sinne also ‚nur‘ ein im weitesten Sinne ‚offenes‘
Modell entwickelt werden, das in der Lage ist, die daraus
resultierende Komplexität handhabbar zu machen?
Dumitrescu: Ja, ein disziplinunabhängiges Modell ist die Idealvorstellung
– da müssen wir Schritt für Schritt darauf hinarbeiten.
Ich sehe aber noch einen Punkt davor, der vor allem die Meden
Beteiligten zusammen und fragen nach einem Modell, liefert
der Konstrukteur ein 3D-Modell des Gehäuses, der Schaltungstechniker
aber ein Schaltbild. Fragt man dann, wie sie
sich über Probleme austauschen, stellen wir häufig fest, dass
hier die Kommunikation verbessert werden muss. Unser Vorgehen
ist dann, dass wir andere Methoden vorschlagen, um
die Systeme disziplinunabhängig und damit letztlich systemübergreifend
zu modellieren. In gewisser Weise ist dieses Problem
aber hausgemacht!
develop 3 : Hausgemacht? Könnten Sie das erläutern?
Bild: it’s OWL
„Systems Engineering
ist eine Diszi -
plin, die Tools und
Methoden für die
durchgängige und
disziplinübergreifende Entwicklung technischer
Systeme bereitstellt – wobei das zu
entwickelnde System und die Gesamtheit
aller Entwicklungstätigkeiten im Mittelpunkt
stehen.“
Dr.-Ing. Roman Dumitrescu ist Geschäftsführer Strategie, Forschung
und Entwicklung der it's OWL Clustermanagement GmbH in Paderborn
sowie Leiter der Abteilung Systems Engineering am Fraunhofer-IPT
in Paderborn
thodik betrifft. Wie sieht das Modell aus, was für Informationen
muss es beinhalten – noch vor den Schnittstellen wird es
in der Fachgruppe um die Methodik gehen. Dazu gehört dann
auch, dass sich die ‚klassischen‘ Konstrukteure in den Unternehmen
damit auseinander setzen müssen, dass bezüglich
der Gesamtfunktionalität am Ende des Tages auch die Elektrotechnik,
Informatik und die Automatisierung eine wesentliche
Rolle spielen. Oftmals ist es ja so, dass diese Prozesse traditionell
nacheinander durchgeführt werden, basierend jeweils
auf Design-Reviews – besser wäre es aber, wenn sich alle Beteiligten
zu Beginn einmal zusammenfinden und zunächst
das Verständnis über das zu entwickelnde System in einem
Modell zusammentragen.
develop 3 : Im ersten Schritt geht es also zunächst einmal um die
organisatorische Aufstellung?
Dumitrescu: Ja, nehmen wir etwa stellvertretend ein Beispiel
aus der elektrischen Verbindungstechnik. Setzen wir uns mit
Dumitrescu: Nun – wir haben die Leute so ausgebildet und
dann auch noch die Unternehmen entsprechend organisiert!
An dieser Stelle besteht an Hochschulen und Unternehmen
gleichermaßen Optimierungsbedarf. Die Vermittlung von
spezialisiertem Fach-Know-how ist zwar gut und erforderlich,
es fehlt aber das Verständnis, dass es neben der eigenen Disziplin
auch andere Kollegen gibt, die an einer Entwicklung mitwirken.
Dieses Verständnis muss geschaffen und gestärkt
werden, hier fehlt vor allem die entsprechende Methodenkompetenz.
develop 3 : Der einzelne Konstrukteur, Entwickler und auch Automatisierer
muss also so weit ‚über den Tellerrand‘ blicken können,
dass er sich mit den Kollegen verständigen kann?
Dumitrescu: Exakt so ist es. Wir haben übrigens in der eingangs
erwähnten Studie auch untersucht, welche Wege es
denn gibt, zum Systems Engineer zu werden. Neben speziellen
Studiengängen, von denen ich persönlich nicht überzeugt bin,
denke ich, dass die Ausbildung zum traditionellen Ingenieur
mit den zahlreichen Vertiefungen sinnvoll ist – was fehlt, sind
zusätzliche Ausbildungsinhalte, in denen erläutert wird, wie
die anderen Disziplinen ‚ticken‘ und wie man kooperieren
kann, um einfach effizienter zu arbeiten. Der Blick auf die
Hochschulen zeigt, dass das nicht so einfach ist, denn aufgrund
der Einteilung in Fakultäten ist es oft nicht möglich, sich
Vorlesungen aus anderen Bereichen anrechnen zu lassen. Viele
Probleme sind also gerade in diesem Bereich selbst verursacht.
develop 3 : Blickt man auf die sich daraus logischerweise ergebende
Diskussion Richtung Industrie 4.0 fällt auf, dass hier neben
Mechanik- und Elektrotechnikingenieure sowie Automatisierer
auch die ITler treten – die Anforderungen sind also noch einmal
höher?
Dumitrescu: Interessanterweise wird das durch die Studie
ebenfalls belegt. Gefragt wurde dort unter anderem, welche
Anforderungen die Unternehmen an ihre Ingenieure stellen.
Heraus kam, dass neben dem Fachwissen in der Breite fast
gleichbedeutend die Soft Skills sind – und dabei geht es nicht
um die Fähigkeit zum Präsentieren oder Ähnliches. Es zeigt
sich vielmehr: Die meisten Probleme in den Unternehmen
tauchen nur an den Schnittstellen zwischen den Disziplinen
auf! Und diese bekommt man nur in den Griff, wenn man sich
unterhält und kommuniziert – leider haben Entwickler mit
sehr fokussierten Aufgabenstellungen das ein bisschen ver-
12 develop 3 systems engineering 01–2014

Titelstory Menschen & Unternehmen
Bild: it’s OWL
lernt! Mit dieser Erkenntnis sind die Unternehmen übrigens
den Hochschulen voraus. Um das Ganze in einem einfachen
Bild zusammenzufassen: Der Systems Engineer spielt die Rolle
des Dirigenten in einem Orchester. Er selbst spielt nicht
zwingend perfekt ein Instrument, muss aber sicherstellen,
dass alles zusammenpasst. Wichtig dabei ist, dass dies kein reines
Projektmanagementthema ist – es ist vielmehr erforderlich,
wirklich in die Inhalte reinzugehen, in die Modelle und die
Technik. Und das ist eine sehr fordernde Aufgabe.
develop 3 : Gibt es Branchen, die bei der Umsetzung der besprochenen
Ansätze schon besonders weit gekommen sind?
Dumitrescu: Nun, Vieles wird implizit natürlich bereits gemacht
– sonst wären viele der Unternehmen nicht so erfolgreich.
In den letzten Jahren haben zudem die großen Unternehmen
insbesondere im Automotive-Bereich massiv investiert.
Hier ist man durch die Zusammenarbeit mit den Zulieferern
ja auch darauf angewiesen, dass klare Vorgaben gemacht
werden können und die daraus resultierenden Systeme oder
Teilsysteme diesen auch entsprechen. In gewisser Weise hat
man hier das komponentenorientierte Denken hinter sich gelassen
und betrachtet eher Funktionen beziehungsweise Systeme.
Das macht man im Maschinen- und Anlagenbau noch
nicht in der Konsequenz und ist auch bezüglich der Investitionen
in Systems Engineering noch zurückhaltender.
develop 3 : Lassen Sie mich noch einmal zurückkommen auf den
Begriff der Mechatronik, der uns ja schon lange begleitet. Wo lie-
Mittels Virtual Prototyping ist technologisch ein
Ansatz gegeben, Produkte – und mittelfristig
eben auch ganze Systeme – bereits in der Entwurfsphase
ausgiebig zu untersuchen
gen die Unterschiede zum Systems Engineering oder ergibt sich
dies logisch aus der Mechatronik?
Dumitrescu: Das ist eine spannende Frage, zumal ich selbst an
der Universität Erlangen-Nürnberg einen der ersten Studiengänge
der Mechatronik absolviert habe. Dabei ging es bereits
um den Dreiklang aus Mechanik, Elektrotechnik und Software.
Der Begriff Mechatronik stammt aus den 70er-Jahren und ist
aus Japan zu uns gekommen, um elektromechanische Komponenten
zu beschreiben – letztlich geht es aber schon seit
Langem um multidisziplinäre Systeme bis hin zu verteilten
eingebetteten Systemen. Interessant ist allerdings, dass der
Begriff Systems Engineering deutlich älter ist, er tauchte in den
Vereinigten Staaten bereits in den 40er und 50er Jahren auf;
dort gab es zu diesem Zeitpunkt schon erste Vorlesungen zu
diesem Themenfeld. Auch in Deutschland gab es übrigens unter
der ursprünglichen Übersetzung Systemtechnik in den
70er-Jahren bereits einen VDI-Thementag. Danach ist die Systemtechnik
aber komplett im Themenfeld der Konstruktionslehre
verschwunden. Hier war man in der Vergangenheit aber
eher fokussiert auf die klassische Konstruktion beziehungsweise
das fertigungsgerechte Konstruieren. Historisch haben
sich also Mechatronik und Systems Engineering unabhängig
develop 3 systems engineering 01–2014 13

Menschen & Unternehmen Titelstory
In der Automotive-Branche
wurde in den vergangenen
Jahren massiv in das Systems
Engineering investiert. Auch
Industrie-4.0-Konzepte wie die
wandelbare Produktion werden
hier intensiv untersucht
Bild: it’s OWL
voneinander entwickelt. (Anmerkung der Redaktion: Eine interessante
Zusammenstellung der Entwicklung findet sich in
der erwähnten Studie ab S. 22, siehe Kasten S. 11.)
HINTERGRUND
Um die zunehmende Komplexität von Maschinen und Anlagen in den
Griff zu bekommen, ist bereits mit Beginn der Produktentwicklung ein
ganzheitliches Systemverständnis und die Betrachtung des gesamten
Lebenszyklus erforderlich. Im Rahmen des Spitzenclusters it's OWL
wurde deshalb im August 2014 die Fachgruppe Systems Engineering
gegründet. Ziel ist es, disziplinübergreifende Methoden für die Entwicklung
von intelligenten Maschinen und Anlagen in die Praxis zu bringen.
Partner sind das Fraunhofer IPT – Projektgruppe Entwurfstechnik
Mechatronik, Dassault Systèmes, die Netzwerke OWL Maschinenbau
und OWL ViProSim sowie die Gesellschaft für Systems Engineering
(GfSE). Zum Auftakttreffen bei Kannegiesser in Vlotho kamen rund
100 Teilnehmer, die in Arbeitsgruppen neue Lösungen entwickeln
werden; Anfang November fand bereits das erste Arbeitstreffen statt.
Geplant ist, bis Ende 2014 in Paderborn ein LiveLab Systems Engineering
einzurichten. Bis in fünf Jahren will man dann im engen Schulterschluss
mit der Industrie die Methodik für das Systems Engineering
entwickeln und verschiedene methodische und technologische Ansätze
überprüft haben.
Interessierte Unternehmen können sich an der Fachgruppe beteiligen,
Ansprechpartner ist hier:
Dr.-Ing. Peter Ebbesmeyer
Fraunhofer IPT – Projektgruppe Entwurfstechnik Mechatronik
Tel. 05251/5465344
peter.ebbesmeyer@ipt.fraunhofer.de
develop 3 : Lassen Sie mich abschließend noch eine Frage stellen:
Wann glauben Sie, wird der eingangs erwähnte, noch existierende
Bruch zwischen CAD-Tools auf der einen und Programmierwerkzeugen
der Automatisierer auf der anderen Seite überwunden
sein?
Dumitrescu: Hier gibt es ja zwei Ansätze: Einerseits die Variante,
dass alle Funktionalitäten in eine Toolwelt eines Anbieters
integriert werden, und andererseits den aus meiner Sicht interessanteren
‚föderativen‘ Ansatz – sprich: Eigene Tools für das
Systems Engineering, die unabhängig von den zum Einsatz
kommenden CAD- und Simulationstools arbeiten und sich darauf
konzentrieren, als Schnittstelle zu dienen. Das haben wir
bei uns auch schon einmal getestet und das funktioniert. In
diesem Sinne ist die technische Grundlage vorhanden, aber
das ganze methodische Wissen – beispielsweise welches Objekt
jetzt im CAD mit welchem Objekt in der Simulation korreliert
– das muss noch erforscht werden. In spätestens fünf Jahren
wollen wir hier über die Arbeit in unserem Systems-Engineering-LiveLab
am Fraunhofer-IPT in Paderborn zu einem Ergebnis
gekommen sein.
develop 3 : Dr. Dumitrescu – ganz herzlichen Dank für dieses aufschlussreiche
Gespräch und gutes Gelingen.
www.its-owl.de
Das Interview führte Michael Corban,
Chefredakteur develop 3 systems engineering
14 develop 3 systems engineering 01–2014

Produktentwicklung Menschen & Unternehmen
Im Interview: Georg Stawowy, Chief Technical Officer, Lapp Holding AG
„Prozesse kommen vor
Software-Tools”
Ende 2013 besetzte die Stuttgarter Lapp Gruppe die neue Position des
Chief Technical Officer (CTO) mit Georg Stawowy, der unter anderem auch
die Entwicklungsaktivitäten des Kabelspezialisten koordiniert. Mit dem
CTO sprach die develop 3 über die Anforderungen eines global agierenden
Unternehmens.
develop 3 : Herr Stawowy, die Produktentwicklung findet bei Lapp
vorwiegend in Stuttgart und New Jersey statt, im schweizerischen
Cham betreibt Lapp Engineering Grundlagenforschung.
Welche Rolle spielen die einzelnen Standorte?
Stawowy: Der größte Teil unserer Entwicklungsarbeit findet in
Stuttgart statt, lokale Approbationen werden dezentral an unterschiedlichen
Standorten realisiert. Die Kollegen in New Jersey
zum Beispiel kümmern sich um die UL-Zertifizierungen.
Auch an weiteren Standorten, darunter Indien und Korea, unterhalten
wir Entwicklerteams und entsprechende Testlabore.
Das ist uns als Technologieführer sehr wichtig. In einem dritten
Schritt entwickeln wir schließlich noch an bestimmten Standorten
kundenspezifische Kabel. Ein Beispiel dafür ist unser
Spezialist für Robotik-Kabel, Lapp Muller in Frankreich (Anmerkung
der Redaktion: siehe dazu elektro AUTOMATION 9/2014,
S. 32). Um offen für Ideen und Trends in der Entwicklung zu sein
– insbesondere auch über die Lapp Gruppe hinaus – haben die
Brüder Lapp außerdem in der Schweiz Lapp Engineering als
Dienstleister für Forschung und Entwicklung aufgestellt. Formell
gesehen gehört das Unternehmen bewusst nicht zur
Lapp Gruppe, um es für Aufträge Dritter zu öffnen, so dass die
Kollegen dort eine breite Kompetenz aufbauen können. Davon
können wir wiederum profitieren, wenn wir das Unternehmen
beauftragen; neben Grundlagen geht es dabei vor allem
um Materialien sowie die Prozessentwicklung.
develop 3 : Tauschen sich denn die Entwickler an den einzelnen
Standorten untereinander aus?
Stawowy: Die Mitarbeiter kennen sich natürlich und tauschen
ihre Erfahrungen aus – gleichwohl gibt es Themen, bei denen
wir das noch besser koordinieren wollen. Das war auch mit einer
der Gründe, warum meine Position geschaffen wurde. So
haben wir bisher zum Beispiel in Stuttgart und New Jersey parallel
an Servokabeln gearbeitet, was mit Blick auf die lokalen
Anforderungen ja auch richtig ist. Auf einem höheren Abstraktionsniveau
werden dabei aber natürlich die gleichen Entwicklungs-Fragestellungen
bearbeitet – und genau das wollen wir
stärker koordinieren. Ziel ist es, das Wissen, das auf einem Kontinent
aufgebaut wird, weltweit in einem gewissen Rahmen
standardisiert zur Verfügung zu stellen, über die vielen infor-
mellen Netzwerke hinaus. All das
fassen wir bei Lapp unter dem Stichwort
TIM zusammen – Technology
& Innovation Management. Konkret
führt dies dazu, dass zu einem
Ideen-Workshop in Stuttgart
grundsätzlich immer auch Vertreter
aus Amerika und Asien eingeladen
werden, um sicherzustellen, dass
neue Ideen auch über die ganze
Lapp Gruppe hinweg geteilt werden.
Der nächste Schritt sind dann länderübergreifende TIM-
Communities, die eine Idee weiter vorantreiben, bis idealerweise
daraus ein Entwicklungsprojekt wird.
develop 3 : Setzen Sie unterstützend dazu Software ein, etwa für
das Anforderungs- oder neudeutsch Requirements-Management?
Stawowy: Noch nicht – allerdings wäre das für mich auch erst
ein nachrangiger Schritt. Warum? Ich bin der Überzeugung,
dass zunächst der zugrunde liegende Prozess sauber aufgesetzt
sein und funktionieren muss, bevor man sich dazu das
passende Tool aussuchen kann. Ansonsten ist die Gefahr sehr
groß, dass wir die Mitarbeiter in Zwangsabläufe stecken, um
ein System zu füllen, von dem sie aber nicht unbedingt profitieren.
Erst wenn ein Prozess funktioniert und man verstanden
hat, warum bestimmte Abläufe sinnvoll sind, ist man
auch bereit, den dafür erforderlichen Aufwand etwa hinsichtlich
der Dateneingabe und -pflege zu leisten. Grundvoraussetzung
dafür ist, dass wir das dahinter stehende Netzwerk verstehen.
develop 3 : Herr Stawowy, herzlichen Dank für das Gespräch und
viel Erfolg bei Ihrer Tätigkeit.
www.lapp.de
Bild: Lapp
Georg Stawowy,
Chief Technical Officer,
Lapp Holding AG
develop 3 systems engineering 01-2014 15

Menschen & Unternehmen Produktentwicklung
Anlässlich 25 Jahren SPS IPC Drives: Chancen und Herausforderung für den Standort Deutschland
„Die Industriekultur
muss sich verändern“
Kompetenz in technischer Software und interdisziplinäres Zusammenarbeiten sind
die Schlüssel, Industrie 4.0 erfolgreich umzusetzen und damit die Wettbewerbsfähig -
keit am Standort Deutschland zu sichern, sagt Friedhelm Loh. Der runde Geburtstag der
SPS IPC Drives gab der elektro AUTOMATION Gelegenheit, den Ehrenpräsidenten des
ZVEI sowie Inhaber der Friedhelm Loh Group über die zukünftigen Herausforderungen
der Automatisierung zu befragen.
„Einen Schub brauchen wir auch bei der
Zusammenführung unterschiedlicher Disziplinen
– der Elektrotechnik, Mechanik
und Informationstechnologie.“
Friedhelm Loh, Inhaber und Vorstandsvorsitzender der
Friedhelm Loh Group sowie Ehrenpräsident des ZVEI
Bild: Rittal
develop 3 : Herr Loh, wie bewerten Sie die letzten 25 Jahre und vor
welchen Herausforderungen stehen wir in der Automatisierungstechnik?
Loh: Wir sind in der Automatisierungstechnik in Deutschland
gut aufgestellt. Allerdings stehen wir vor der großen Herausforderung,
den Wandel durch die Digitalisierung hin zu Industrie
4.0 erfolgreich zu gestalten. Das setzt eine technische Software-Kompetenz
am Standort Deutschland voraus – und genau
hier ist die Schwäche. Während wir in Deutschland in der
kaufmännischen Software wettbewerbsfähig sind, liegt die
technische Software-Kompetenz im Ausland, vor allem in den
USA. Es gilt daher am Standort Deutschland, verstärkt in die
Wettbewerbsfähigkeit beim Thema Engineering-Software zu
investieren. Die Friedhelm Loh Group hat dies frühzeitig erkannt
und mit Rittal Software Systems, den Unternehmen
Eplan und Cideon, hohe Investitionen in diesem Segment getätigt.
Einen weiteren Schub brauchen wir aber auch bei der
Zusammenführung unterschiedlicher Disziplinen – der Elektrotechnik,
Mechanik und Informationstechnologie.
develop 3 : Software wird also eine entscheidende Rolle spielen?
16 develop 3 systems engineering 01–2014

Produktentwicklung Menschen & Unternehmen
Loh: Die Software-Kompetenz wird zweifelsfrei – neben der
Fähigkeit in Netzwerken effizient zu denken und zu arbeiten –
zum Schlüssel des industriellen Erfolgs. Ich bin davon überzeugt,
dass wir die Wirtschaftsleistung in Deutschland nur auf
dem heutigen Niveau halten beziehungsweise ausbauen
können, wenn uns die Kombination aus Software, Hardware
und Netzwerken besser gelingt als dem internationalen Wettbewerb.
Sieger wird bei Industrie 4.0 der sein, der die Zusammenführung
von Mechanik, Elektronik und Elektrotechnik sowie
IT optimal hinbekommt. Das bedeutet eine starke Veränderung
der Industriekultur. Es reicht nicht mehr, besser in
der eigenen Welt zu sein. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit
ganzer Branchen ist ein Muss.
develop 3 : Was müssen wir tun, um diese interdisziplinäre Zusammenarbeit
in der von Ihnen beschriebenen Weise auch in der
Praxis umzusetzen?
Wir müssen lernen, über traditionelle Schranken hinweg zusammenzuarbeiten
– technische und organisatorische Grenzen
müssen verschwinden. Insgesamt brauchen wir eine Revolution
in den Köpfen, nämlich die Zusammenführung von
Disziplinen – in der Industrie, in Forschung und Ingenieurwissenschaften
sowie in den Verbänden.
len, wird immer schwieriger. Die Forderung der Märkte heute
und morgen ist Produktkompetenz und Problemlösungskompetenz.
Der Schaltschrankbau zum Beispiel muss deshalb in
seinen Kompetenzen, seinem Lösungs- und Serviceportfolio
hochgradig standardisiert und gleichzeitig variantenreich
sein, um den Anforderungen der Kunden und den internationalen
Approbationen gerecht zu werden. Die Standar -
disierung bei Produkten und Softwaresystemen ist auch notwendig,
um den Service beim Endkunden kosteneffizient und
weltweit nach gleichen Qualitätskriterien möglich zu machen.
Soll dieser hohe Anspruch erfüllt werden, ist die Vor -
aussetzung ein zuverlässiges Netzwerk von global agierenden,
innovativen Technologieführern und zuverlässigen Partnern
entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Die deutsche
Elektroindustrie hat genau diese Kompetenz als Systempartner.
„Es reicht nicht mehr, besser in der
eigenen Welt zu sein. Die interdisziplinäre
Zusammenarbeit ganzer Branchen ist
ein Muss.“
develop 3 : Jungen Menschen bietet dies aber gleichzeitig eine
Chance. Lohnt es sich, sich auf das Themenfeld der Automatisierung
zu spezialisieren?
Loh: Auf jeden Fall. Die Automatisierungstechnik bietet jungen
Menschen die Chance, Industriegeschichte zu schreiben
und damit eine attraktive Karriere zu beschreiten. Wir leben in
einer Zeit, die geprägt ist von radikalen Brüchen mit dem Bekannten
aufgrund enormer technologischer Veränderungen.
Das bietet riesige Chancen für neugierige und kreative Menschen.
Denn Industrie 4.0 ist gespickt mit interessanten Querschnittsthemen.
Sie erfordert etwa die Entwicklung einer Referenzarchitektur,
die weitere Standardisierung von Prozessen
sowie die Erarbeitung von Sicherheitsstandards und -konzepten.
Dazu brauchen wir nicht nur begeisterte junge Menschen,
sondern auch eine Aus- und Weiterbildungsallianz der
betroffenen Branchen – von Elektrotechnik, Maschinenbau
und IT.
develop 3 : Welche Themen spielen zukünftig insbesondere für Ihre
Unternehmen eine wesentliche Rolle?
Loh: Das Systemgeschäft nimmt international deutlich an
Fahrt auf und gewinnt stark an Bedeutung. Bei einzelnen
Komponenten und Produkten Wettbewerbsvorteile zu erziedevelop
3 : Welche Rolle kann dabei die SPS IPC Drives als Messe
spielen?
Loh: Die SPS IPC Drives leistet als führende Messe für Automatisierungstechnik
einen sehr wichtigen Beitrag. Hier erfolgt
der konzentrierte Austausch unter Experten. Besucher erhalten
disziplinübergreifend einen umfassenden Einblick in die
Forschungs- und Entwicklungsarbeit der Branche. Als Unternehmensgruppe
schätzen wir diese Messe seit vielen Jahren
als hervorragende Plattform für den Austausch mit unseren
Kunden. Die starke Präsenz der Unternehmen Eplan, Cideon,
Rittal und Kiesling als einmalige Wertschöpfungskette bestätigt
die zentrale Bedeutung dieser Fachmesse für uns. Zur
25-jährigen Erfolgsgeschichte der SPS IPC Drives gratulieren
wir ganz herzlich und bedanken uns für die partnerschaftliche
Zusammenarbeit. Den Initiatoren gilt unser Kompliment verbunden
mit unserem Dank für die Organisation der Messe.
develop 3 : Herr Loh, wir danken für die interessanten Antworten.
www.friedhelm-loh-group.de
SPS IPC Drives: 5-101/111
Die Fragen stellte
Michael Corban, Chefredakteur
develop 3
systems engineering
develop 3 systems engineering 01–2014 17

Menschen & Unternehmen Produktentwicklung
Langfristig ebnet ein leistungsfähiges
Modellierwerkzeug auch den Weg
in die Industrie 4.0, weil es die Grundlage
für die digitale Durchgängigkeit
legt
Daimler: M-CAD-Systemwechsel läuft konzernweit auf vollen Touren
Systems Engineering im Fokus
Bilder: Daimler
Ausschlaggebend für den Wechsel des M-CAD-Systems bei Daimler waren vor allem
Überlegungen rund um die Datenverwaltung. Verbunden damit nimmt der Automobilhersteller
aber auch seine Engineering-Prozesse unter die Lupe, unter anderem
mit Blick auf das Systems Engineering.
„Industrie 4.0 wird kommen
– allerdings wird das
noch einige Zeit dauern“,
sagt Daimler-CIO Dr.
Michael Gorriz
Manche Meldungen haben es in sich – so wie die zum Wechsel
des M-CAD-Systems bei Daimler, der Ende 2010 angekündigt
wurde. Beschlossen wurde, Catia V5 von Dassault Systèmes
durch NX von Siemens zu ersetzen. In 2014 laufe nun konzernweit
die Umstellung von Catia V5 auf NX, berichtete Ende
April anlässlich des ‚TecDay PLM‘ in Böblingen Daimler-CIO Dr.
Michael Gorriz. „Das intern ‚PLM2015‘ genannte Großprojekt
ist in der entscheidenden Phase und soll bis zum zweiten
Quartal 2015 in allen Geschäftsbereichen abgeschlossen werden.“
Den enormen Aufwand – insbesondere auch bezüglich
der Schulung der Mitarbeiter –
nimmt der Automobilbauer nicht
zuletzt deswegen in Kauf, weil er
sich bezüglich der Datenverwaltung
Vorteile verspricht. Das Daimler-eigene
PDM-System Smaragd
(das ursprünglich auf Metaphase
von SDRC und damit heute auf
Teamcenter von Siemens basiert)
sei künftig kompatibel zu NX, so
„Mit NX sehen wir Potenzial
insbesondere hinsichtlich
der physikalischen Beschreibung
und Analyse
des Produktverhaltens“,
sagt Dr. Peyman Merat,
Projektleiter PLM2015
Gorriz weiter. „Bei einem Austausch
der PDM-Lösung hätten wir ansonsten
zu viele Prozesse umstellen
müssen, der CAD-Umstieg war deswegen
der sinnvollere Weg.“ Gleichzeitig
nutzt Daimler aber die Systemumstellung,
um alle Engineering-Prozesse zu überdenken
und richtet den Blick auch in die Zukunft – etwa bezüglich des
Systems Engineerings, also des ganzheitlichen Systementwurfs
unter Beachtung der Interaktion der drei Disziplinen
Mechanik, Elektrotechnik und Software. „Mit NX sehen wir Potenzial
insbesondere hinsichtlich der physikalischen Beschreibung
und Analyse des Produktverhaltens“, erläuterte Dr. Peyman
Merat, Projektleiter PLM2015 bei Daimler.
So bietet NX etwa die Möglichkeit, bei der Auslegung des Elektroantriebs
eines Schiebedachs bereits den Verlauf der
Schließkraft über der Zeit beim Zufahren des Schiebedachs
und damit auch die maximale Schließkraft zu berücksichtigen,
um Verletzungen der Fahrzeuginsassen sicher auszuschließen.
Letztlich spielt hier also auch schon die Regelungstechnik
und damit die Software mit hinein. Damit kann Daimler auch
den Weg in Richtung Industrie 4.0 weiter verfolgen. Auf diese
Weise lässt sich dann über die Produktionsplanung hinaus die
Fertigung weiter optimieren. „Das wird aber noch einige Zeit
dauern“, betonte Gorriz, „und nur nach und nach umzusetzen
sein.“ Bei der Erarbeitung der dazu erforderlichen Semantik –
damit die Maschinen verstehen, was zu tun ist (siehe elektro
AUTOMATION 11/2013, S. 34: Gesucht wird: eine Sprache für
Fertigungsanweisungen) – werde das Resource Description
Framework (RDF) eine entscheidende Rolle spielen, so der CIO
abschließend.
co
www.daimler.com
18 develop 3 systems engineering 01–2014

- DER SCHLÜSSEL
ZU EFFIZIENTEM ENGINEERING
mapp-Bausteine in Automation Studio
< 67% schnellere Entwicklungszeit
< Reduzierte Investitionsrisiken
< Höhere Maschinenverfügbarkeit
< Niedrigere Wartungskosten
< Mehr unter: www.br-automation.com/mapp

Menschen & Unternehmen Stimmen zum Systems Engineering
Norbert Scholz, Geschäftsführer Vertrieb und Technik, Baumüller Nürnberg
„Erforderlich sind
definierte Schnittstellen“
Das Thema Engineering rückt immer weiter in den Fokus, da
disziplinübergreifendes Teamwork für die Realisierung moderner
Anlagen ein wesentlicher Erfolgsfaktor ist. Die Anforderungen
an Maschinen und Anlagen werden immer komplexer.
Die Integration mechatronischer Gesamtsysteme, der Einsatz
unterschiedlicher Kommunikationsmechanismen, die
Datenaufbereitung für die horizontale und vertikale Vernetzung
– all das sind Themen, denen nur mit durchgängigem Engineering
begegnet werden kann.
Derzeit stehen Tools – wie zum Beispiel unser Engineering Framework
ProMaster – zur Verfügung, die den gesamten Lebenszyklus
einer Maschine vollumfänglich abbilden. Sie bieten
die Möglichkeit zur Integration technologiebasierter
Schnittstellen im Gesamtkontext, von der Planung über die
Modularisierung und das technologiebasierte Engineering,
bis hin zur virtuellen Inbetriebnahme. Dadurch können Maschinen
und Anlagen kosten- und energieeffizient auf einer offenen
und durchgängigen Plattform geplant, getestet und validiert
werden.
„Disziplinübergreifendes Teamwork ist
für die Realisierung moderner Anlagen
ein wesentlicher Erfolgsfaktor.“
Mass Customization erfordert
Verarbeitung großer Datenmengen
Als besondere Herausforderung stellt sich dabei die Berücksichtigung
von Maschinen und Anlagen für kundenindividuelle
Produkte (Mass Customization) bereits im Engineeringprozess.
Individualisierte Massenprodukte können auf diese Weise
in Zukunft effizient produziert werden. Mit Blick auf Industrie
4.0 steht dann vor allem die Bereitstellung großer Mengen
komplexer Daten und deren intelligente Selektion, Speicherung
und Verarbeitung für die horizontale und vertikale Vernetzung
im Mittelpunkt. Durch Cloud Computing können die
Daten aus den unterschiedlichen Bereichen eines Unternehmens,
beispielsweise Marketing, Vertrieb, Produktion und Service,
in Zukunft selektiert werden und stehen immer aktualisiert
zur Verfügung. Die Auslagerung einer hardwarebasierten
Automatisierungslösung in eine virtuelle Systemlösung in der
Cloud ist theoretisch heute schon möglich, allerdings bei der
derzeitigen Infrastruktur bei weitem noch nicht optimal.
Wichtig sind bei der angestrebten Durchgängigkeit des Engineerings
besonders die Schnittstellen. Die Kommunikation
wird nur mit definierten Schnittstellen sinnvoll möglich sein.
Hier möchte ich zum Beispiel den Software-Schnittstellen-
Standard OPC UA nennen, der genau diese Durchgängigkeit
über alle Ebenen hinweg ermöglichen soll.
Wiederverwendung
reduziert den Engineering-Aufwand
Was die digitale Durchgängigkeit allgemein anbelangt, so
kann sie als Ziel der vergangenen und zukünftigen Entwicklungen
in der Automatisierung betrachtet werden. Es wird eine
Durchgängigkeit von der Visualisierung bis zur I/O-Klemme
angestrebt. Bedeutend ist für uns und unsere Kunden außerdem,
dass Bereiche wie die Simulation abgedeckt werden, für
die die Methoden bereits vorhanden sind. Außerdem spielen
Stichworte wie Fehlervermeidung eine Rolle. Dafür stehen etwa
aktuell validierte Technologiebibliotheken zur Verfügung,
in die nur getestete Funktionsbausteine aufgenommen werden.
Womit wir dann auch schon beim Stichwort Variantenhandling
wären. Sinnvolles Variantenhandling ist die Basis für
nachhaltiges Engineering. Die Wiederverwendung von Bausteinen
reduziert den Engineering-Aufwand, spart dadurch
Zeit und Kosten, beschleunigt die Time-to-Market und ebnet
der effizienten Erfüllung kundenspezifischer Vorgaben den
Weg.
Knackpunkt ist aber, dass das Engineering heute eine durchgängige
Datenbasis benötigt, bei Baumüller ist das etwa xml,
die die toolübergreifende Verarbeitung von Daten ermöglicht.
www.baumueller.de
Norbert Scholz ist Geschäftsführer
Vertrieb und Technik bei der Baumüller
Nürnberg GmbH in Nürnberg
20 develop 3 systems engineering 01–2014

Bild: Baumüller Nürnberg

Menschen & Unternehmen Stimmen zum Systems Engineering
Dr. Rainer Stetter, Geschäftsführer, ITQ
„Software ist ein Kernthema“
Hohe Produktivität in der Produktion kennt jeder, aber wie erreicht
man hohe Produktivität in der Entwicklung? Klar erkennbar
ist, dass im Rennen um innovative Lösungen nur der
erfolgreich ist, der komplexe, mechatronische Produkte
schnell und in guter Qualität zu tragbaren Kosten entwickelt.
Systems Engineering kann hier als interdisziplinärer Ansatz
insbesondere auch im Maschinen- und Anlagenbau das Engineering
durchgängiger und damit effizienter machen – unter
Berücksichtigung der strategischen Rolle, die heute der Software
als wesentlichem Bestandteil eines Produktes oder einer
Maschine zukommt.
Die Mehrzahl der Produkte besteht heute aus mechanischen
und elektronischen Komponenten, in die wiederum Softwarekomponenten
‚embedded‘ sind. Diese Cyber-physischen Systeme
werden also auf mehreren Abstraktionsebenen funktional
durch Software ‚getrieben‘. Dieser Trend zur Software führte
übrigens bereits vor mehr als 15 Jahren zur Gründung des
Fachverbands Software im VDMA – damals zogen gestandene
Maschinenbauer noch die Augenbrauen hoch angesichts
des Slogans: ‚In Zukunft gibt es keine Maschinen mehr mit
Software, sondern Software mit Maschine.‘ Heute handelt es
sich allerdings um ein gesellschaftspolitisches Kernthema, wie
etwa die Spiegel-Veröffentlichung mit dem brisanten Titel
‚Software frisst die Welt‘ (Spiegel 15/2014) zeigt.
„Nur ein übergreifendes und abgestimmtes
Engineering ist in der Lage, disziplinüber greifend
Module und Plattformen zu entwickeln
und somit wiederum Kosten zu senken.“
neerings hin zu einem fertigen, mechatronischen Baukasten
weit – Aufwand und Kosten dafür sind im Vorfeld immens.
Durchgängig skalierbare Hard- und Software ermöglicht es an
dieser Stelle, die Modularisierung von Maschinenfunktionen
auch in der Software abzubilden – und trägt damit der Bedeutung
der Software Rechnung.
Allerdings: Auch wenn sich heutzutage mit nahezu jeder Automatisierungslösung
modulare Softwaresysteme aufbauen
lassen, fällt dem Maschinenbauer dennoch das Vordenken
von Softwarestrukturen besonders schwer, da sich häufig die
Modularisierung ‚nur‘ auf die Mechanik bezieht. Auch hier
setzt das Systems Engineering an – nur ein übergreifendes
und abgestimmtes Engineering ist in der Lage, disziplinübergreifend
Module und Plattformen zu entwickeln und somit
wiederum Kosten zu senken. Chancen beim Engineering ergeben
sich darüber hinaus nicht nur über Disziplin-, sondern
auch Unternehmensgrenzen hinweg – vielfach eine sehr große
Herausforderung.
Als zielführend hat sich die intensive und partnerschaftliche
Zusammenarbeit von kleinen Unternehmen, die sich auf spezielle
Aspekte des modernen Software-Engineerings fokussieren,
mit Unternehmen, deren Schwerpunkt im klassischen
Maschinenbau liegt, erwiesen. Diese Kombination von Unternehmen,
die Spezialthemen wie etwa die Einführung von agilen
Entwicklungsmethoden, objektorientierte Programmierung
im Steuerungsumfeld oder Qualitätssicherung von mechatronischen
Systemen durch Einsatz von leistungsfähigen
Simulationsansätzen beherrschen, und Maschinenbauern,
die weltweit Maschinen exportieren, bringt Effizienz und Flexibilität
in die Entwicklungsprozesse – was wiederum den
Grad der Innovationsfähigkeit erhöht.
www.itq.de
Kostenreduktion durch
Wiederverwendung von Modulen
Nutzt der Maschinenbau in der Produktentwicklung in den jeweiligen
Disziplinen verschiedene Engineering-Werkzeuge,
die nicht aufeinander abgestimmt sind, müssen immer noch
sehr viele Daten zwischen den Gewerken manuell ausgetauscht
werden. Tool- und Komponentenhersteller hadern
zudem oft mit den unterschiedlichen Anforderungen der Maschinenbauer
– was weitere Probleme mit sich bringt, wenn in
Zeiten von Industrie 4.0 miteinander vernetzte und interagierende
Systeme eine Komplexität erreichen, die eine Vereinheitlichung
der Prozesse sowie Definition reibungsloser Schnittstellen
und Austauschformate nochmals erschwert.
Abhilfe schafft vielfach die Modularisierung von Maschinen –
was in erster Linie das Wiederverwenden von Teillösungen bedeutet,
die man anforderungsbedingt wieder nutzt und mit
neuen Funktionen ausstattet. Allerdings ist der Weg des Engi-
Anmerkung der Redaktion: siehe dazu auch den Terminhinweis
„Engineering zum (Be-)Greifen“, S. 8
22 develop 3 systems engineering 01–2014

Dr. Rainer Stetter ist Geschäftsführer der
ITQ GmbH in Garching bei München
Bild: ITQ

Menschen & Unternehmen Stimmen zum Systems Engineering
Dr.-Ing. Armin Walter, Geschäftsführer, Lenze Engineering
„Weitere Disziplinen
sind noch zu integrieren“
Der Maschinenbau steckt in einem gewissen Dilemma. Zunächst
haben wir es gerade im Konsummarkt mit Produkten
zu tun, die immer kurzlebiger werden. Und auch wenn sich der
Inhalt über Jahrzehnte beim Verbraucher etabliert hat, wird
mit einer gewissen Regelmäßigkeit mindestens an der Verpackung
gedreht. Dieses Produzenten- und Verbraucherverhalten
wirkt sich direkt auf den Maschinenbau aus. Es gilt, in kürzester
Zeit neue Lösungen zu entwickeln und in einem schmalen
Zeitfenster zur Serienreife zu bringen. Diese Arbeitsweise
ist nur noch deshalb möglich, weil mechanische Funktionszusammenhänge
automatisiert
abgewickelt werden. Der
wachsende Anteil von Software
in der Automatisierung belegt
diesen Trend.
Was folgt daraus für das Systems
Engineering? Allein der Begriff
macht deutlich, dass es im
Maschinenbau nicht mehr ausreicht,
den Erfolg allein im eigenen
Know-how zu suchen. Die gute Idee und der erfindungsreiche
Kniff im Detail eines Prozesses zahlen sich erst dann aus,
wenn es die Unternehmer schaffen, ihre Ideen kurzfristig und
wettbewerbsfähig auf die Straße zu bringen.
Komplexität und Variantenvielfalt nehmen weiter zu
Der schnelle Markt mit immer kürzeren Produktlebenszyklen
und individualisierbaren Waren in Kleinststückzahlen lässt
sich bei den Herstellern nur dann preislich wie organisatorisch
effizient beherrschen, wenn sowohl die Maschinen als auch
die übergeordneten Abläufe dieser Flexibilität standhalten
können. Wie geht der Maschinenbau damit um? Wir sind davon
überzeugt, dass die Bedeutung des Systems Engineerings
aus Sicht der Innovation und aus betriebswirtschaftlichen
Aspekten stetig steigen wird. Es ist eine weitere Zunahme der
Komplexität speziell in der Antriebs- und Steuerungstechnik
sowie eine Steigerung der Variantenvielfalt zu beobachten
und weiterhin zu erwarten. Immerhin kann der Anteil des Engineerings
an den Gesamtkosten einer spezialisierten Einzelmaschine
bis zu 70 Prozent betragen – und dieser Anteil wird
angesichts der geschilderten Rahmenbedingungen im Konsummarkt
zunehmen.
Gerade die mittelständisch geprägten Maschinenbauunternehmen
sollten daher möglichst frühzeitig, das heißt bereits
in der Entwicklungsphase, Spezialisten aus der Automatisierungstechnik
einbinden. Gefragt sind mehr denn je Engineering-Partner,
die sie dabei unterstützen, ihre Maschinenideen
in sichere, innovative und modulare Maschinenkonzepte umzusetzen.
„Wir sind davon überzeugt, dass die
Bedeutung des Systems Engineerings
aus Sicht der Innovation und aus betriebswirtschaftlichen
Aspekten stetig
steigen wird.“
Partnerschaft bis hin zu Wartungsarbeiten
Hierbei bedeutet Systems Engineering weit mehr als Hilfe bei
der Programmierung. Gefragt ist die zuverlässige Begleitung
über alle Phasen der Maschinenentwicklung hinweg – von der
ersten Idee, über das Konzept, die Lösung und den Maschinenbau
bis hin zum sicheren Betrieb. Insbesondere die Prototypen
müssen genau und zeitgerecht realisiert werden. Neben dieser
partnerschaftlichen Zusammenarbeit unterstützt Lenze
diesen Ansatz generell durch modulare, standardisierte und
wiederverwendbare Software für den Maschinenbau, wie unsere
Software Toolbox Fast, und
durch eine Engineering-Tool-Kette,
die alle oben genannten Phasen
effizient begleitet. Somit
werden die klassischen Disziplinen
Mechanik, Elektronik und
Software des Maschinenbauers
und des Automatisierungsspezialisten
gewinnbringend zusammengeführt.
Diese Partnerschaft
kann sich übrigens nicht nur auf die Entwicklung der
Maschine beschränken, sondern muss Inbetriebnahmen und
Wartungsarbeiten weltweit umfassen.
Dieses hier angerissene Thema ist in seiner Entwicklung noch
lange nicht zu Ende. Für die effiziente Herstellung von individualisierten
Produkten wird eine hochgradig vernetzte Produktion
benötigt. Die Maschinen müssen dazu an die Leitebene
angebunden werden und untereinander einen durchgängigen
Informationsfluss gewährleisten können. Für das Systems
Engineering bedeutet dies, dass es noch weitere Diszi -
plinen integrieren muss.
www.lenze.com/de
Dr.-Ing. Armin Walter ist Geschäftsführer der
Lenze Engineering GmbH & Co. KG in Aerzen.
Im Hintergrund: Messe-Demonstrator ‚Easy
Machine 2.0‘ als Beispiel für ein ‚System‘ –
von der gestengesteuerten Visualisierung für
das einfache Bedienen und Beobachten bis
hin zu mechatronischen Antriebslösungen
24 develop 3 systems engineering 01–2014

Bilder: Lenze

Menschen & Unternehmen Stimmen zum Systems Engineering
Christoph Bräuchle, Business Development Director, PTC
„Komplexität beherrschbar
zu machen ist das Ziel“
Als Hersteller von Softwareanwendungen für Unternehmen,
die innovative Produkte herstellen, betreiben und warten, beobachten
wir in den vergangenen Jahren Trends, die völlig
neue Herausforderungen an die klassische Produktentwicklung
stellen. Systems Engineering sehen wir als zentralen Ansatz,
um diesen Herausforderungen erfolgreich zu begegnen.
Innovation treibt nach wie vor die Produktentwicklung an. Wo
sich jedoch vor zehn Jahren innovative Produkte hauptsächlich
über technische Ausstattungsmerkmale definierten, stehen
heute integrierte Funktionalitäten im Vordergrund, die erfahrbaren
Mehrwert wie beispielsweise Zeitgewinn, Komfort oder
Sicherheit bieten, gleichzeitig aber intuitiv nutzbar und ständig
verfügbar sind. Technische Komponenten sollten dabei
möglichst in den Hintergrund treten. Konnektivität ist so
längst nicht mehr nur auf Smartphones und Computer beschränkt,
sondern Grundlage für innovative Produktfunktionen
und ermöglicht Herstellern neue Geschäftsmodelle. Um
heute innovative Produkte entwickeln zu können, müssen
„Um heute innovative Produkte zu entwickeln,
müssen Hersteller das Zusammenspiel mechanischer
und elektronischer Komponenten mit der integrierten
Software und vernetzten Systemen zu jedem
Zeitpunkt des Produktlebenszyklus beherrschen.“
Hersteller das Zusammenspiel mechanischer und elektronischer
Komponenten mit der integrierten Software und vernetzten
Systemen zu jedem Zeitpunkt des Produktlebenszyklus
beherrschen. Genau diese Komplexitätsbeherrschung
wird durch einen ganzheitlichen Systems-Engineering-Ansatz
ermöglicht. Dabei greifen – ganz wichtig – neben den Tools
auch Methoden, die sowohl bewährte Praktiken als auch neue
Herangehensweisen beschreiben, und Prozesse, die das Zusammenspiel
der beteiligten Disziplinen und Aktivitäten im
Produktlebenszyklus definieren, ineinander.
Noch fehlt eine akzeptierte,
offene Interoperabilitätsspezifikation
Die Basis für das Systems Engineering steht bereits heute, Herausforderungen
sind mangelnde Agilität in Referenzprozessen
und Interoperabilität. Unsere Softwareanwendungen für
modellbasiertes Systems Engineering in Verbund mit Application
und Product Lifecycle Management (PLM) ermöglichen
unseren Kunden den Aufbau einer durchgängigen Systems-
Engineering-Umgebung.
Eine Herausforderung stellt allerdings das Fehlen einer offenen,
von den führenden Toolherstellern akzeptierten Interoperabilitätsspezifikation
dar. So ist die Anbindung spezieller Engineering
Tools derzeit oft nur herstellerspezifisch zu lösen. PTC
beteiligt sich daher im EU-Projekt Crystal (CRitical sYSTem engineering
AcceLeration) aktiv an der Definition und Referenz -
implementierung einer offenen Interoperabilitätsspezifikation
für durchgehende Werkzeugketten für sicherheitskritisches
Systems Engineering.
Organisatorische Abläufe und Prozesse zur disziplinübergreifenden
Zusammenarbeit im Systems Engineering sind in Reifegradmodellen
wie etwa CMMi oder Spice gut definiert, allerdings
häufig zu Lasten der Agilität. Kurze Reaktionszeiten auf
sich ändernde Marktanforderungen und neue Technologien
erfordern aber eine hohe Flexibilität in den Entwicklungsabläufen.
In der Softwareentwicklung haben sich daher agile
Methoden etabliert. Unser Ansatz, um sowohl die Einhaltung
der definierten Entwicklungsprozesse sicherzustellen, als
auch agiles Systems Engineering zu ermöglichen, ist die Bereitstellung
eines Scrum-basierten Frameworks zur Verwaltung
der Produktentwicklung in unserer Application-Lifecycle-Management-Plattform,
die ein zentraler Bestandteil unserer Systems-Engineering-Lösung
ist.
Durchgängigkeit bis in
die Automatisierung ist realisierbar
Die Rückverfolgbarkeit aller Informationen im Entwicklungsprozess
untereinander bis hin zu den ursprünglichen Anforderungen
ist ein wichtiges Mittel, um deren vollständige Erfüllung
nachzuweisen, eine stimmige Architektur zu dokumentieren,
die korrekte Implementierung zu prüfen sowie die vollständige
Testabdeckung sicherzustellen. Unsere Systems-Engineering-Lösungen
bieten diese vollständige Rückverfolgbarkeit
durch die zentrale Verwaltung aller kritischen Informationen
und toolübergreifende Verlinkung.
Dazu kommt die Stimmigkeit (Konsistenz) der modellbasierten
Architektur mit der Produktstruktur im PLM-System. Wir
arbeiten dazu an einer direkten Integration zwischen unserem
MBSE-Werkzeug und unserem PLM-System. Dieses beinhaltet
auch die Produktionsplanung und die Schnittstelle zur Produktionssteuerung.
So ermöglichen wir die digitale Durchgängigkeit
bis in die Automation. Unsere Internet-of-Things-Plattform
ThingWorx bietet schließlich die direkte Anbindung von
vernetzten Produktionsanlagen in einem geschlossenen Prozess
mit der Produktenwicklung.
www.ptc.com
26 develop 3 systems engineering 01–2014

Christoph Bräuchle ist als Business Development Director
bei PTC für die Kommunikation und Erweiterung der Systems-Engineering-Strategie
zuständig. Er vertritt PTC in
Arbeitsgruppen und Forschungsprojekten wie etwa dem
EU-geförderten Crystal-Projekt zur Definition einer industriell
anwendbaren Interoperabilitätsspezifikation
Bild: PTC

Menschen & Unternehmen Stimmen zum Systems Engineering
Andreas Huhmann, Strategy Consultant Connectivity + Networks, Harting
„Die reale Produktion
in die IT-Systeme integrieren”
„Industrie 4.0 braucht die Durchgängigkeit
bis in die Feldebene. Erst wenn die reale Produktion,
die auf der Automatisierungsfeld -
ebene stattfindet, in die IT-Systeme integriert
wird, entstehen Cyber-physical Systems. Dabei
geht es um die konsequente Nutzung von
Standard-IT-Technologie, um die Integra tion
möglichst barrierefrei zu machen. Heutige Automatisierungssysteme
besitzen diese Offenheit
größtenteils noch nicht. Harting übernimmt
die Aufgabe, Daten aus der Feldebene
in IT-Applikationen wie MES und ERP zu schaufeln.
Hierzu entwickeln wir Hard- und Software-Komponenten,
die wir auch im Rahmen
unserer System-Integration für Kundenprojekte
einsetzen. Ein Beispiel sind hier unsere
Industrie-4.0-Demonstratoren.“
Andreas Huhmann ist Strategy Consultant Connectivity + Networks
bei der Harting Deutschland GmbH & Co. KG in Minden
Bild: Harting
www.harting.com
Wir berichten über
ABB Automation ....................................... 42
Aucotec ......................................................... 48
B&R ............................................. 8, 30, 48, 52
Balluff ............................................................ 30
Baumüller Nürnberg .............................. 20
Beckhoff Automation ............... 8, 30, 48
Bosch Rexroth ....................................... 8, 42
Cideon ......................................................... 16
Continental ................................................ 46
Daimler ................................................... 8, 18
Dassault Systèmes ........................... 11, 18
Deutsche Messe .......................................... 6
DFKI ............................................................... 30
Eplan ................................................ 6, 16, 60
Fraunhofer IPT .......................................... 11
Friedhelm Loh Group .............................. 16
GfSE ............................................................... 11
Harting ......................................................... 28
Heidelberger Druckmaschinen ......... 36
Heinz Nixdorf Institut ........................... 36
Industrial Physics ....................................... 8
ITQ ............................................................ 8, 22
it’s OWL ......................................................... 11
Kiesling ......................................................... 16
Kistler ............................................................ 36
Lapp Group ................................................ 15
Lenze Engineering .................................... 24
MAG IAS ...................................................... 60
MES D.A.CH ................................................ 46
Mesago Messe Frankfurt ..................... 42
Mitsubishi Electric .................................... 6
National Instruments ..................... 36, 58
OWL ............................................................... 11
Pepperl+Fuchs .......................................... 42
Phoenix Contact ................................. 8, 30
PTC .................................................................. 26
Rittal ............................................................... 16
Siemens .................................... 8, 18, 48, 55
SolidWorks ................................................... 64
VDMA ...................................................... 8, 42
Wenglor ......................................................... 8
WZL RWTH Aachen ................................. 36
Zuken ............................................................ 48
ZVEI ............................................................... 42
28 develop 3 systems engineering 01–2014

25. – 27.11.14
Halle 7a, 330
SmartBridge: von
der Vision zur Realität
für Industrie 4.0
Mit SmartBridge bringt Pepperl+Fuchs das
Zukunftsthema Industrie 4.0 der Realität
einen Schritt näher. Kommunikation bis zur
Sensorebene wird Standard bei automatisierten
Produktionsprozessen – und mobile Endgeräte
werden zur universellen Bedieneinheit für
industrielle Sensoren. Das ist unsere Vorstellung
von Industrie 4.0.
www.pepperl-fuchs.de/smartbridge
Your automation, our passion.

Round-Table-Gespräch zu Industrie 4.0: Engineering-Abläufe sind entscheidend
Eine Brücke von der
virtuellen zur realen Welt
Industrie 4.0 zielt auf die Produktionstechnik von morgen. Im Round-Table-Gespräch
der develop 3 wurde klar, dass das Thema von der Allgegenwärtigkeit der Informationen
lebt sowie dem Schulterschluss von IT- und Automatisierungstechnik. Eine der
Herausforderungen wird sein, den noch existierenden Bruch zwischen virtueller und
realer Welt zu überwinden – unter Nutzung digitaler Entwicklungsdaten.
Bilder: develop 3 /Balluff (Logistik)
Intralogistik als Trendsetter: Mit dem Internet der
Dinge und selbstregelnden Systemen wurden hier
einige Ideen schon aufgegriffen, bevor es den Begriff
Industrie 4.0 gab. Gerade in der Intralogistik werden
aber heute schon zahlreiche Simulationen durchgeführt,
um etwa die Leistungsfähigkeit eines
Automa tischen Kleinteile lagers zu testen. Noch werden
diese Daten aber nicht für die Steuerungsprogrammierung
verwendet – ein Bruch, den es zu
überwinden gilt

Industrie 4.0 Trends
Was bringt dem Anwender die Industrie
4.0 und welche Rolle spielt dabei insbesondere
das Engineering? Zur Diskussion
rund um diese Frage nahmen Gerd
Hoppe, Roland Bent und Hondo Santos
(auf der linken Seite) sowie Prof. Detlef
Zühlke, Markus Sandhöfner und Jürgen
Gutekunst (auf der rechten) die Einladung
der Redaktion der develop 3 zum
Round-Table-Gespräch an
LESE-TIPP
Eine noch umfangreichere
Zusammenfassung dieses
Gesprächs, in dem insbesondere auch auf
Fragestellungen der Automatisierer etwa
zum Thema OPC UA eingegangen wird,
finden Sie in der elektro AUTOMATION
online unter wirautomatisierer.de:
http://t1p.de/k0ei
Bent (Phoenix Contact): Schon mit der digitalen Entwicklung
eines Produkts im CAD-System werden bereits Daten erzeugt,
die sich dazu verwenden lassen, die entsprechenden Produktionsmittel
zu entwickeln, zu simulieren und zu testen. Auf
diese Weise wird parallel zur physischen Welt die Datenwelt
immer weiter ausgebaut. Ein komplexeres Produkt wird also
eine Art digitales Gedächtnis haben, das über den Lebenszyklus
hinweg Zugriff auf eine Reihe von Informationen bietet.
Abstrakt gesprochen finden wir diese Daten dann in der Cloud.
develop3: Die Komplexität von Produkten und Fertigungsverfahren
beziehungsweise -abläufen nimmt zu, gleichzeitig sollen
kundenindividuelle Wünsche bis zur Losgröße Eins realisierbar
sein. Welche Ansätze bietet Industrie 4.0, um diese Problematik
in den Griff zu bekommen?
Bent (Phoenix Contact): Um Komplexität zu beherrschen,
muss diese heruntergebrochen werden – autonome Teilsysteme,
die für sich selbst Entscheidungen treffen können und mit
ihrer Umgebung interagieren, sind dabei ein wesentliches Element.
Dies führt zu einem intelligenten Produktionsumfeld, in
dem Betriebsmittel sowie Logistik- und Geschäftsprozesse
über eine ausreichende Teilintelligenz verfügen, um sich sinnvoll
miteinander zu vernetzen – und entsprechend den Bedürfnissen
konfigurieren. Man wird darüber hinaus auch den
Begriff des ‚intelligenten‘ oder smarten Produkts genereller
fassen müssen: Eine wesentliche Zäsur wird sein, dass das Produkt
künftig über seinen gesamten Lebenszyklus Teil der Prozesse
des Gesamtsystems wird.
develop3: Welche Auswirkungen hat dies?
DIE TEILNEHMER
·
·
·
·
·
·
Roland Bent,
Geschäftsführer Marketing und
Entwicklung,
Phoenix Contact GmbH & Co. KG
Jürgen Gutekunst,
Geschäftsbereichsleiter Networking/
Systeme, Balluff GmbH
Gerd Hoppe,
Corporate Management,
Beckhoff Automation GmbH
Markus Sandhöfner,
Geschäftsleitung,
B&R Industrie-Elektronik GmbH
Hondo Santos,
Director Logistics, Balluff GmbH
Prof. Detlef Zühlke,
Forschungsbereich Innovative Fabrik -
systeme, Deutsches Forschungszentrum
für Künstliche Intelligenz (DFKI)
develop 3 systems engineering 01–2014 31

Trends Industrie 4.0
„Schon mit der digitalen Entwicklung
eines Produkts im
CAD-System werden bereits Daten
erzeugt, die sich dazu verwenden
lassen, die entsprechenden
Produktionsmittel zu
entwickeln, zu simulieren und
zu testen.“
Roland Bent, Geschäftsführer Marketing und
Entwicklung, Phoenix Contact
spielsweise Förderanlagen, in denen Shuttles Wegstrecken selbst
erkunden und mit Hilfe von Agentensystemen sich selbst organisieren.
In Industrie-4.0-Konzepten entsteht also die ‚Intelligenz‘
aus der Vernetzung aller Teilsysteme und dem Zugriff auf möglichst
viele Informationen...
Zühlke (DFKI): ...die jetzt online verfügbar und damit nutzbar
sind – das ist genau der Punkt. Ein Stau in einer Fertigungslinie
lässt sich auf diese Weise zunächst einmal umfahren, ohne direkt
zu Folgeproblemen zu führen. Entscheidend ist dabei,
dass wir die insgesamt wachsende Komplexität wieder reduzieren
können – denn mit komplexen Prozessen kann der
Mensch schlecht umgehen. In der Automatisierung führt dies
allerdings dazu, dass sich zwar die Komplexität für den Anwender
reduziert, die für die Automatisierungsingenieure
„Derzeit erhält der
Automatisierer
noch die Aufgabe,
in seinem Engineering-Tool
die Bewegungssteuerung zu programmieren.
Dieser Bruch ist unsinnig –
sinnvoller wäre es, dafür Daten aus der
Simulation zu nutzen.“
Gerd Hoppe, Corporate Management, Beckhoff Automation
„Überwunden werden muss der Bruch bei der
Verbindung von virtueller und realer Welt. Im
PLM nutzen wir ja bereits wunderbare Objektwelten,
geht es aber an den realen Betrieb,
muss wieder eine SPS programmiert
werden – das
darf nicht sein!“
Prof. Detlef Zühlke, Forschungsbereich
Innovative Fabriksysteme, DFKI
Das Round-Table-
Gespräch wurde
von den beiden
develop 3 -Redakteuren
Andreas Gees und
Michael Corban
geleitet
Hoppe (Beckhoff Automation): Industrie 4.0 beschreibt keine
revolutionäre, ganz andere Art der Produktionstechnik – sondern
das Grundwesen dieses Ansatzes besteht in der Allgegenwärtigkeit
von Informationen. In klassischen Systemen
wird ja in strikten Produktionshierarchien von oben nach unten
geplant und ausgeführt. Fehlende Informationen aus den
untersten Produktionsebenen bringen darin das übergeordnete
Planungssystem in Schwierigkeiten. Die Anwendung der
Smart-Technologien – und damit der Informationsaustausch
zwischen den beteiligten Systemen – soll es also ermöglichen,
situativ zu reagieren. Der Einsatz smarter Produkte ist dabei
nur ein mögliches Szenario. Entscheidend wird die Einbettung
in bestehende Systeme sein. Es wird also eine Evolution geben
hin zu intelligenteren und damit autonomeren Teilsystemen –
das kann eine Vorrichtung innerhalb einer Maschine sein, die
Maschine selbst oder auch eine ganze Fertigungslinie oder
Halle. In allen diesen Einheiten müssen wir diese Smart-Technologien
denken und daraus die richtigen Schlüsse ziehen.
Nicht zuletzt können wir auf diese Weise auch ressourcenschonender
produzieren.
develop3: Speziell aus der Logistik kennen wir ja bereits erste
Umsetzungen unter dem Stichwort ‚Internet der Dinge‘, bei-
aber steigt. Beides müssen wir zusammenbringen, in dem wir
weniger komplexe Subsysteme schaffen.
Gutekunst (Balluff): Man kann es auch umdrehen: Gerade bezüglich
des Zugriffs auf möglichst viele Informationen müssen
wir über neue Konzepte nachdenken – wie Industrie 4.0. Die
Datenflut bei uns im Unternehmen ist bereits jetzt so immens
groß geworden, dass wir Wege suchen, sie zu kanalisieren und
wertschöpfend zu nutzen. Das fängt bei der Sensorik an – ein
entscheidender Baustein ist an dieser Stelle die Identifikation,
insbesondere per RFID – und reicht über die interpretativen
Systeme bis hin zu fabriks- und unternehmensübergreifenden
Konzepten. Mithin zu der Frage, wie wir selbst unsere Lieferanten
steuern – beziehungsweise unser Kunde uns als Lieferant.
Daraus können ganz neue Geschäftsmodelle entstehen.
develop3: Um diese neuen Modelle zu realisieren, ist dann aber
wie erwähnt die Reduzierung der Komplexität der Subsysteme
ein Schlüssel zur erfolgreichen Nutzung von Industrie 4.0. Und
um den Anwender zu entlasten, trifft das vor allem die Entwickler
von Automatisierungssystemen. In welcher Weise kann hier
der ebenfalls bereits genannte Zugriff auf die CAD-Daten von
Nutzen sein?
32 develop 3 systems engineering 01–2014

Industrie 4.0 Trends
Hoppe (Beckhoff Automation): Die Daten im CAD-System
werden heute noch zu wenig genutzt. Klassisch ist etwa das
Beispiel Hochregallager: Vor dessen Bau wird der Durchsatz simuliert
und auf dieser Basis die Investitionsentscheidung gefällt.
Nicht abgeleitet wird daraus aber die Bewegungssteuerung
für die einzelnen Bediengeräte, obwohl die dynamischen
Abläufe ja bereits vorgedacht sind. Vielmehr erhält derzeit
noch ein Automatisierer die Aufgabe, in einem ganz anderen
Engineering-Tool die Bewegungssteuerung für einzelne
Shuttles zu programmieren. Dieser Bruch ist unsinnig – sinnvoller
wäre es, dafür ebenfalls die Daten aus der Simulation zu
nutzen. Wir haben dafür den Begriff ‚Zero Engineering‘ geprägt,
über den sich auch bestimmte Engineering-Abläufe automatisieren
lassen. Die brillante Idee von Industrie 4.0 ist also, die Vernetzung
nicht nur auf den Hersteller einer Ware oder die Pro-
„Die Datenflut ist bereits
jetzt so immens groß geworden,
dass wir Wege suchen,
sie zu kanalisieren und wertschöpfend
zu nutzen.“
Jürgen Gutekunst, Geschäftsbereichsleiter
Networking/Systeme, Balluff
duktionstechnik zu beschränken, sondern auch die bislang
sehr stark gegeneinander abgegrenzten Domänen des Engineerings
zu verschmelzen.
Sandhöfner (B&R): Ziel muss es sein, Produkte auch in der Losgröße
Eins fertigen zu können. Das gelingt heute nur in Teilbereichen,
weil die Produktionsanlagen dafür nicht ausgelegt
sind. Diese müssen also flexibler gestaltet werden – nicht nur
hinsichtlich kleinerer Losgrößen, sondern insbesondere auch
für Losgröße Eins. Passen wir dazu unsere Engineering-Abläufe
nicht an, schlägt sich das aber in einer Explosion des Steuerungscodes
nieder – was wir uns nicht leisten können, weil das
sowohl Entwicklungszeit als auch -kosten nach oben treibt.
Gefragt sind damit intelligente Konzepte, in denen sich bestehender
Code wiederverwenden lässt und in denen Schnittstellen
zwischen den Entwicklungstools das Schreiben von
Code vereinfachen und beschleunigen. Erste Schritte sind ja
bereits gemacht, Informationen aus Simulationssystemen
heraus direkt in echtzeitfähigen Code zu verwandeln. Das reduziert
dann wiederum die Komplexität nicht nur der Maschine
selbst, sondern auch die ihrer Entstehung.
develop3: Ist das dann nicht die Wiederkehr des CIM-Gedankens,
des Computer Integrated Manufacturings?
Sandhöfner (B&R): Ja und nein, denn bei der CIM-Diskussion
vor 20 Jahren ging man von einer zentralen Steuerung aus, die
bereits vorgedacht und entsprechend strukturiert ist. Außer
„Passen wir für Losgröße
Eins unsere Engineering-Abläufe
nicht an, schlägt sich
das in einer Explosion
des Steuerungscodes
nieder – was wir uns nicht leisten können, weil
das sowohl Entwicklungszeit als auch -kosten
nach oben treibt.“
Markus Sandhöfner, Geschäftsleitung, B&R Deutschland
Acht gelassen wurde dabei, dass Störungen auftreten
können und hinsichtlich der Losgröße sprach
man eher von hohen Stückzahlen. Diese Aspekte
greift aber Industrie 4.0 auf, was nicht zuletzt hinsichtlich
der Offenheit der beteiligten Systeme wesentlich
höhere Anforderungen stellt.
Bent (Phoenix Contact): CIM ist damals gescheitert,
weil die technischen Mittel nicht bereitstanden und
die Komplexität zu hoch war. Entstanden ist daraus
aber auch unsere heutige Automatisierungspyramide
mit ihrer hierarchischen Struktur. Industrie 4.0 verlässt
diese Struktur komplett – es gibt keine Hierarchie in einer
Industrie-4.0-Automatisierungs- oder -Kommunikationswelt,
was wiederum eine Grundvoraussetzung für den Aufbau flexibler
und adaptiver Systeme ist. Sobald eine Hierarchie vorliegt,
muss ich ein System vordenken – und sobald ich das mache,
komme ich nicht über die Grenzen meines heutigen Wissens
hinaus. Ich kann nur das planen, was ich heute weiß – und
genau diese Beschränkung will Industrie 4.0 ja überspringen.
Wir wollen ja zu Systemen kommen, die zukünftig etwas leisten
können, was wir heute noch nicht vorgedacht haben. So
entstehen Produktionssysteme, die in der Lage sein werden,
sich an zukünftige, heute noch unbekannte Anforderungen –
auch in Bezug auf die zu produzierenden Produkte und Varianten
– zu adaptieren.
Gutekunst (Balluff): Was bei CIM fehlte, war der Rückwärtspfad
– konnte auf einer unteren Ebene etwas nicht gelöst werden,
konnte es die Steuerung darüber auch nicht. Es fehlte der
wichtige Aspekt der Autonomie, der Industrie-4.0-Konzepte
kennzeichnet.
Hoppe (Beckhoff Automation): Der CIM-Gedanke hat allerdings
dazu geführt, dass in der Werkzeugmaschinenindustrie
bereits eine integrierte homogene Umgebung existiert. Basierend
auf den CAD-Daten eines Produktes kann über den daraus
abgeleiteten NC-Datensatz dessen Entstehung vollautomatisch
ablaufen. Diesen Gedanken müssen wir in der Industrie
4.0 aufnehmen und weiterentwickeln.
develop 3 systems engineering 01–2014 33

Trends Industrie 4.0
Hondo Santos ist als Director
Logistics bei Balluff
bereits mit ersten Umsetzungen
der Industrie-
4.0-Konzepte vertraut. Für
ihn ergeben sich daraus
vor allem neue Möglichkeiten,
über die Unternehmensgrenzen
hinweg
neue Prozesse und aus
Wertschöpfungsketten
ganze Wertschöpfungsnetze
zu gestalten
develop3: Was muss dazu mit Blick etwa auf Montageprozesse
getan werden?
Hoppe (Beckhoff Automation): Wir müssen eine Metasprache
entwickeln – eine Taxonomie und Ontologie beziehungsweise
eine Begriffswelt –, die es erlaubt, die Herstellung eines Produktes
so zu beschreiben, dass sich diese Informationen weltweit
an vielen verschiedenen Maschinen nutzen lassen. Das
gibt es in dieser Form noch nicht, auch wenn es in Teilbereichen
beziehungsweise Branchen bereits Industrie-4.0-Inseln gibt.
Dann lässt sich auch die Stückzahl Eins realisieren, ohne dass
man dazu zunächst einen komplexen Engineering-Prozess
aufsetzen muss.
develop3: Damit nähern wir uns dann aber wieder
dem eingangs erwähnten ‚smarten‘ Produkt, dem
ich über die digitale Entwicklung analog zum NC-
Code bereits sämtliche Informationen mitgebe,
wie es zu fertigen ist...
Hoppe (Beckhoff Automation): ...was aber nur
funktioniert, wenn die Fertigungsmaschinen beziehungsweise
-anlagen das auch verstehen! An
welcher Stelle die Fertigungshinweise liegen,
spielt keine Rolle – wichtig ist, dass der Produktionsvorgang
so beschrieben ist, dass die jeweils
vorhandenen Maschinen und Anlagen daraus
selbstständig und autonom die notwendigen Schritte extrahieren
können. Derzeit gibt es dazu keine einheitliche Taxonomie
– im Rahmen der Umsetzung von Industrie 4.0 müssen
wir diese aber entwickeln.
Sandhöfner (B&R): Das Ziel von Industrie 4.0 beinhaltet auf
diese Weise die Möglichkeit, zwischen unterschiedlichen Wegen
– zwischen Prozessen unterschiedlicher Anbieter – wählen
zu können. Das setzt einheitliche Daten voraus, die innerhalb
der gesamten Prozesskette verstanden werden.
Zühlke (DFKI): Hier fehlen uns in der Tat derzeit sowohl eine Referenzarchitektur
als auch wissenschaftliche Begrifflichkeiten
für viele Dinge. Rede ich beispielsweise mit Kollegen aus der Informatik,
finden sich dort teilweise völlig andere Begrifflichkeiten
als in der Produktionstechnik. Hier sind wir alle gefordert,
zusammenzukommen, wobei wir erst am Anfang stehen. Aus
wissenschaftlicher Sicht sind hier noch extrem viele Aufgaben
zu lösen, was meiner Meinung nach auch noch nicht in zwei
oder drei Jahren abgeschlossen ist – wir reden hier über eine
Vision.
develop3: Was sind denn die nächsten Schritte, die vorrangig angegangen
werden müssen?
Zühlke (DFKI): Die neue Welt wird nur funktionieren, wenn wir
Standards schaffen! Nur so werden die Komponenten einer
Produktionsumgebung wie Lego-Bausteine per Plug&Play zueinander
passen. Ein zweiter, wesentlicher Aspekt betrifft hinsichtlich
der erforderlichen offenen Netzwerke das Thema Sicherheit
– im Englischen die Security. Denn die beteiligten Unternehmen
werden sich natürlich fragen, ob sie ihre Informa-
tionen in solch einen Legostein legen sollen und was damit
passiert. Nur auf diese Weise lässt sich allerdings eine
Plug&Play-Fertigung modular aufbauen. Überwunden werden
muss auch der bereits thematisierte Bruch bei der Verbindung
von virtueller und realer Welt. Unsere Kollegen im Bereich
des Product Lifecycle Managements nutzen ja bereits
wunderbare Objektwelten, in denen sich Parameter verändern
lassen. Geht es aber an den realen Betrieb, muss wieder
eine SPS programmiert werden – das darf nicht sein!
Bent (Phoenix Contact): Automatisierungs- und IKT-Welt müssen
eine gemeinsame Sprache finden – das ist die große Chance,
die hinter Industrie 4.0 steckt. Denn industriebranchenübergreifend
ist hier ja ein Konsens entstanden, eine gemeinsame
Vision, die keiner alleine umsetzen kann. Aufgabe der von Bitkom,
VDMA und ZVEI gegründeten Plattform Industrie 4.0 ist
es deshalb, gemeinsam an der Umsetzung zu arbeiten.
Santos (Balluff): Nur so werden wir auch in der Lage sein, die
vielen, bereits heute gespeicherten Informationen sinnvoll zu
nutzen. Denn bislang greifen wir Vergleichbares nur in Teilbereichen
beziehungsweise punktuell bezogen auf bestimmte
Aufgabenstellungen auf. Industrie 4.0 muss uns dabei helfen,
all diese Informationen sinnvoll zu nutzen – im Sinne der
eingangs erwähnten Wertschöpfungsnetzwerke. Und an der
Unternehmensgrenze darf diese Vernetzung nicht aufhören.
develop3: Der Diskussionsstoff rund um das Thema Industrie 4.0
wird uns also so schnell nicht ausgehen, die weitere Entwicklung
bleibt spannend. Wir danken allen Teilnehmern für dieses
Round-Table-Gespräch.
VIDEO-TIPP
Eine Video-Zusammenfassung dieses
Round-Table-Gesprächs finden Sie unter:
t1p.de/1xtt
Nähere Angaben zur Plattform Industrie
4.0 der drei Verbände Bitkom, VDMA und
ZVEI finden sich unter:
www.plattform-i40.de
www.balluff.com
www.beckhoff.de
www.br-automation.com
www.dfki.de
www.phoenixcontact.com
34 develop 3 systems engineering 01–2014

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Trends Sensorik
Interne Signalverarbeitung und Multisensorsysteme für die digitale Produktion
Von der Datensammlung
zur Information
Eine sich selbstständig an verändernde Randbedingungen anpassende Produktion
verlangt neben einem umfangreichen Prozess-Know-how eine wesentlich leistungsfähigere
Sensorik. Interne Signalverarbeitung und Multisensorsysteme sind
dabei zwei entscheidende Entwicklungsschritte hin zu einer Sensorik für die Industrie
4.0, mit der sich aus den immensen Datenmengen verwertbare Informationen
gewinnen lassen. Der Lohn ist eine Prozess-Kontrolle in Echtzeit – mit der Möglichkeit
zur direkten Optimierung.
·
Mit der weiteren Digitalisierung der Produktion und der Vernetzung
von Maschinen und Werkzeugsystemen mit Betriebsmitteln
und innerbetrieblichem Materialfluss ent -
stehen Cyber-Physical Production Systems (CPPS). Deren Intel -
ligenz und Leistungsfähigkeit basiert wesentlich auf der Verfügbarkeit
von realen Prozessdaten – was leistungsfähige
und resiliente (gegenüber Störungen tolerante) Sensoriken
voraussetzt. Die heute im produktionstechnischen Umfeld
zum Einsatz kommende Sensorik besitzt dagegen zwei
Schwachstellen:
· Einfache Messsignale einer Messgröße lassen sich ohne
eine Kombination mit anderen Messgrößen nicht inter -
pretieren. So führt beispielsweise die Auswertung der Signale
eines Kraftsensors zur Erfassung von Prozesskräften
ohne die Information über die Position von Werkstück und
Werkzeug zu einer Fehlinterpretation.
Viele Problemstellungen sind über eine einfache Signalauswertung
nicht zielführend bedienbar. Die Sensoren können
zwar eine Messgröße erfassen, liefern zur Überwachung
des Prozesses aber ohne eine erweiterte Signalverarbeitung
keinen Mehrwert. Diese erlaubt eine modellbasierte Interpretation
der erzeugten Qualitäten oder der Zustände von
Werkzeug, Maschine und Hilfsmittel.
Bild 1: Im Versuch werden bei der Heidelberger Druckmaschinen
AG alle Maschinensysteme auf Funktionalität
getestet und optimiert. Da die präzise Fertigung der
Druckwalzen ein wesentlicher Erfolgsfaktor ist, wurde im
Rahmen eines von der EU geförderten Projektes zudem
der Schleifprozess der Stahlzylinder analysiert und eine
Prozessüberwachung entwickelt. Mittels moderner Sensorik
kann heute ein Experte per Fernüberwachung Veränderungen
im Gesamtsystem bewerten – in Echtzeit –,
und auf diese Weise frühzeitig eingreifen
Bild 1: Heidelberger Druckmaschinen, Bild 2 bis 8: Autoren

Sensorik Trends
Abhilfe verspricht hier die Entwicklung von Multisensorsystemen
und die Integration einer intelligenten Signalverarbeitung
in die Sensoren (Bild 2). Einerseits werden dazu integrierte
Sensoren entwickelt, welche einen höheren Informationsgehalt
liefern sollen. Diese Sensoren erlauben bereits eine Auswertung
der aufgenommenen Daten und liefern auf diese
Weise durch die Anwendung geeigneter Modelle bereits Informationen
anstatt einfacher Signale an die nächste Instanz
(Steuerung der Maschine – und damit an den Bediener oder
an die Prozessplanungsebene). Anderseits werden Multisensorsysteme
entwickelt, welche die Erfassung mehrerer Größen
in einem System ermöglichen. Hierbei handelt es sich um
Netzwerke von Sensoren oder integrierte Lösungen, welche
die Messung von mehreren Messgrößen über ein Sensorsystem
erlauben. Eine Rolle werden dabei auch die Miniaturisierung
und die Autarkie der Sensorsysteme spielen. Im Rahmen
der Autarkie kann etwa durch die Gewinnung der erforder -
lichen Energie aus der Umgebung zusammen mit der drahtlosen
Kommunikation eine komplett kabellose Sensorlösung
angestrebt werden.
Multisensorsystem für die 5-Achs-Bearbeitung
In welche Richtung sich die Sensorik entwickelt, zeigt exemplarisch
ein Multisensorsystem zur Kraftmessung zur Kompensation
von Störeffekten bei der 5-Achs-Bearbeitung. In der
Zerspanung ist die Messung von Prozesskräften essenziell für
die Prozessanalyse und -optimierung. Dazu wird in den meisten
Fällen die piezoelektrische Kraftmessung genutzt, bei der
einzelne Quarzscheiben vorgespannt und zu einem Sensor
mit hoher Linearität zusammengefügt werden. Bei genauer
Betrachtung des Bearbeitungsprozesses lassen sich allerdings
zahlreiche Stör- und Umgebungseinflüsse erkennen, die ein
Multisensorsystem idealerweise ebenfalls erfassen und berücksichtigen
sollte. Dazu zählen unter anderem
· die Einsatztemperatur, die eine Veränderung des Zusammenhangs
zwischen der Kraft und der durch den Sensor abgegebenen
Ladung bewirkt,
· dynamische Effekte, die bei der Messung von Zerspankräften
zu einer Verfälschung der Messgröße führen (insbesondere
beim Fräsen wird das Werkstück durch das Ein- und
Austreten der Schneiden zu Schwingungen angeregt) und
· zusätzlich zur Prozesskraft wirkende statische und dynamische
Kräfte aufgrund der Bewegung von Werkstück und
Kraftmessplattform im Raum.
Die reine Kraftmessung bei der 5-Achs-Bearbeitung würde
deshalb zu Fehlinterpretationen führen. Erst durch die kombinierte
Auswertung verschiedener Sensoren besteht die Möglichkeit,
die Störgrößen zu erfassen und den Informationsgehalt
der Messung zu steigern. Für die Erfassung von Prozesskräften
im Zuge der digitalen Produktion ist zudem neben der
drahtlosen Datenübertragung (um eine freie Bewegung des
Bild 2: Durch die Kombination von interner Signalverarbeitung
und Multisensorsystemen wird die Entwicklung der Sensorik,
insbesondere die Sensorfusion vorangetrieben
Messsystems in allen Bearbeitungsrichtungen zu erlauben)
eine weitere Einbettung von Sensoren und Datenvorverar -
beitung in die eigentliche Kraftmessplattform anzustreben.
Die Erfassung von Position und Beschleunigung des Werkstücks
wird etwa über Beschleunigungssensoren und miniaturisierte
Lagesensoren realisiert, wie sie in Smartphones bereits
verwendet werden. Um die Datenübertragungsraten gering
zu halten, muss eine Vorverarbeitung auf dem System
(sensorintegrierte Signalverarbeitung) stattfinden. Hierzu
werden rekonfigurierbare Datenerfassungssysteme verwendet.
Diese erlauben – je nach Anwendungsfall! – eine ver-
DIE AUTOREN
Dies ist eine Zusammenfassung des Vortrags
„3.2: Sensoren für die digitale Produktion“,
gehalten anlässlich des Aachener
Werkzeugmaschinen-Kolloquiums im Mai
2014. Mitarbeiter der Arbeitsgruppe für
diesen Vortrag waren:
· Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dr. h. c. F.
Klocke, WZL RWTH, Aachen
· Prof. Dr. Yvonne Joseph, ESM TU Freiberg,
Freiberg
· Prof.-Dr.-Ing. A. Trächtler, Heinz Nixdorf
Institut, Paderborn
· M. Backmeyer, National Instruments,
Petersberg
· M. Blattner, Kistler Instrumente AG,
Winterthur, Schweiz
· Dr.-Ing. G. Eisenblätter, Heidelberger
Druckmaschinen AG, Wiesloch
· Ch. Henke, Heinz Nixdorf Institut,
Paderborn
R. Jamal, National Instruments,
·
·
München
Dr.-Ing. Drazen Veselovac, WZL RWTH,
Aachen
develop 3 systems engineering 01–2014 37

Trends Sensorik
Bild 3: Beispiel für eine
CPPS-Kraftmessplattform
(Cyber-Physical Production
System, Embedded Kraftmessplattform)
für die
5-Achs-Bearbeitung mit
integrierten Lage- und Beschleunigungssensoren
Mit Sensoren die digitale Produktion gestalten
Die Möglichkeiten der Vernetzung und vielfachen Verwendung
von Prozessdaten werden heute unter dem Begriff Cyänderte
Datenverarbeitung auf dem System. Für die Prozessüberwachung
oder Prozessregelung werden vom System
dann nur noch die notwendigen Kennwerte übertragen.
Durch die Rekonfigurierbarkeit kann die Verrechnungsmethode
jederzeit optimal an die jeweiligen Anforderungen angepasst
werden (Bild 3).
Integrierte Signalverarbeitung
mit Zellularen Neuronalen Netzwerken
Ein interessantes Beispiel für die sensorintegrierte Signalverarbeitung
mit neuartigen Kamerasystemen ist die Schmelzbadüberwachung
beim Laserschweißen. Ermöglicht wird das
durch Zellulare Neuronale Netzwerke (CNN). Die Besonderheit
dieser Systeme besteht darin, dass jedes einzelne Pixel des optischen
Sensors mit einer eigenen Einheit zur Datenverar -
beitung und Speicherung verbunden ist. Zusammen bilden
diese Komponenten jeweils eine Zelle. Dieser Aufbau ermöglicht
die parallele Verarbeitung der Daten sämtlicher Bildpunkte.
Die einzelnen Zellen des Sensorsystems sind zudem mit
den jeweils unmittelbar benachbarten Zellen verbunden.
Hierdurch entsteht ein Netzwerk einzeln verarbeitender Elemente.
Die interzellularen Verbindungen führen dazu, dass die Zellen
nicht nur die Daten eines einzelnen Pixels verarbeiten, sondern
gleichzeitig miteinander interagieren können. Dieser Aufbau
ist an das Vorbild natürlicher neuronaler Netzwerke angelehnt,
wobei die einzelnen Zellen des CNN biologischen Nervenzellen
nachempfunden sind [2]. Unter Vorgabe geeigneter
Algorithmen ermöglicht die CNN-Architektur die besonders
schnelle Verarbeitung von Bilddaten. Der zellulare Aufbau des
Systems führt jedoch dazu, dass die verarbeiteten Daten abermals
in Bildform ausgegeben werden. In entsprechenden Kamerasystemen
wird deshalb der CNN-basierte Prozessor in
Fokalebene durch ein nachgeschaltetes FPGA (Field Programmable
Gate Array) ergänzt. Dieses steuert den Fokalprozessor
und interpretiert die ausgegebenen Daten. Da die Daten bereits
in vorverarbeiteter Form vorliegen, ist durch den FPGA-
Prozessor eine wesentlich geringerer Rechenleistung aufzubringen,
als dies bei einer direkten Auswertung der Bilddaten
der Fall wäre. Insgesamt befähigt dieser Aufbau somit das
System zu einer internen Datenverarbeitung bei sehr hohen
Verarbeitungsgeschwindigkeiten, wobei Bildraten von mehr
als 10.000 fps erreicht werden können [3] und das Ergebnis der
Auswertung direkt als Regelungs- oder Steuersignal ausgegeben
werden kann. Die aufgenommenen Bilddaten müssen also
zur weiteren Auswertung nicht an einen Messrechner übertragen
werden – was allerdings nachteilig ist, wenn die Speicherung
der Bilddaten etwa zu Dokumentationszwecken ausdrücklich
gefordert wird.
Aufgrund der dargestellten Vorteile besitzen CNN-Kamerasysteme
eine hohe Eignung zur Verwendung in den Bereichen der
Echtzeit-Überwachung und der Echtzeit-Regelung. Abt et al.
realisierten beispielsweise eine Echtzeit-Regelung eines Laserstrahltiefschweißverfahrens
für überlappende Bleche [4]. Der
Prozess wird in diesem Fall koaxial durch die Laserschweißoptik
mit Hilfe eines CNN-basierten Kamerasystems überwacht.
Durch Überwachung und Analyse der für den Tiefschweißprozess
typischen Dampfkapillare und des umgebenden
Schmelzbads ermöglicht das Kamerasystem, den aktuellen
Prozesszustand zu ermitteln.
Multisensorsystem als Lab-on-a-Chip
Die Überwachung von Prozessen und Maschinen in der Produktionstechnik
basiert heute auf der Erfassung physikalischer
Kenngrößen – die Überwachung oder sogar Regelung
von Hilfsstoffen erfolgt kaum. Durch eine ständige und intensive
Kontrolle kann allerdings die Verlängerung der Lebensdauer
und das Einhalten der geforderten Eigenschaften von
Kühlschmierstoffen, Elektrolyten und Dielektrika realisiert
werden – was insbesondere die Entwicklung von chemischen
Sensoren erfordert, die in flüssigen oder gasförmigen Phasen
im laufenden Fertigungsprozess chemische Kennwerte ermitteln
können. Ähnlich wie Biosensoren weisen chemische Sensoren
eine Rezeptivität für die zu analysierenden Stoffe auf. Die
Bindung zwischen Analyt und sensitiver Schicht muss reversibel
sein, um eine fortwährende Analyse zu gewährleisten.
Die Struktur eines chemischen Sensors ist dabei nicht nur
exakt auf einen Analyten ausgerichtet, sondern ermöglicht die
Bindung von verschiedenen Analyten. Über einen Messwandler
kann die chemische Messgröße elektrisch erfasst werden.
Um beispielsweise in Kühlschmierstoffanlagen schnell und
gezielt vor Ort – und im Prozess! – notwendige Anpassungen
vornehmen zu können, lassen sich zur Charakterisierung des
Zustandes der Kühlschmierstoffe mehrere Einzelsensoren zu
einem Sensor-Array zusammenfügen, einem Lab-on-a-Chip
(Bild 4). Die Sensitivität für mehrere Analyte erfordert dabei eine
intelligente Auswertung der Sensorsignale. Hierbei ist es
wiederum mit Hilfe von künstlichen neuronalen Netzwerken
möglich, einen kausalen Zusammenhang zwischen den Sensordaten
und spezifischen chemischen Kenngrößen herzustellen.
Kühlschmierstoffe lassen sich auf diese Weise länger
nutzen und durch die kontinuierliche Analyse kann das Entstehen
toxischer Substanzen frühzeitig durch Zugabe von exakt
dosierten Additiven wirkungsvoll verhindert werden.
38 develop 3 systems engineering 01–2014

Sensorik Trends
Bild 4: Die Integration von chemischen
Sensoren in Werkzeugmaschinen
ermöglicht anstelle der
Labor- die Inline-Analyse mittels
Lab-on-a-Chip – und damit beispielsweise
die Überwachung und
Anpassung von Kühlschmierstoffen
zur Steigerung der Ressourceneffizienz
Bild 5: Ein Cyber-Physical Sensor System (CPSS) beschreibt die Vernetzung
von mehreren Sensoren und ist Grundlage eines Cyber-Physical
Production System (CPPS)
ber-Physical Production System diskutiert. Grundlage ist ein
Cyber-Physical Sensor System (CPSS), das die Vernetzung von
mehreren Sensoren per selbstständiger Fusion beschreibt
(Bild 5). Die Grundlage für die Vernetzung bilden adaptive Systeminformationen,
welche von dem CPPS an das Sensorsystem
gegeben werden. Unter Berücksichtigung von Optimierungszielen
liefern die CPSS die Prozessinformationen an das
CPPS, welche zum Aufbau von geeigneten Prozessmodellen
benötigt werden.
Um den Prozess oder einzelne Bauteileigenschaften selbstständig
zu überwachen, müssen aus den Rohdaten Informationen
extrahiert werden. Die dafür verwendeten Algorithmen
müssen im CPPS dynamisch an das jeweilige Bauteilfeature
angepasst werden. Um diese Adaptivität zu erreichen,
werden Informationen aus der Planungsebene benötigt, die
von PLM-Systemen zur Verfügung gestellt werden können.
Die Konfiguration einer zukünftigen Prozessüberwachung erfolgt
über die Fertigungsplanung. Die Optimierungskriterien
beziehungsweise nicht zu über- oder unterschreitenden
Grenzkriterien (etwa Stabilitätskenngrößen, minimale Spanungsdicken,
...) können entweder durch Kennwerte hinterlegt
sein oder aus Modellierungen in den CAx-Systemen ermittelt
werden. Wenn kennwertbasiert gearbeitet werden kann –
was insbesondere für KMUs eine wichtige Option darstellt –,
verringern sich das Datenvolumen und die benötigte Rechnerleistung
erheblich. Im Extremfall können Kennwerte ausschließlich
über Attribute wie ‚gut‘ oder ‚schlecht‘ beschrieben
werden.
Die steigende Messgenauigkeit von Sensoren bei gleichzeitig
höherer zeitlicher Auflösung stellt für die Verarbeitung der Daten
eine Herausforderung dar. Limitierende Faktoren sind dabei
die Übertragungsrate und Latenzzeit heutiger Bussysteme
in Werkzeugmaschinen. Durch die Bereitstellung der Informationen
auf verschiedenen Ausführungsebenen wandeln sich
deshalb auch die Anforderungen zur Echtzeitverarbeitung. Für
harte Echtzeitanforderungen werden zukünftige Sensorsysteme
die Verarbeitung der Daten zu Informationen eigenständig
erledigen müssen. Die bereitgestellten Informationen können
dann Aktor-Komponenten oder einem höheren Zielsystem
für die weitere Verarbeitung zur Verfügung gestellt werden.
Berechnete Kennwerte können bei nicht-zeitkritischen
Applikationen über Standard-Netzwerkprotokolle zu Datenbanksystemen
übertragen werden. Auch einen direkten Stream
von Daten auf einen dezentralen Datenspeicher könnte
ein CPPS-Sensor ohne Host verarbeiten.
Skalier- und Rekonfigurierbarkeit
Um eine möglichst hohe Flexibilität zu gewährleisten, müssen
verstärkt rekonfigurierbare und skalierbare Systeme auf Basis
von Realtime-Prozessoren und FPGA-Technologie zum Einsatz
kommen. Hersteller von Sensoren und Aktoren können in Bezug
auf CPPS nur eine Hardwareplattform zur Verfügung stellen,
da die Anforderungen kundenseitig stark variieren. Daher
sollte die Entwicklung offener, leicht integrierbarer Embedded-
Sensorplattformen das Ziel sein. Anwender können damit
Messgeräte und Aktoren durch eigene Algorithmen um neue
Funktionen erweitern. Die Forderung der Kunden nach intelligenten
Produkten, die flexibel erweiterbar sind, zeigt sich
schon heute in vielen Bereichen der Unterhaltungsindustrie.
Diese intelligenten Geräte lassen sich über ‚Tech-Apps‘ an die
jeweiligen Kundenbedürfnisse anpassen. Eine Vielzahl dieser
Plattformen erlaubt auch die eigene Programmierung von
Apps durch den Anwender. Diese Anwendungen können
develop 3 systems engineering 01–2014 39

Trends Sensorik
Bild 6: Die Übertragung
von Daten vom einfachen
Sensor in die Cloud ermöglicht
die Informationsbereitstellung
auf mobilen
Endgeräten
dann verkauft oder kostenlos der Community zur Verfügung
gestellt werden. Zukünftige Geräte sind deshalb offene, rekonfigurierbare
und vom Kunden anpassbare Plattformen, die zur
Bildung von Communities führen. Diese Anwendergemeinschaften
generieren durch die Entwicklung von Apps neue
Anwendungsgebiete und Funktionen für die verschiedenen
Hersteller.
Die größte Herausforderung bei der Vernetzung stellt die Verwaltung
der erzeugten Daten und Informationen dar. Der
Technologieausblick 2013 von National Instruments zur Datenerfassung
[5] beschreibt diese Herausforderung mit den
Worten: „Es ist nicht mehr entscheidend, wer die meisten Daten
sammelt, sondern wer die gesammelten Daten schnell sinnvoll
nutzen kann.“ Versuchs- und Produktionsdaten beinhalten
meist sehr wertvolle und wichtige Informationen zur Beurteilung
eines Prozesses oder Produktes. Ein Verlust dieser Daten
durch unzureichende Protokollierung führt zwangsläufig zu
hohen Kosten. Ohne diese Versuchsdaten können wirtschaftliche
Entscheidungen insbesondere bei der Auslegung von
neuen Prozessen nicht gefällt werden.
Für das schnelle Auffinden und zur sicheren Dokumentation
ist es daher notwendig, beschreibende Zusatzinformationen
mit den Messdaten abzulegen. Einige standardisierte Datenformate
bieten hier eine ideale Datenstruktur, die es ermöglicht,
mit kommerziellen Systemen schnelle und kostengünstige
Datenmanagement-Systeme aufzubauen, ohne auf die
klassischen Funktionalitäten einer Datenbank zu verzichten.
Da der Zugriff auf Messdaten, Informationen und Kennwerte
zukünftig auch außerhalb der Unternehmen geschehen
muss, wird an der Entwicklung der ‚Technical Data Cloud‘ gearbeitet.
Dabei werden – dynamisch an den Bedarf angepasst
– IT-Infrastrukturen, Rechenkapazität, Datenspeicher, Netzwerkkapazitäten
oder Services zur Verfügung gestellt [10]
(Bild 6). Der Vorteil für Unternehmen ist, dass kurzfristig benötigte
Ressourcen nicht zu einem irreversiblen, kostenintensiven
Ausbau der IT-Infrastruktur führen.
Fernüberwachung per Cloud
Ein Beispiel für eine Fernüberwachung auf Basis eines technischen
Cloud-Systems hat der weltweit operierende Druckmaschinenhersteller
Heidelberg zur Überwachung der Produktqualität
aufgebaut. Ein wesentlicher Erfolgsfaktor von
Druckmaschinen ist die präzise Fertigung von Druckwalzen.
Das Schleifen der Zylinderoberfläche als abschließendes Fertigungsverfahren
stellt eine große Herausforderung dar, weil
neben den üblichen Anforderungen an Form- und Maßhaltigkeit
auch optische Anforderungen an die Oberfläche über die
Akzeptanz der Bauteile im folgenden Beschichtungs- und
Montageschritt entscheiden. Die 100-%-Prüfung der optischen
Oberflächenbeschaffenheit erfolgt dabei heute in einem
nachgelagerten Prozessschritt außerhalb der Maschinen
unter Spezialbeleuchtung. Dies hat zur Folge, dass Veränderungen
im Gesamtprozess ‚Werkstück, Schleifscheibe und
Werkzeugmaschine‘ nur mit zeitlicher Verzögerung entdeckt
werden können. Des Weiteren treten die Veränderungen des
Prozesses vielfach schleichend auf, so dass zwar im Nachgang
bei einer Rückwärtsverfolgung der Serie der Ausgangspunkt
der Veränderung beziehungsweise das Überschreiten eines
Grenzwertes ermittelt werden können, dann jedoch eine
Nacharbeit von mehreren Druckwalzen erforderlich ist.
Eine wesentliche Zielgröße bei der optischen Beurteilung der
Zylinderoberfläche sind ‚Rattermarken‘ – mit dem bloßen
Auge kaum wahrnehmbare Wellig keiten auf der Oberfläche.
Die Ursache hierfür kann neben den unmittelbaren Zer -
spanungspa rametern wie Schnittge schwindigkeit, Vorschub
und Schleifscheibendurchmesser auch und im Besonderen in
einer der Maschinenkomponenten liegen. Das Auftreten der
Rattermarken und insbesondere deren Ursache sind ohne geeignete
Überwachung nicht zeitlich vorhersehbar. Beim Auftreten
muss dann aber sofort reagiert werden, um den Fehler
einzugrenzen und die Nacharbeit zu minimieren beziehungsweise
die Erregerquelle auszuschalten und die Störung zu beheben.
Bild 7: Analysemonitor zur Fernüberwachung der Herstellung von
Druckwalzen, über die ein Experte die Qualität beurteilen kann
Im Rahmen eines von der EU geförderten Projektes wurden
der Schleifprozess von Stahlzylindern auf einer Schaudt-Polygon-Schleifmaschine
durch ein Expertenteam aus Forschung,
Instandhaltung und Betreiber analysiert und eine Prozessüberwachung
entwickelt, die im laufenden Betrieb hauptzeitparallel
die Veränderungen im Gesamtsystem aufzeichnet
und bewertet – und auf diese Weise ein frühzeitiges Eingreifen
ermöglicht. Die verwendete Sensorik zur Zustandsbewertung
der Maschinenkomponenten und des Prozesses sind Beschleunigungsaufnehmer.
Da der Entstehungsort der für die
Rattermarken verursachenden Schwingungen im Vorfeld
nicht bekannt ist, wurden 3-achsige Sensoren auf den Maschinenkomponenten
Spindelkasten, Werkstückspindel und Reit-
40 develop 3 systems engineering 01–2014

Sensorik Trends
stock sowie ein 1-achsiger Sensor auf dem Maschinenbett
montiert. Zur ortsauflösenden Bestimmung der Schwingungen
werden zusätzlich die Maschinenkoordinaten aufgezeichnet.
Bei einer Abtastrate von 12,5 kHz und einer Auflösung
von 16 bit für die Beschleunigungssensoren entstehen
auf diese Weise pro Zerspanungsstunde an einer Maschine
rund 1 GB an Rohdaten. Eine Speicherung und ein Datentransfer
dieser Rohdaten zu einem nicht vor Ort sitzenden Experten,
der die Daten analysieren kann, wären ineffizient und würden
einen hohen Zeitaufwand bedeuten. Die in dem EU-Projekt
untersuchte Maschine war in einem Werk in Deutschland installiert,
der für die Datenanalyse zuständige Experte saß in Irland
[7]. Die Idee zur Fernüberwachung durch einen ortsfernen
Experten basiert auf einer bereits in der Maschine implementierten
Datenvorverarbeitung, welche die Daten in Informationen
überführt und somit auf eine netzwerkgeeignete
Größe reduziert.
Hierzu wurde in der Schleifmaschine ein CompactRIO-System
mit FPGA-Chip installiert, auf das der Experte außerhalb des
Produktionswerks Zugriff hat. Auf diese Weise ist eine Anpassung
der Datenanalyse durch den Experten möglich. Die durch
die Analyse gewonnenen Informationen werden durch das
System auf einem FTP-Server abgelegt und auf einem Analysemonitor
(Bild 7) ausgegeben. Um die Anwendungsmöglich -
keiten auf die Shopfloor-Ebene zu erweitern, wurde zudem an
der Maschine ein Display installiert. Auf diesem kann der Experte
ausge wählte Informationen in Echtzeit anzeigen lassen, die
dann direkt dem Maschinenbediener zur Verfügung stehen.
Modellbasierte Prozessregelung beim Biegen
Eines der häufigsten Probleme bei der Herstellung metallischer
Bauteile ist die reproduzierbare Fertigung geometrischer
Formen. Formabweichungen können dabei beispielsweise
durch variierende Eigenschaften der Halbzeuge oder
durch Verschleiß der Werkzeuge entstehen. Üblicherweise
werden die Prozessparameter auf Basis von Produktionsszenarien
oder auf Basis von vergangenen Abweichungen von
Soll-Ist-Vergleichen manuell eingestellt. Die Wahl neuer Parameter
hängt dann meist von der Erfahrung des Maschinenbedieners
ab. Dies führt zu einem langwierigen und teuren Prozess,
welcher in allen Phasen des Prozesslebenszyklus auftritt.
Zudem führt der allgemeine Trend zur Miniaturisierung und
zur Verringerung von Toleranzen bei gleichzeitig wachsender
Materialfestigkeit zu einer weiteren Erhöhung der Prozessanforderungen.
Um die Ausschussrate und die Rüstzeiten in der Produktion zu
reduzieren, wurde ein modellbasierter Ansatz für eine sich
selbst anpassende Steuerungsstrategie gewählt. Hierzu wird
der Produktionsprozess – als Beispiel sei abschließend die
Selbstoptimierung eines Biegeprozesses geschildert (Bild 8) –
zunächst modelliert. In einem ersten Schritt wird der Biegeprozess
durch Variierung der Prozessvariablen analysiert, die
den Prozess am stärksten beeinflussen. Dies wird mit Simulationen
realisiert. Anschließend werden die Korrelation zwischen
den signifikanten Variablen und der geometrischen Abweichung
bestimmt und verschiedene selbstoptimierende
Steuerungsstrategien entwickelt und getestet. Um die Simulation
zu validieren und die Qualität der selbstoptimierenden
Steuerungsstrategie zu testen, wurde ein spezielles Werkzeug
entwickelt. Dieses Werkzeug verfügt über eine zusätzliche
Messvorrichtung und kann auf universellen Testmaschinen
benutzt werden. Beim Test der selbstoptimierenden Steuerungsstrategien
unter realen Produktionsbedingungen konnte
der hier interessierende Prozessparameter, das Öffnungsmaß
des Biegeprodukts, vollständig innerhalb der Toleranzen
gehalten werden, so dass eine Ausschussrate von 0 % erreicht
wurde [8].
co
Literatur
[1] Kratz, S.: Position-Oriented Vibration Monitoring of Finish
Milling Thin-Walled Components; Dissertation, RWTH Aachen,
Aprimus-Verlag, Aachen, ISBN-13:
978-3-86359-015-4, 2011.
[2] Pazienza, G.E.; Ponce-García, X.; Balsi, M. et al.: Robot vision
with cellular neural networks: A practical implementation
of new algorithms; Int. J. Circ. Theor. Appl. No. 35, pp.
449-462, 2007.
[3] Alba, L.; Domínguez Castro, R.; Jiménez-Garrido, F. et al.:
New Visual Sensors and Processors; In: P. Arena, L. Patanè:
Spatial Temporal Patterns; Springer, Berlin Heidelberg, pp.
351-369, 2009.
[4] Abt, F.; Heider, A.; Weber, R. et al.: Camera Based Closed Loop
Control for Partial Penetration Welding of Overlap Joints;
Physics Procedia, No. 12, pp. 730-738, 2011.
[5] National Instruments: Technologieausblick 2013 - Datenerfassung:
Maßgebliche Trends bei Hard- und Softwaretechnologien
und ihr Einfluss auf die Datenerfassung;
München, 2013.
[6] Klocke, F.; Veselovac, D.; Keitzel, G.: Cloudbasierte Informationssysteme;
wt-online, Ausgabe 2, SONDERHEFT IN-
DUSTRIE 4.0, S. 090-095, 2013.
[7] Morgan, J.; Eisenblätter, G.; Trostel, J.; O’Donnell, G.E.: Machine
tool process monitoring and machine condition monitoring
– examining data acquisition gateways for process
adaption; Proceedings of the 29th International Manufacturing
Conference, University of Ulster, Belfast, Northern
Ireland, ISBN-13:978-1-85923-253-8, 20122.
[8] Damerow, U.; Borzykh, M.; Homberg, W.; Trächtler, A.: A selfcorrecting
approach for the bending of metal parts; Key Engineering
Materials (KEM), Vols. 504-506, pp 907-912,
2012.
Bild 8: Selbstoptimierung
am Beispiel eines
Biegeprozesses
develop 3 systems engineering 01–2014 41

Bilder: Mesago (1) / doering avmedia/develop 3 (6)
25 Jahre SPS IPC Drives: Round-Table-Gespräch zur Zukunft der Automatisierung
Das physikalische Verständnis
bleibt elementar
Anlässlich des 25. Geburtstags der Messe SPS IPC Drives äußerten sich im Round-
Table-Gespräch der develop 3 Vertreter von Ausstellerbeirat, Kongresskomitee, Mesago
Messe Frankfurt, VDMA und ZVEI zu aktuellen Themen rund um die Automatisierung.
Ausgehend von Anforderungen der Industrie 4.0 ging es dabei auch um die
Frage, wie Ingenieure zukünftig am besten ausgebildet werden können.
ERGÄNZENDES
Automatisierer lesen eine noch umfangreichere
Wiedergabe dieses Gesprächs mit
Fragen zur Zukunft der Automatisierungspyramide
und SPS in der Ausgabe 11/2014
der elektro AUTOMATION auf S. 24.
42 develop 3 systems engineering 01–2014

Engineering Trends
Die Automatisierung bleibt ein Treiber
technischer Weiterentwicklung; sie
ist eine Enabler-Technologie für mehr
Energieeffizienz, Qualität und Produktivität
develop 3 : Im Rahmen von Industrie-4.0-Konzepten spielen Sensoren
als ‚Augen und Ohren‘ einer Fabrik eine große Rolle. Sie werden
deutlich mehr Informationen liefern als heute – Stichwort
Big Data. An welcher Stelle steht die Sensorik hier heute und was
muss folgen?
Adolphs (Ausstellerbeirat): In den letzten 25 Jahren hat die
Sensorik sich bereits extrem weiterentwickelt; insbesondere
dadurch, dass leistungsfähigere Controller-Bausteine ‚bezahlbar‘
wurden. Ganz entscheidend wird nun sein, dass die Sensoren
dann auch hochwertige Informationen in ein System
einspeisen! Betrachtet man traditionelle Anlagen, werden
häufig nur Schaltsignale abgefragt – die in einem Messgerät
vorliegenden, wirklich hochwertigen Informationen werden
im Rahmen der Automatisierung oft gar nicht verwendet. Einer
der Gründe dafür ist sicherlich, dass es teilweise sehr aufwändig
ist, diese Information an die richtige Stelle zu transportieren
– aus Sicht der Sensorhersteller setzen wir hier unsere
Hoffnungen auf Industrie 4.0. Denn damit sollte es leichter
möglich sein, hochwertige analoge und vielleicht auch mit
mehr Parametern versehene Messwerte an die richtige Stelle
zu liefern.
Huber (ZVEI): Die Sensorik wird sich in diesem Sinne auch klar
in Richtung der Analytik entwickeln. Heute messen wir Umgebungsbedingungen
wie etwa Temperatur oder Druck, weil wir
die eigentliche Messgröße nicht erfassen können. Das wird
uns aber mit Fortschritten in der Analysetechnik gelingen –
was zu einer deutlich reduzierten, gleichzeitig aber hochwertigeren
Instrumentierung führen wird.
develop 3 : Dennoch wird die Menge der Daten zunehmen...
Bürger (VDMA): ...weswegen das Schlüsselwort ‚Information‘
heißt! Wir müssen die Frage beantworten, wie sich aus der
Menge an Daten für den Anwender nutzbare Informationen
gewinnen lassen. Hier werden völlig neue, mathematische
Methoden notwendig sein, um aus der Masse an Daten eben
genau diese relevanten Informationen zu generieren.
Frey (Kongresskomitee): Um diese zu generieren, benötigt
man zudem Know-how – es wird nicht genügen, rein auf datenbasierte
Methoden zu setzen. Erst mit Wissen und entsprechenden
Modellen lassen sich die vorliegenden Daten interpretieren
– und speziell hier können wir noch sehr viel besser
werden. Ein kritischer Punkt ergibt sich übrigens mit Blick auf
das Thema Security: Was ist etwa mit Daten, die man zur Laufzeit
von Produkten erhebt? Dürfen wir diese beziehungsweise
sollten wir sie überhaupt nutzen?
Huber (ZVEI): Die Frage, wie sich aus Daten Informationen gewinnen
lassen, beeinflusst zudem stark das Ingenieurwesen.
Während man in der Automatisierungstechnik noch klassisch
nach V-Modell entwickelt, arbeiten die Software-Spezialisten
bereits mit der Agilen Software-Entwicklung. Geht es nun um
Themen wie Big Data, ist aus meiner Sicht auch ein Wandel in
der Lehre erforderlich – sowohl Ingenieure als auch Informatiker
betreffend. Nur so lassen sich zukünftig Aufgaben der Automatisierung
lösen.
Frey (Kongresskomitee): Dazu eine Bemerkung: Natürlich sollte
ein Automatisierungstechniker, der klassischerweise ein Ingenieur
ist – entweder des Maschinenbaus oder der Elektrotechnik
– heute verstärkt über Informatikkenntnisse verfügen;
es gibt bereits Studiengänge, die aus der Informatik heraus
diesen Bereich bedienen. Nach wie vor sollte ein solcher Ingenieur
aber immer noch physikalische Kenntnisse besitzen, um
die zu behandelnden Prozesse zu verstehen – hier landet man
wieder beim Thema Modelle. Ansonsten besteht eine gewisse
Gefahr darin, dass man aufgrund der großen und einfachen
Verfügbarkeit von Daten auf rein datenbasierte Modelle setzt,
rein statistische Modelle – ohne das tiefere Prozessverständnis
zu besitzen. Möglicherweise bin ich da etwas altmodisch, aber
dies halte ich für den falschen Weg. Ein Ingenieur, der eine Anlage
plant und betreibt, sollte die darin ablaufenden Prozesse
verstehen und nicht rein auf Basis von Black-box-Datenmodellen
arbeiten.
develop 3 : Das fordert dann auch eine disziplinübergreifende Zusammenarbeit
– wie etwa die von Spezialisten der IT und Automatisierung.
Müssen wir hier weitere Anstrengungen unternehmen?
Huber (ZVEI): Ich denke, dass dies vor allem ein Zeitproblem ist.
Heute sind Automatisierung und IT noch unterschiedliche
Disziplinen, die müssen erst zusammenkommen – das haben
VIDEO-TIPP
Zusammenfassungen zu einzelnen Fragestellungen
finden Sie als Video unter:
www.wirautomatisierer.de/ethernet
develop 3 systems engineering 01–2014 43

Trends Engineering
wir bei der Industrie-4.0-Spezifikation gelernt. Das wird noch
ein paar Jahre dauern. Sicher ist aber, dass wir uns gegenseitig
verstehen müssen.
DIE TEILNEHMER
„Ich denke, wir
lernen gerade,
miteinander umzugehen
– gewisse
Eigenheiten
werden die Disziplinen
aber behalten.“
Dr.-Ing. Peter Adolphs, Vorsitzender des
Ausstellerbeirats der SPS IPC Drives und
CTO von Pepperl+Fuchs
„Ziel muss sein, das Verständnis
zwischen den Disziplinen,
das im Moment
doch eher erst in den Abteilungen
der Unternehmen
im Laufe von Projekten
zustande kommt,
schon während des Studiums
zu lehren.“
Prof. Dr.-Ing. Georg Frey, Komiteevorsitzender
des SPS-IPC-Drives-Kongresses für
den Thementeil Automation und Inhaber
des Lehrstuhls für Automatisierungstechnik
der Universität des Saarlandes
Dr.-Ing. Peter Adolphs, Chief Technology
Officer der Pepperl+Fuchs GmbH, Mannheim;
zugleich Vorsitzender des Ausstellerbeirats
der SPS IPC Drives
Dr.-Ing. Thomas Bürger, Leiter Entwicklungsbereich
Automationssysteme bei der
Bosch Rexroth AG, Lohr/Main; zugleich im
Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau
e.V. (VDMA), Frankfurt/Main, Stellvertretender
Vorsitzender des Vorstands des
Fachverbandes Elektrische Automation
Prof. Dr.-Ing. Georg Frey, vom Lehrstuhl für
Automatisierungstechnik der Universität
des Saarlandes; zugleich Komiteevorsitzender
des SPS-IPC-Drives-Kongresses für den
Thementeil Automation
Daniel Huber, Vorsitzender der Geschäftsführung
und Leiter der Division Prozessautomation
der ABB Automation GmbH,
Mannheim; zugleich im ZVEI – Zentralverband
Elektrotechnik- und Elektronikindustrie
e.V., Frankfurt/Main, Vorstand des Fachverbands
Automation und des Fachbereichs
Messtechnik und Prozessautomatisierung
sowie Mitglied des ‚ZVEI-Führungskreises
Industrie 4.0‘
Johann Thoma, Vorsitzender der Geschäfts -
führung der Mesago Messe Frankfurt
GmbH, Stuttgart
Bürger (VDMA): Der Maschinenbau kommt ja auch zunehmend
mit IT-Themen in Berührung. Genannt wurden bereits
agile Entwicklungsmethoden, Security oder Big Data. Aktuell
wird die Verbindung unter dem Dach der Unternehmen geschlossen,
die Produkte entwickeln. Ich bin aber sehr zuversichtlich,
dass in der Lehre nach und nach ein Umdenken erfolgen
wird und auch die Ausbildung in diese Richtung gehen
wird. Seitens des VDMA gibt es zudem Bestrebungen, verschiedene
Fachverbände zusammenzubringen. Aktuell identifiziert
beispielsweise der Fachverband Elektrische Automation
zusammen mit den Kollegen aus dem Fachverband Software
Themen, um die Zusammenarbeit in Arbeitskreisen zu
fördern. Beispiele sind wiederum Themen wie Security oder
auch App-Anwendungen für die Maschinenbedienung.
Adolphs (Ausstellerbeirat): Wenn man heute in Entwicklungsabteilungen
blickt, arbeiten dort Physiker, Ingenieure und Informatiker
gemeinsam an Projekten. Dass natürlich der ‚Wortschatz‘
dieser drei Gruppen nach wie vor nicht ganz deckungsgleich
ist, liegt in der Natur der Sache – das macht es aber auch
spannend und interessant. Ich denke, wir lernen gerade, miteinander
umzugehen – gewisse Eigenheiten werden die Disziplinen
aber behalten. Der eine denkt mehr in Datenmodellen,
der andere ist näher an der Physik – das zusammenzubringen,
bringt den Mehrwert.
Frey (Kongresskomitee): Exakt, Ziel kann sicher nicht sein, jemanden
auszubilden, der ‚alles‘ kann – das würde dann ein
Generalist, der zwar alles aber nichts richtig kann. Ziel muss
sein, dieses Verständnis, das im Moment doch eher erst in den
Abteilungen der Unternehmen im Laufe des Projekts zustande
kommt, schon während des Studiums zu lehren.
44 develop 3 systems engineering 01–2014

Engineering Trends
„Der Maschinenbau
kommt
zunehmend mit
IT-Themen in Berührung.
Aktuell
wird die Verbindung
unter dem
Dach der Unternehmen
geschlossen, die Produkte entwickeln – künftig
sollte das aber auch in der Lehre berücksichtigt werden.“
Dr.-Ing. Thomas Bürger, Stellvertretender Vorsitzender des Vorstands
des Fachverbandes Elektrische Automation im VDMA und Leiter Entwicklungsbereich
Automationssysteme bei Bosch Rexroth
„Geht es um Themen wie Big Data, ist aus
meiner Sicht auch ein Wandel in der Lehre erforderlich
– sowohl Ingenieure als auch Informatiker
betreffend. Nur so lassen sich zukünftig
Aufgaben der Automatisierung lösen.“
Daniel Huber, unter anderem Vorstand des Fachverbands Automation
im ZVEI und Vorsitzender der Geschäftsführung und Leiter der Division
Prozessautomation von ABB Automation
„Die Messe muss sich natürlich den
Anforderungen anpassen. Beispiele der
jüngeren Vergangenheit sind etwa
das Zusammenwachsen von Prozessund
Fabrikautomatisierung, die Bildverarbeitung
oder eben die IT und die
Rolle innerhalb der Automatisierung.“
Johann Thoma, Vorsitzender der Geschäftsführung,
Mesago Messe Frankfurt
develop 3 : An dieser Stelle kann ja auch eine Messe einiges bewirken.
Welche Rolle kann hier die SPS IPC Drives künftig spielen?
Thoma (Mesago Messe Frankfurt): Die SPS IPC Drives konnte
sicherlich schon in den zurückliegenden Jahren zur erfolgreichen
Entwicklung der Automatisierung beitragen; hier trifft
sich der Markt seit 25 Jahren und oft vibriert die Luft regelrecht.
Unser Ziel und Anspruch ist es deshalb auch, Anbieter, Anwender,
Wissenschaftler sowie Verbände wie VDMA und ZVEI zusammenzubringen
– im Sinne eines Ideenfestivals. Dabei
bleibt die Automatisierung immer ein Treiber technischer
Weiterentwicklung; sie ist eine Enabler-, eine Schlüssel-
Technologie für mehr Energieeffizienz, Qualität und Produktivität.
Und ihre Einsatzgebiete sind unzählig, die fortschreitende
Digitalisierung wird hier noch mehr Möglichkeiten
eröffnen.
develop 3 : Muss sich die Messe denn auch neuen Themen – etwa
rund um Security – öffnen?
Thoma (Mesago Messe Frankfurt): Die SPS IPC Drives konzentriert
sich natürlich auf die elektrische Automatisierung,
das ist ihr Profil. Angesichts der vielen Facetten von Automatisierung,
die wir hier bereits angesprochen haben, darf
das aber kein starrer Rahmen sein; die Veranstaltung muss
sich natürlich den Anforderungen anpassen. Beispiele der
jüngeren Vergangenheit sind etwa das Zusammenwachsen
von Prozess- und Fabrikautomatisierung, die Bildverarbeitung
oder eben die IT und die Rolle innerhalb der Automatisierung.
Solange das alles in einem Zusammenspiel gezeigt
werden kann, ist es hilfreich für den Anwender und damit
den Fachbesucher.
Huber (ZVEI): Messen unterliegen an dieser Stelle ja auch einem
Wandel. Typischerweise liefert heute das Internet die
klassischen Informationen rund um Produkte und Lösungen,
nicht mehr eine Messe. Die Besucher einer Messe wollen
heute Fragestellungen diskutieren, was für die Aussteller anspruchsvoller
aber auch interessant ist. Messen entwickeln
sich also weg von der Informationsbeschaffung hin zu einem
Diskussionsforum, wo sich Aufgabenstellungen mit verschiedenen
Herstellern diskutieren lassen.
develop 3 : Das zeigt, wie wichtig es ist, das Engineering von Automatisierungslösungen
im Blick zu behalten. An dieser Stelle Ihnen
allen herzlichen Dank für die interessante Diskussion.
www.mesago.de/sps
Das Round-Table-
Gespräch moderierte
Michael Corban,
Chefredakteur, develop 3
develop 3 systems engineering 01–2014 45

Trends Datendurchgängigkeit
Bild: Continental
Angelo Bindi vom MES D.A.CH Verband zu den Themen MES und PLM
„MES-Lösungen
sind die Schaltzentrale“
Bei der Herstellung sicherheitsgerichteter
Produkte –
hier Bremsen auf dem Prüfstand
bei Continental –
müssen alle relevanten Herstelldaten
erfasst und 15
Jahre archiviert werden. Nur
auf diese Weise ist es möglich,
den Produktionsprozess
im Nachhinein nachzuvollziehen
und damit zu
optimieren
Industrie 4.0 werde überwertet, lenke aber die Wahrnehmung auf die Potenziale,
die sich mit MES-Lösungen erschließen lassen, meint Angelo Bindi, Zweiter Vorstand
des MES D.A.CH Verbands und Senior Manager Central Control and Informa -
tion Systems bei der Division Chassis & Safety von Continental. MES seien die
Datendrehscheibe für die Produktionsoptimierung und PLM sei viel wichtiger und
umfangreicher als Industrie 4.0.
46 develop 3 systems engineering 01–2014

DatendurchgängigkeitTrends
develop 3 : Herr Bindi, werden MES-Lösungen zur Schaltzentrale
in Industrie-4.0-Konzepten?
Bindi: MES-Lösungen sind bereits jetzt die Schaltzentrale, mit
der sich die Fertigung optimieren lässt und mit der Unternehmen
Aufgaben der Teile-Rückverfolgung lösen können – letzteres
ist vor allem bei der Herstellung sicherheitsgerichteter
Produkte unerlässlich. Das derzeit ‚hippe‘ Thema Industrie 4.0
betrachte ich deswegen aus einem anderen Blickwinkel: MESrelevante
Daten fallen ja bereits mit Beginn der Produktentstehung
an, unter anderem Fertigungsparameter wie Drehmomente
und -winkel, die zu einer Rezeptur – einer Montageanleitung
– führen. Hinzu kommen dann die Informationen aus
der tatsächlichen Fertigung, die insbesondere bei der Optimierung
von Produktionsanlagen vorliegen müssen. All diese Informationen
lassen sich in einem MES-System abgreifen, über
den kompletten Lebenszyklus eines Produktes hinweg – was
wesentlich umfassender ist als der Zugriff auf rein produktspezifische
Parameter in Industrie-4.0-Konzepten.
der Fertigung parametrieren – was bislang ja noch maschinenbeziehungsweise
steuerungsspezifisch erfolgen muss. Industrie
4.0 will diese steuerungsspezifische Parametrierung ja nun drastisch
vereinfachen, um bei der Wahl der Fertigungsmittel freie
Hand zu haben...
Bindi: ...und das haben wir schon. Hätten wir diese Möglichkeit
nicht, könnten wir in Europa nicht wettbewerbsfähig fertigen.
Wir können, nachdem wir auf der Anlage A das erste Drittel
des Fertigungsprozesses durchlaufen haben, problemlos auf
Anlage B und später C wechseln. Was wann zu tun ist, ist in der
Rezeptur abgelegt.
develop 3 : Sie sprechen damit das PLM oder Product Lifecycle Management
an...
Bindi: ...das in der Automobilindustrie und bei den Zulieferern
schon sehr lange ein Thema ist, das sehr intensiv bearbeitet
wird. PLM ist beispielsweise für Continental viel wichtiger und
umfangreicher als das, was heute in Verbindung mit dem Thema
Industrie 4.0 beschrieben wird.
develop 3 : Das PLM bildet doch digital den Produkt-Lebenszyklus
ab und soll in Industrie-4.0-Konzepten mit der Fertigungssteuerung
vernetzt werden. Bildet also Industrie 4.0 nicht eine Klammer
über ein fertigendes Unternehmen, die PLM und Fertigung
beziehungsweise Automatisierung vereint?
Bild: MES D.A.CH Verband
„PLM ist beispielsweise
für Continental viel
wichtiger und umfangreicher
als das, was heute in Verbindung mit dem
Thema Industrie 4.0 beschrieben wird!“
Angelo Bindi, Zweiter Vorstand MES D.A.CH Verband
Bindi: Ich sehe das genau anders herum! Das PLM beschränkt
sich nicht nur auf das Digitale, sondern es fokussiert den gesamten
Lebenszyklus eines Artikels. Schwerpunktmäßig beschäftigt
sich dagegen Industrie 4.0 mit der Frage, wie – bezogen
auf die Fertigung – das Produkt weiß, was als nächstes an
ihm getan werden muss. Bei uns ist dagegen das PLM schon
mit der Fertigung verknüpft, bevor das Produkt selbst das erste
Mal eine Fertigungslinie durchläuft. Digital haben wir vor
diesem Zeitpunkt bereits festgelegt, wie und in welcher Reihenfolge
es zu fertigen ist. Und die Datendrehscheibe für jedes
produzierende Unternehmen ist dabei das Manufacturing
Execution System. Aus der Zusammenführung von produktund
fertigungsspezifischen Daten können wir auf diese Weise
Potenziale hinsichtlich kürzerer Zykluszeiten und höherer
Verfügbarkeit erkennen – bei Continental haben wir das für alle
Produktionslinien weltweit auf einem Schirm.
develop 3 : Dann lassen Sie mich noch einmal nachfragen: Sie verwalten
mit dem MES die Rezepturen zur Herstellung Ihrer Produkte.
Mit diesen Informationen lassen sich die Steuerungen in
develop 3 : Was dann aber voraussetzt, dass Sie diese Prozesse vorgedacht
haben – sprich die Steuerungsprogramme vorliegen. Industrie
4.0 würde dann zusätzlich die Flexibilität bringen, dies
nicht mehr vordenken zu müssen. Ist die Automobilindustrie
denn schon viel weiter als andere fertigende Branchen?
Bindi: Nein, denn gerade über den MES D.A.CH Verband haben
wir ja einen guten Überblick in der MES-Welt. Vergleicht man
die Systeme, so bieten diese die gleichen Funktionalitäten, die
wir mit unserer Eigenentwicklung bei Continental nutzen –
letztlich sind also die Anforderungen der Anwender die gleichen.
Im Vordergrund steht immer eine effiziente, wettbewerbsfähige
Fertigung – mit hoher Verfügbarkeit und kurzen
Zykluszeiten. Gerade die Möglichkeiten der Maschinendatenerfassung
eröffnen hier noch zahlreiche Potenziale.
develop 3 : Herr Bindi, wir danken für das interessante Gespräch.
www.mes-dach.de
Das Interview führte
Michael Corban,
Chefredakteur develop 3
develop 3 systems engineering 01–2014 47

Experteninterview zum Schnittstellen-Management beim Engineering
Durchgängige
Ressourcen-Nutzung
Das Schnittstellen-Management bei Softwaretools, die von der Produktentstehung über die
Konstruktion bis zur Fertigung zum Einsatz kommen, ist entscheidend für die Effizienz der industriellen
Prozesse. Nur ein durchgängiger Informationsaustausch zwischen den beteiligten
Instanzen ermöglicht eine wirtschaftliche Fertigung. Laut dem Verband Deutscher Maschinen-
und Anlagenbau (VDMA) wünschen sich Maschinenhersteller standardisierte Datenschnittstellen
zwischen ERP/PDM, M-CAD und E-CAD sowie E-CAD und SPS-Programmierung.
Sie sehen dort Einsparpotenziale bis 10 %.
48 develop 3 systems engineering 01–2014

Datenverwaltung Trends
Kosten, die sich aber durch einen geringeren Abstimmungsaufwand
in späteren Phasen des Produktentstehungsprozesses
reduzieren. Mit E3.EDM für Elektro- und Fluid-Engineering
haben wir einen wichtigen Baustein vorgestellt.
Eisenbeiss (Siemens): Im Maschinenbau ist diesbezüglich die
gesamte Bandbreite an Lösungen anzutreffen: Es gibt bereits
in hohem Maße durchgängige Workflows, die Mehrfach-Eingaben
nahezu vermeiden. Es gibt aber auch noch den Papierausdruck,
der an die Nachbardisziplin weitergereicht wird.
Fürnschuß (B&R): Nach unserem Kenntnisstand verwenden
85 % der Maschinen- und Anlagenbauer keine integrierten
Schnittstellen zwischen M-CAD, E-CAD und SPS-Programmierung
oder sie behelfen sich mit Tabellenexporten. Eine weitere
Herausforderung sind die Engineering-Daten selbst, also die
Bauteilebeschreibungen der einzelnen Anbieter. Eine effiziente
Unterstützung des Arbeitsflusses über die Disziplinen hinweg
ist erst dann gegeben, wenn neben integrierten Schnittstellen
auch die Bauteilebeschreibungen für alle Engineering-
Systeme gleichermaßen zur Verfügung stehen. Automation
Studio 4 bietet eine Round-Trip-Kopplung zu Eplan Electric P8.
develop 3 : In welchem Umfang werden heute – beispielsweise
im Maschinen- und Anlagenbau – Schnittstellen zwischen ERP/
PDM, der Mechanik- und Elektrokonstruktion sowie der Programmierung
von Steuerungen und der Fertigung von Schaltschränken
genutzt?
Chidester (Zuken): Aus unserer Sicht gewinnt die Integration
der Prozesse in den frühen Phasen der Produktentstehung rapide
an Bedeutung. Der Grund liegt in der allgemein bekannten
Verschiebung der Wertschöpfung von der Mechanik in
Richtung Elektronik und Software. Stand heute gibt es eine
ganze Reihe von Schnittstellen und Integrationsmöglichkeiten,
aber nicht alle von ihnen werden in den Entwicklungsprozessen
der Industrie bereits in dem wünschenswerten Ausmaß
genutzt. Dies ist in besonderem Maße im Falle der Software-Entwicklung
für programmierbare Steuerungen der Fall.
Die Ursache für diesen Befund findet sich häufig in der Tatsache
begründet, dass von Seiten des Managements dieser Unternehmen
die Kommunikation zwischen den verschiedenen
Abteilungen vielfach noch nicht aktiv forciert wird – denn sie
bedeutet zunächst einen Zusatzaufwand und zusätzliche
Bild: Aucotec
Ott (Aucotec): So vielfältig wie die Systeme in den verschiedenen
Bereichen sind, so vielfältig sind auch die angebotenen
Schnittstellen. Das potenziert sich noch einmal durch die z. T.
sehr unterschiedlichen Arbeitsweisen und die daraus resultierenden
Kunden-Anforderungen. Generell verzeichnen wir
über die letzten Jahre eine deutliche Zunahme an Projekten, in
denen eine Integration mit ERP, PDM und M-CAD nicht nur angefragt,
sondern auch umgesetzt wird. Dabei sehen wir die
Entwicklung sehr positiv, dass zunehmend auch kleine und
mittelständische Unternehmen auf Integration der Disziplinen
setzen. Bei SPS- und Fertigungsunterstützung sind die Anforderungen
dagegen wesentlich homogener und die Systeme
weniger kundenspezifisch, so kann eine Integration häufig
recht einfach mit Bordmitteln umgesetzt werden.
Dr. Papenfort (Beckhoff): Bisher fehlen standardisierte
Schnittstellen. Effektives Engineering funktioniert nur, wenn
man sich Daten in einem gemeinsamen Datenpool teilen
kann. Dazu muss das Format natürlich festgelegt werden. Und
es muss unabhängig von den eingesetzten Tools sein. ERP-Systeme
müssen Aufträge einstellen können. Mechanik- und
Elektrokonstruktion sowie die Softwarekonstruktion müssen
aus diesen Daten die Maschine oder Anlage konstruieren können.
Die Daten müssen zwischen allen beteiligten Programmen
hin und her fließen können. Nur so ist paralleles Engineering
möglich.
develop 3 : Wo sehen Sie
weiteres Potenzial für
Effizienzsteigerungen und
welche weiteren Voraussetzungen
müssen auf
Seiten der Softwarean -
bieter sowie der Anwender
in den Unternehmen erfüllt
werden?
INFO-TIPP
Mit der Thematik beschäftigt
sich auch der VDMA:
http://t1p.de/57gh
develop 3 systems engineering 01–2014 49

Trends Datenverwaltung
Chidester (Zuken): Um die Prozessintegration
vorantreiben zu können,
erweist sich das auf den ersten Blick
naheliegende Vorhaben, mit einem
PLM-System die Steuerung aller Daten
und Abläufe zusätzlich zur Mechanik
über alle Disziplinen hinweg
auch für Elektrotechnik, Fluid und
Elektronik abzudecken, in der Praxis
als aufwändig. Grund sind die spezialisierten
Daten- und Ablaufmodellen
der verschiedenen Entwicklungs-Disziplinen:
Das Datenmodell,
das für die Konstruktion ei-
Steve Chidester, Leiter Internationales
Marketing bei Zuken in München
nes mechanischen Bauteils benötigt
wird, unterscheidet sich grundlegend
von den Datenmodellen der
Elektrotechnik, der Elektronik und der Software-Entwicklung.
Es sind also Lösungen erforderlich, mit denen sich die Datenmodelle
der Elektrokonstruktion in vollem Umfang verwalten
lassen, die andererseits aber von vornherein für eine Integration
mit der etablierten PLM-Welt offen und vorbereitet ist.
Bild: Zulken
wird nicht selten auch die effizientere Alternative sein. Das
Fehlerpotenzial sinkt und Entwicklungszeiten verkürzen sich.
Auch in der oftmals unter hohem Zeitdruck stehenden Inbetriebnahme
ergeben sich Vorteile. So können mit guten Interfaces
Daten, die möglicherweise vor Ort oder offline verändert
wurden, beim nächsten Ankoppeln an die heimische Infrastruktur
in alle Engineering-Systeme rückgeführt werden.
Ott (Aucotec): In den einzelnen Abteilungen wurde in den vergangenen
Jahren viel investiert, um dort die Effizienz zu steigern.
Die Potenziale sind hier so gut wie ausgeschöpft. Wichtiger
als der Erfolg der Einzel-Disziplinen ist aber der des Unter-
Eisenbeiss (Siemens): Optimierungspotenziale liegen in den
Austauschformaten. Um hier besser zu werden, liegt noch Arbeit
in den Standardisierungsgremien, in denen auch wir uns
engagieren. Zudem investieren wir in offene Schnittstellen, die
eine einfache Nutzbarkeit zwischen Werkzeugen erlauben.
Heinz Fürnschuß,
Technical Manager
Automation Software
bei B&R in
Eggelsberg
Bild: B&R
Fürnschuß (B&R): Eine wesentliche Effizienzsteigerung liegt
klar auf der Hand: Durch Schnittstellen, die einen durchgängigen
Datenaustausch ermöglichen, entfallen viele Doppeleingaben
ebenso wie manuelle Tätigkeiten. Durch bidirektionale
Schnittstellen kann die Arbeit der unterschiedlichen Disziplinen
parallel vorangetrieben werden. Heute wird in aller Regel
noch zuerst die Mechanik, dann die Elektrokonstruktion und
nehmens insgesamt. Für eine unternehmensweite Effizienz-
Steigerung müssen die Prozesse zunehmend interdisziplinär
angegangen werden. Eine enge Zusammenarbeit zwischen
den Disziplinen kann die Software zwar unterstützen, ausschlaggebend
ist aber der Mensch. Ohne beispielsweise einen
einheitlichen Sprachgebrauch sind Missverständnisse vorprogrammiert.
Die Mauern müssen fallen.
Dr. Papenfort (Beckhoff): Softwareanbieter müssen sicherlich
noch zu definierende Standards für den Datenaustausch unterstützen.
Die Anwender müssen sich auf mehr Arbeit im
Team und Einhalten von vorher definierten Schnittstellen einstellen.
Flexibilität und Offenheit sind gefragt.
Bild: Siemens
Heinz Eisenbeiss,
Leiter Simatic-
Marketing in der
Siemens-Division
Industry Automation
in Nürnberg
am Ende – oft unter enormem Zeitdruck – die Software entwickelt.
Die Möglichkeit, umgekehrt vorzugehen und eine von
der Software vorgegebene Konfiguration zur Weiterbearbeitung
an die Elektrokonstruktion zu übergeben, ist durch eine
bidirektionale Schnittstelle, wie sie zwischen Automation Studio
4 und Eplan Electric P8 besteht, ebenfalls gegeben und
develop 3 : Der Datenaustausch zwischen CAE und SPS-Programmierung
gilt noch immer als eine zentrale Anforderung im Engineering-Prozess?
Chidester (Zuken): Der erforderliche Datenaustausch ist an
sich eine recht einfache Aufgabe und bei Zuken haben wir zusammen
mit unseren Kunden eine ganze Reihe von Schnittstellen
für diesen Zweck entwickelt und kontinuierlich weiterentwickelt.
Insgesamt hilft uns das Feedback unserer Kunden
dabei, zu verstehen, welche Daten ausgetauscht werden müssen,
mit welcher Frequenz und mit welcher Informationstiefe.
Eisenbeiss (Siemens): Kernanforderung an die Schnittstelle
zwischen CAE und SPS-Programmierung, zum Beispiel zwischen
Eplan und Siemens-Steuerungen, ist der Austausch von
50 develop 3 systems engineering 01–2014

Datenverwaltung Trends
Signallisten sowie der Hardwarekonfiguration. Deshalb wurden
Schnittstellen geschaffen, die im Anlagen- und Maschinenbau
längst etabliert ein hohes Maß an Effizienz bringen.
Fürnschuß (B&R): Die Offenheit unseres Systems ermöglicht
es, MCAD und ECAD in unsere Entwicklungswelt zu integrieren.
Eine bidirektionale Schnittstelle zwischen der Entwicklungsumgebung
Automation Studio und Electric P8 bietet
Hard- und Softwareentwicklern eine gemeinsame Datenbasis.
Sie kommen dadurch schneller und sicherer zu optimalen
Ergebnissen. Außerdem erschließen wir den MCAD-Bereich
bequem über eine Simulationsschnittstelle. Dabei gehen
wir selektiv vor und verwenden ausschließlich die Informationen,
die für beide Disziplinen gleichermaßen relevant
sind. Erfahrungsgemäß ist das sinnvoller als komplette Files zu
laden. Für die Simulation nutzen wir verschiedene Tools.
Ott (Aucotec): Auch wenn die Software-Anbieter spezifische
Schnittstellen anbieten, sind die generischen Schnittstellen
über XLS- und CSV-Formate noch immer im Vormarsch. Dies
liegt einerseits daran, dass der zusätzliche Nutzen einer systemspezifischen
Schnittstelle die notwendige Investition aus
Sicht der Kunden nur selten rechtfertigt und andererseits die
spezifische Schnittstelle weniger flexibel ist. Mancher Kunde
bräuchte für jedes eingesetzte SPS-Programmiersystem eine
passende Schnittstelle. Unabhängig von der Art der Schnittstelle
kommt es auf ihre Einfachheit und den Komfort in der
Handhabung an und darauf, ob die Daten bidirektional übertragen
werden können und sich Änderungen sinnvoll verwalten
lassen. Das Format ist eher zweitrangig.
Dr. Papenfort (Beckhoff): Schon heute werden Daten aus der
mechanischen und elektrotechnischen Konstruktion an die
SPS-Programmierung weitergegeben. Allerdings erfolgt das
häufig auf Zuruf und nicht in elektronischer Form. Hier ist eine
bessere Abstimmung und eine Nachverfolgbarkeit unbedingt
nötig.
develop 3 : Haben sich bereits Standards herauskristallisiert,
welche Schnittstellen werden zukünftig generell entlang der ge-
Bild: Beckhoff
Dr. Josef Papenfort, Produkt -
manager Twincat bei Beckhoff
Automation in Verl
samten Prozesskette beginnend bei der Produktentwicklung
an Bedeutung gewinnen?
Chidester (Zuken): Am effizientesten ist kurzfristig
sicher ein direkter Austausch der Daten zwischen
den verschiedenen Werkzeugen. Das ist
schnell, genau und wenig fehleranfällig. Leider
sehen wir derzeit noch keinen akzeptierten Standard.
Der VDMA hat damit begonnen, einen solchen
Standard definieren. Zuken wird einen solchen
Standard zweifellos unterstützen. Grundsätzlich
sind sich alle Beteiligten einig, dass das
Ziel ein etablierter Standard sein sollte, aber eine
allgemeingültige Definition ist eine schwierige
Aufgabe. Ein „leichter“ Standard ist auf alle Fälle
schneller zu etablieren, auf lange Sicht bleibt
dann aber das Problem der gesamtheitlichen Darstellung der
verschiedenen Anforderungen der Industrie. In der Praxis haben
wir es meist mit partiellen Implementierungen zu tun, die
durch Individualschnittstellen ergänzt werden. Doch damit ist
bereits der erste Schritt zu ihrer Verwässerung getan.
Eisenbeiss (Siemens): Es gibt diverse, meist XML-basierte Formate.
Ein wirklicher Standard hat sich aber bis heute nicht
etabliert. Das Bestreben, diese Lücke zu schließen, ist jedoch
aktuell breit vorhanden. Wir stellen die Durchgängigkeit unserer
Softwarelandschaft sicher, arbeiten im VDMA am Datenaustausch
zwischen MCAD/ECAD/ACAD und setzen uns für
Standardisierung und Normung von Formaten ein.
Fürnschuß (B&R): Teilweise haben sich durch simple Marktgegebenheiten
Quasistandards entwickelt, auf die sich einzelne
Hersteller einschwingen. Eine Initiative wie die zum VDMA-
Einheitsblatt 66415 „Engineering Datenaustausch Mechanik-
Elektrik-Software“ ist in jedem Fall zu unterstützen. Es gehört
zur Kernkompetenz von B&R, unsere Hardware fürs Engineering
verfügbar zu machen und die Software entsprechend der
Hardware zu programmieren. Im Bereich der Hardware-Konfiguration
unterstützen wir unsere Kunden mit Lösungen, die
die Entwicklungsqualität und -zeit deutlich optimieren.
Ott (Aucotec): Standards sind leider noch nicht weit verbreitet.
Entlang der Prozesskette finden wir z. B. eCl@ss, AutomationML,
VDMA 66415 und IEC 6242. Alle bieten gute Voraussetzungen,
sich in naher Zukunft zu etablieren. Da sie jedoch
von zu wenigen Systemen unterstützt werden, ist die Nachfrage
bisher gering - das typische Henne-Ei-Problem. Wichtig für
eine Standard-Schnittstelle ist letztendlich ihre Verbreitung.
Bisher ist keine groß genug. Im Kundenfokus steht zuerst, dass
die Schnittstelle den eigenen Prozess unterstützt und das Kosten-Nutzen
Verhältnis stimmt. Ob dies mit einer Standardoder
proprietären Schnittstelle erreicht wird, ist weniger wichtig.
Als Systemanbieter käme uns ein Standard entgegen. Das
hieße für uns effizientere Ressourcen-Nutzung in Entwicklung,
Qualitätssicherung und Dokumentation.
www.aucotec.com, www.beckhoff.de
www.br-automation.com,
www.automation.siemens.com, www.zuken.com
Bild: Aucotec
Norbert Ott,
Produktmanager
Engineering Base
bei Aucotec
in Hannover
develop 3 systems engineering 01–2014 51

Praxis Automatisierung
Produktkomplexität beherrschen: Software so modular wie die Maschine erstellen
Parallel ein
gemeinsames Ziel verfolgen
Mit Automation Studio 4 stellt B&R Maschinenbauern ein zentrales Werkzeug zur
Verfügung, mit dem sich qualitativ hochwertige Software auch bei zunehmender
Produktkomplexität schneller und kostengünstiger programmieren lässt. Es bietet
die Möglichkeit, Entwicklungsaufgaben aufzuteilen und auf diese Weise zu parallelisieren.
Gleichzeitig werden aber trennende Mauern zwischen den einzelnen Disziplinen
der Softwareentwicklung abgebaut.
Kunden verlangen heute von Maschinen- und Anlagenbauern
individuell zugeschnittene flexible Maschinen mit der Fähigkeit
zur Integration in Gesamtanlagen – zum Preis und mit der
Stabilität eines Großserienproduktes, kurzfristig verfügbar, ohne
lange Inbetriebnahmezeiten und selbstverständlich allen
Normen und Dokumentationsvorschriften entsprechend.
Nicht zuletzt möchten die Nutzer später auch noch durch
Nach- oder Umrüstung und durch eigene Eingriffe in die Software
auf veränderte Bedarfe reagieren können. Zwangsläufig
steigt damit die Komplexität der Maschinen und Anlagen
enorm an.
Zur Bewältigung dieser steigenden Produktkomplexität – in
überschaubarer Zeit und zu tragbaren Kosten – bedienen sich
die Konstrukteure des Maschinenbaus der Mittel der Standardisierung
und Modularisierung. Sie schaffen Normteile und
Einheitsbaugruppen für einzelne Funktionen, die mittels
PRODUKTENTWICKLUNG FRÜHER UND ZUKÜNFTIG
Dem klassisch sequentiellen Arbeiten in der Produktentwicklung – erst kommt die Mechanik, dann die Elektrik und
schlussendlich die Software – stellt B&R mit Automation Studio bezüglich der Softwareentwicklung eine Alternative
entgegen. Der Lohn dafür: Entwicklungsschritte lassen sich parallel im Team abarbeiten, was die Time-to-Market
deutlich verkürzt
52 develop 3 systems engineering 01–2014

Automatisierung Praxis
„Die Möglichkeit, in Automation Studio 4 die
Software für komplexe Maschinen und An -
lagen aus unabhängig voneinander entwickelten
Applikationsmodulen
zusammenzustellen, ist eine
aktive Unterstützung
der Maschinenentwickler
bei der Bewältigung der
steigenden Komplexität.“
Dr. Hans Egermeier, Business Manager
Automation Software bei B&R
Bilder: B&R
wohldefinierter Anschlüsse baukastenartig in unterschied -
lichen Kombinationen zu verschiedenen Gesamtmaschinen
oder -anlagen zusammengestellt werden können. In vielen
dieser Konstruktionsbüros gibt es darüber hinaus eine Arbeitsteilung,
in denen Spezialisten verschiedene Unterbereiche bearbeiten
– ohne dabei den Blick auf die Gesamtmaschine zu
verlieren.
„Was in der mechanischen Entwicklung längst selbstverständlich
ist, sollte in der Softwareentwicklung ebenso einfach möglich
sein“, fordert deswegen Dr. Hans Egermeier, Business Manager
Automation Software bei B&R. „In der IT-Welt ist das
auch längst gängige Praxis, lediglich im Maschinenbau halten
sich hartnäckig Methoden aus der Frühzeit der SPS-Programmierung
– sie machen die Softwareentwicklung für komplexe
mechatronische Systeme zur herkulischen Aufgabe.“ Das liegt
nicht zuletzt an der weit verbreiteten Vorstellung von Produktentwicklungsvorgängen
als strikt sequentiellen Vorgängen –
trotz immer komplexer werdenden Abläufen innerhalb von
Maschinen und Anlagen. Dabei wachsen Themen wie SPS,
CNC, Robotik, intelligente Achsregelung, Visualisierung und
Kommunikation immer weiter zusammen.
Den Überblick auch bei
größeren Programmen bewahren
Um die zunehmende Komplexität funktionaler Abläufe, das
Steuerungsverhalten ganzer Maschinen und von Regelungsalgorithmen
beherrschbar zu halten, muss auch die Software
modular aufgebaut sein. In Analogie zur Mechanik mit ihren
Normteilen funktioniert das über Baukästen in Form von Bibliotheken
mit einzelnen Funktionen, Abläufen und Reglern.
Die Möglichkeit, einzelne Unterprogramme als Funktionsblöcke
in Bibliotheken abzuspeichern und durch Aufruf im Hauptprogramm
zur Wirkung zu bringen, existiert bereits seit längerer
Zeit und wird von Programmierern intensiv genutzt. Ebenso
ist in bereits existierenden Versionen von Automation Studio
die Möglichkeit zur objektorientierten Programmierung in
„Die objektorientierte
Programmierung hilft,
größere Programme
übersichtlich zu halten
und ihre Wartbarkeit
zu erhöhen.“
Wolfgang Portugaller, Leiter Systemarchitektur bei B&R
C++ vollständig integriert. Bei dieser Art der Softwareerstellung
bedient sich der Entwickler einer Struktur aus Programmklassen,
die als funktionale Behälter für kleine und kleinste
Funktionsprogramme dienen. Durch Zuweisung von Werten
werden sie zu Programmobjekten, die wie Bausteine zusammengesetzt,
aber auch ineinander geschachtelt werden können.
„Diese objektorientierte Programmierung ist die Schlüsseltechnologie
zur Modularisierung von Software“, sagt Wolfgang
Portugaller, Leiter Systemarchitektur bei B&R. „Sie hilft,
größere Programme übersichtlich zu halten und dabei, ihre
Wartbarkeit nachhaltig zu erhöhen.“ Allerdings ist die Granularität
trotz der Möglichkeiten zur hierarchischen Strukturierung
von Objekten recht fein. Und trotz objektorientierter Programmierung
müssen die Softwareentwickler zuletzt alle Teile
einer Maschinenprogrammierung in einem Gesamtprogramm
zusammenführen, um sie als Ganzes für die Maschine
oder Anlage zu übersetzen, zu testen und in Betrieb zu nehmen.
Autonom lauffähige Applikationsmodule
erleichtern modulare Konzepte
Eine der Stärken von Automation Studio 4 ist die Modularisierung
auf einer höheren Ebene durch autonom lauffähige Applikationsmodule.
Diese können unterschiedlich groß sein
und einzelne Funktionen, aber auch ganze Maschinenteile
develop 3 systems engineering 01–2014 53

Praxis Automatisierung
Peter Kemptner
ist freier Journalist
in Salzburg
SMART ENGINEERING
Unabhängige und wiederverwendbare Module sind ein wesentlicher
Bestandteil des Smart Engineerings, wie es B&R definiert. Der Maschinenbauer
profitiert von einer parallelen Modulentwicklung und
damit verbunden verringerten Entwicklungszeiten und -risiken
oder Teilmaschinen repräsentieren. In ihrem Inneren können
sie hierarchisch aus einzelnen Funktionsblöcken, ganzen Programmen
oder beliebigen Mischungen davon bestehen.
Neben einer erleichterten Abbildung modularer Maschinenkonzepte
erlaubt die Modularisierung mittels Applikationsmodulen
eine Verteilung der gesamten Entwicklungsaufgabe
auf mehrere Entwickler, die nicht notwendigerweise im selben
Haus sitzen müssen. So ist es zum Beispiel ohne großen
Aufwand möglich, externe Automatisierungsdienstleister
hinzuzuziehen oder Teile der Programmierung vom Kunden
vornehmen zu lassen. Dabei können nicht nur funktional unterschiedliche
Teilprogramme auf die jeweiligen Spezialisten
aufgeteilt, sondern auch große Einzelaufgaben auf mehrere
Entwickler verteilt werden.
Das beschleunigt die Softwareentwicklung wesentlich: Auf
der Grundlage vereinbarter Schnittstellen können diese Applikationsmodule
gleichzeitig entwickelt und durch Simulation
der Umgebung ausführlich getestet werden, ohne dass dies
gleichzeitig erfolgen muss. Darüber hinaus bietet Automation
Studio 4 eine ganze Reihe vorgefertigter Bibliotheken und
Funktionsmodule – etwa für die Ansteuerung von Antriebsachsen.
Diese Bibliotheken und Module müssen nur noch in
das eigene Projekt integriert werden.
Der Austausch von Daten zwischen den einzelnen Applikationsmodulen
erfolgt dabei mithilfe des Mappings von Prozessvariablen,
ein bereits heute bewährter Mechanismus – die Variablen
müssen nicht global von außen definiert werden. Der
Grund: Innerhalb des Applikationsmoduls wird definiert, welches
andere Modul zu welchen Bereichen des eigenen Adressraums
Zugriff erhält. Auf diese Weise muss nicht im ersten Projektierungsschritt
alles angedacht sein. Auch im Laufe der Entwicklung
kann die Definition von Schnittstellen zum Datenaustausch
erfolgen.
Das Kompilieren der Applikationsmodule erfolgt einzeln. Sie
können daher für Tests und zur sukzessiven Inbetriebnahme
nach und nach in die Zielhardware geladen werden, was die
Fehlersuche und -behebung stark erleichtert und beschleu-
nigt. Als Gemeinsamkeit ist für die weitgehend voneinander
getrennten Komponenten lediglich eine Software-Konfiguration
und eine Hardware-Konfiguration als Information über
die Laufzeitumgebung erforderlich, in der sie im Endeffekt arbeiten
müssen. Änderungen erfolgen sowohl in der Prototypenphase
als auch im Fall späterer Weiterentwicklungen in
klar umrissenen Teilen der Gesamtanlage, was das Risiko von
Qualitätsverlust durch schnelle Änderungen minimiert. Auch
kann der Zertifizierungsaufwand nach einer Änderung gering
gehalten werden, da nur die von der Änderung direkt betroffenen
Module einer erneuten Prüfung unterzogen werden
müssen.
Einzelne Funktionsteile sukzessive weiterentwickeln
Für Maschinenbau-Unternehmen ergibt sich daraus eine weitere
Möglichkeit zur wirtschaftlicheren Gestaltung der Softwareentwicklung:
Die bisher meist übliche Entwicklung ganzer
Maschinengenerationen kann durch eine sukzessive Weiterentwicklung
der einzelnen funktionalen Teile der Gesamtanlage
ersetzt werden. Das sorgt für eine kontinuierliche Auslastung
der Entwicklungsteams und für eine Verminderung
des Drucks, der durch notorisch knappe Fertigstellungstermine
entsteht.
„Tendenziell steigt dadurch die Softwarequalität“, ist Portugaller
überzeugt. „Die durch die einfache Wiederverwendung bereits
fertig entwickelter Applikationsmodule in unterschiedlichen
Maschinenprojekten eingesparte Zeit kann in umfangreichere
Tests investiert werden und rechnet sich rasch durch
stark verkürzte Inbetriebnahmezeiten.“ Das sei nicht nur im
Sinne von optimaler Nachhaltigkeit und maximaler Entwicklungseffizienz,
das sei vor allem im Interesse des Kunden. co
www.br-automation.com
DIE LÖSUNG
Mit Automation Studio 4 stellt B&R Maschinenbauern
ein zentrales Werkzeug zur
Verfügung, eine einheitliche und durchgängige
Entwicklungsumgebung, die gekennzeichnet
ist durch:
· hohe Qualität trotz zunehmender Produktkomplexität,
niedrige Engineering-Kosten und eine
·
kurze Time-to-Market.
Mit der Möglichkeit, Entwicklungsaufgaben
aufzuteilen und auf diese Weise zu
parallelisieren sowie bewährte Funktionen
durch Modularisierung der Software wiederzuverwenden,
lassen sich die Entwicklungsziele
schnell und sicher erfüllen. Automation
Studio baut zudem die trennenden
Mauern zwischen den einzelnen Disziplinen
der Softwareentwicklung ab – unabhängig
davon, ob es sich um Ablaufsteuerung,
Bedienung und Visualisierung, Antriebe
oder Sicherheitstechnik handelt.
54 develop 3 systems engineering 01–2014

Engineering Praxis
Was mit konsequenter Datenintegration –
über sämtliche Produktionsentstehungsprozesse
hinweg – in der Digital Enterprise
Platform gerade entsteht, soll in zwei Jahrzehnten
bis zur fertigungssynchronen Optimierung
von Cyber-physischen Systemen
reichen
Bilder: Siemens
Digital Enterprise Platform schafft die Grundlagen für Industrie 4.0
Digital durchgängig – von der
ersten Idee bis zum Service
Die Wettbewerbsfähigkeit durch höhere Effizienz, Flexibilität und kürzere Markteinführungszeit
zu steigern, ist das Ziel des Zukunftsprojekts Industrie 4.0. Entscheidend
für den Erfolg sind eine gesicherte Datenkonsistenz sowie die durchgehende
und konsequente Datennutzung. Erste vollkommen vernetzte Produk -
tionsabläufe sind inzwischen realisierbar.
Der Ursprung von Industrie 4.0 basiert – im Gegensatz zu vorangegangenen
Stufen der industriellen Revolution – nicht
auf einer Erfindung beziehungsweise der breiten Nutzung
einer neuen technischen Errungenschaft, sondern vielmehr
auf dem konsequenten Einsatz vorhandener und bereits vielfach
eingesetzter Technologien. Experten sprechen deswegen
eher von einer Evolution hin zu einer intensiven und flexiblen
Vernetzung von Produkt- und Produktionssystemen
auf Basis modularer Produktionseinheiten und sogenannter
Cyber-physischer Systeme (CPS).
Entscheidend für den Erfolg von Industrie 4.0 wird die Fähigkeit
sein, alle verfügbaren Informationen aus den Produktionsprozessen
digital abzubilden, zu vernetzen und für die
Optimierung kompletter Produktionseinheiten einzusetzen.
Siemens beispielsweise unterstützt diese Entwicklung über
den gesamten Produktentwicklungs- und Produktionsprozess
mit Hilfe einer ganzheitlichen Digital Enterprise Platform
– gestützt auf umfangreiche Soft- und Hardwarelösungen,
die teils selbst entwickelt wurden und teils aus gezielten
Akquisitionen stammen.
develop 3 systems engineering 01–2014 55

Praxis Engineering
Drei Kernaspekte charakterisieren die Industrie
4.0: das Produktionsnetz (links),
die Produkt- und Produktionsgestaltung
sowie Cyber-physische Systeme (rechts).
Das digitale Modell (unten) wird dabei
über den gesamten Lebenszyklus und die
Wertschöpfungskette erweitert.
Josef Schindler arbeitet
in der Business Unit
Industrial Automation
Systems der Siemens
AG in Nürnberg
Das auf diese Weise entstandene Portfolio erstreckt sich über
fünf Phasen, beginnend beim
Produktdesign über
Produktplanung und
Produktions-Engineering bis hin zur
· Produktions-Ausführung sowie
damit in Zusammenhang stehenden Services.
·
Medienbrüche verschwinden
Mit den Produkten der Digital Enterprise Platform wird es
zwischen den verschiedenen Phasen einer Produktion keine
Medienbrüche mehr geben. Alle Datenströme zwischen den
einzelnen Wertschöpfungsstufen werden dann in alle Richtungen
durchgängig sein. Die Vorteile, die sich für Unternehmen
daraus ergeben, heißen Effizienzsteigerung, höhere Flexibilität
sowie kürzere Time-to-Market – und dadurch ergibt
sich insgesamt eine höhere Wettbewerbsfähigkeit.
Die integrative Vernetzung produktionstechnischer Abläufe
im Zuge von Industrie 4.0 umfasst drei wesentliche Aspekte:
· Die Flexibilisierung der Lieferkette und des Produktions -
netzes erlaubt optimierte unternehmensweite Entscheidungen.
· Die Einbindung der Produkt- und Produktionsgestaltung
führt zur Parallelisierung der Prozesse und damit zu einer
verkürzten Time-to-Market.
· Cyber-physische Systeme ermöglichen eine deutlich flexiblere
Produktion auf Basis von modularen Produktionseinheiten.
Flexible Produktionsnetze führen zu Verbesserungen: Ausgehend
von den Möglichkeiten der Digital Enterprise Platform
und einem variablen Produktionsnetz lassen sich flexible
Lieferketten aufbauen, die letztendlich dynamische, unternehmensweite
und fertigungssynchrone Entscheidungen
ermöglichen und erheblich die Flexibilität erhöhen.
Konsequente Datenintegration für Optimierungskreisläufe:
Was in der jüngeren Vergangenheit lediglich als Vision dargestellt
wurde, folgt mittlerweile einem klaren Realisierungsschema.
Zum einen erfolgt eine Datenintegration
schon über die konsequente Verzahnung innerhalb der Automatisierungspyramide
(vom ERP über MES und Scada bis
hin zur Steuerungs- und Feldebene). Zum anderen wird die
nahtlose Einbindung von Prozessen des Product Lifecycle
Managements (PLM) forciert, so dass ein homogener Datenkreislauf
entsteht, der für eine Optimierung sämtlicher Produktionsprozesse
notwendig ist. Wichtig ist, die entsprechenden
Aufgabenstellungen softwaretechnisch nahtlos
abzubilden und dadurch eine Closed-Loop-Datenintegration
überhaupt erst möglich zu machen. Siemens arbeitet derzeit
mit Hochdruck an der Vernetzung aller Systeme von der Feldebene
bis zu den PLM-Systemen. Softwarelösungen nach
dem Vorbild des Manufacturing Operations Managements
(MOM), die als Bindeglied zwischen ERP, PLM und Automatisierungsebene
eingesetzt werden, liefern hierfür die Grundlage
und greifen in ihrem Leistungsvermögen deutlich weiter
als die bisherigen Manufacturing Execution Systems
(MES). Im Ergebnis führt das zu einer verkürzten Time-to-
Market, denn die Produkt- und Produktionsgestaltung wird
in dem Maße optimiert, wie die Informationen aus der Produktion
in die vorgelagerten Bereiche zurückfließen (Closed
Loop). So lassen sich aus den bisherigen seriellen Entwicklungsschritten
parallele Prozesse bilden, was zu einer spürbaren
Zeitersparnis im Produktionsablauf führt und Optimierungen
über den gesamten Wertschöpfungsprozess ermöglicht.
Plug & Produce mit Cyber-physischen Systemen: Der dritte
Kernaspekt von Industrie 4.0 ist die Etablierung der Cyberphysischen
Systeme (CPS) auf Basis von modularen Produktionseinheiten.
Diese sollen modular und flexibel konfigu-
56 develop 3 systems engineering 01–2014

Engineering Praxis
rierbar, kommunikativ und kooperativ miteinander vernetzt
sowie kontextsensitiv sein. Sind viele solcher modularen Produktionseinheiten
realisiert, ist eine enorme Flexibilität der
gesamten Produktion per Plug & Produce ganzer Gewerke
erreichbar. Konkret beinhalten solche CPS immer ein reales
Gewerk sowie das zugehörige vollständige virtuelle Modell
mit allen relevanten dedizierten Funktionen wie Zustandsüberwachung
oder Management von Zeiten, Tracking & Tracing,
Alarmfilterung oder auch Key Performance Indicatorn
(KPI). So können die Produktionsprozesse virtuell dynamisch
optimiert werden, bevor der Ablauf in der Realität nachvollzogen
wird.
Von der Vision zur Realität
Über den gesamten industriellen Wertschöpfungsprozess
bietet Siemens bereits entsprechende Softwarelösungen an,
die zueinander kompatibel sind und damit die Nutzung aller
vorhandenen Informationen aus der Automatisierung, der
Produktion, der Entwicklung oder der Planung ermöglichen.
Anwendern erleichtert das die Entscheidung, möglichst
frühzeitig aus der Vision von durchgängig vernetzten Produktionsprozessen
eine Realität zu schaffen, die leistungsfähig,
nachhaltig und effizient ist, um die eigene Wettbewerbsfähigkeit
zu stärken.
Viele technische Voraussetzungen dafür sind bereits geschaffen.
Entscheidend sind letztendlich jedoch eine gesicherte
Datenkonsistenz sowie die durchgehende und konsequente
Datennutzung. Hierzu bietet Siemens mit seinem
umfassenden, aufeinander abgestimmten Industrie-Softwareportfolio
die notwendigen Lösungen: Mit der durchgängigen
CAD/CAM/CAE-Software NX lässt sich beispielsweise
die Produktgestaltung verbessern, die Produktionsplanung
wird mit Tecnomatix spürbar vereinfacht. Beim Produktions-Engineering
kommen aus dem Siemens-Portfolio je
nach Branche die Softwarelösung Comos für Anlagen-Engineering
und -management, das Prozessleitsystem PCS 7 oder
die durchgehende Engineering-Umgebung des TIA Portals
zum Einsatz.
Die beiden letzten Segmente innerhalb der eingangs erwähnten
fünfstufigen Wertschöpfungskette sind Produktionsausführung
sowie Services. Während der Produktionsausführung,
bei der die MOM-Software Simatic IT unterstützt,
profitieren Anwender von Services auf Basis von
Cloud-basierten Datenanalysen. Den Daten-Backbone, der
alle Bereiche – und damit auch die Softwarelösungen – datentechnisch
miteinander verbindet, bildet dabei Teamcenter.
Damit lassen sich Feedback-Schleifen durchlaufen, sprich
Prozesse wie Bill of Material, Bill of Process und Bill of People definieren,
mit denen am Ende einer Produktentwicklung Optimierungsläufe
initiiert werden können. Möglich ist das zum Beispiel
für Warenströme, Transportlogistik, Taktgestaltung, Qualitätsverbesserung
oder Reduktion des Energieverbrauchs.
Ein hoch integrierter Workflow entlang der gesamten Wertschöpfungskette
zahlt sich jedoch am stärksten während der
Produktionsausführung aus: Wenn die digitalen Abbilder von
Produkt und Produktion fertigungssynchron vorliegen, kann der
gesamte Wertschöpfungsprozess digital analysiert und ganzheitlich
optimiert werden. Dadurch entstehen auch neue Service-Geschäftsmodelle,
welche durch Analyse dieser Daten das
Optimierungspotenzial ermitteln – beispielsweise hinsichtlich
des Energieverbrauchs oder der Reduktion von Stillstandszeiten
– und dadurch sehr schnellen Erfolg versprechen. Aus der bisherigen
Vision einer intensiv und homogen vernetzten Industrie
4.0 wird damit inkrementell eine greifbare, praktikable und
pragmatische Industrieproduktion des 21. Jahrhunderts. co
www.siemens.com/automation
MESSE-TIPP
Zur SPS IPC Drives in Nürnberg in Halle 11
ist das hier beschriebene Zusammenspiel
von Automatisierung und Digitalisierung
entlang der gesamten industriellen Wertschöpfungskette
Schwerpunkt des Messeauftritts
von Siemens. Die ausgestellten Lösungen
und Produkte decken alle Schritte
des Produktentwicklungs- und Produktionsprozesses
ab – angefangen bei Design und
Planning über Engineering und Execution
bis hin zum Service. Toolseitig spielen dabei
vor allem die Technologieplattformen Totally
Integrated Automation (TIA), Integrated
Drive Systems (IDS) und Totally Integrated
Power (TIP) eine wesentliche Rolle. Gezeigt
werden parallel natürlich auch die
Angebote aus den Bereichen CAD/CAE/
CAM sowie Product Lifecycle Management
(PLM), mit denen die digitale Definition von
Produkt und Produktion beginnt.
SPS IPC Drives: 11.0-100
develop 3 systems engineering 01–2014 57

Praxis Systeme
Ahmed Mahmoud von NI zum Engineering von Cyber-Physical Systems (CPS)
„Let us empower the Engineers!“
Das Motto der Hannover Messe 2014 – Integrated Industry – Next Steps – sei gut gewählt
worden, sagt Ahmed Mahmoud, Senior Group Manager Embedded Control & Monitoring
Marketing Program bei National Instruments (NI) im texanischen Austin im Interview mit
der develop 3 . Es gehe nun darum, die nächsten Schritte zu tun: Ingenieure und Wissenschaftler
müssten dazu befähigt werden, selbst sehr komplexe Systeme schnell in den Griff zu
bekommen.
„Ingenieure und Wissenschaftler
müssen sich
effizient ihrer eigentlichen
Aufgabe widmen können – wir bieten
dazu die richtige Plattform an.“
Ahmed Mahmoud,
Senior Group Manager Embedded Control & Monitoring
Marketing Program, National Instruments
develop 3 : Herr Mahmoud, warum gefällt Ihnen das Motto der
Hannover Messe 2014 so gut?
Mahmoud: Es vermittelt ein Gefühl von Dringlichkeit und
treibt uns an, nun endlich zur Tat zu schreiten und die nächsten
Schritte zu tun – so wie es unser CEO Dr. James Truchard
mit Blick auf die sogenannten Cyber-physical Systems vorschlägt,
die letztlich auch in der Diskussion um die Industrie 4.0
thematisiert werden. Die Herausforderung ist, dass insbesondere
die Komplexität solcher Systeme schon jetzt hoch ist und
weiter zunimmt. Je nach Aufgabenstellung müssen neben
verschiedenen Ausprägungen der Halbleitertechnologie auch
mehrere Rechenmodelle und unterschiedliche Softwarelösungen
zusammengebracht werden; das Ganze darüber hinaus
in dezentral aufgebauten beziehungsweise verteilten
Umgebungen – auch über verschiedene Standorte eines Unternehmens
hinweg – gemanagt werden. Um die sich daraus
ergebende Komplexität in den Griff zu bekommen, können wir
nun aber nicht einfach die Zahl der Ingenieure verdoppeln –
wir müssen ihnen vielmehr leistungsfähige Tools an die Hand
geben, um produktiver zu arbeiten.
develop 3 : Wie gehen Sie seitens National Instruments an die Lösung
dieser Aufgabe heran?
Mahmoud: Computation, Communication and Control – so
lässt sich unser Ansatz im Englischen gut beschreiben. In
dem wir verschiedene Arten der
Berechnung unterstützen, die
Kommu nikation zwischen allen
beteiligten Komponenten auf eine
verlässliche Basis stellen und dafür
Sorge tragen, dass sich das so entstehende
System über die entsprechenden
Algorithmen gut steuern
lässt, befähigen wir Ingenieure und
Wissenschaftler dazu, die damit
verbundene Komplexität zu handhaben.
Entscheidend ist: In dem
wir ihnen über die NI-Plattform genau
diese Möglichkeiten geben,
können sie sich auf ihre eigentliche
Aufgabe konzentrieren und damit produktiv Lösungen erarbeiten.
Sie müssen sich dann eben nicht mehr überlegen, wie
sich ein spezieller Chip ansprechen lässt – sie können einfach
seine Vorteile nutzen. Gleiches gilt für verschiedene Software-Lösungen:
Ob nun C oder LabView zum Einsatz kommt,
hängt einzig und allein von der jeweiligen Aufgabenstellung
ab – wir unterstützen diese beiden und weitere Möglichkeiten
(Bemerkung der Redaktion: siehe dazu auch „LabView oder
C?“, elektro AUTOMATION 4/2014, S. 38).
develop 3 : Sie sprachen auch die Unterstützung verschiedener
Rechenmodelle an...
58 develop 3 systems engineering 01–2014

Systeme Praxis
Bilder: NI
Mahmoud: ...weil wir eindeutig einen Trend in diese Richtung
erkennen. Was wir gelernt haben ist, dass sich beispielsweise
verschiedene Programmier-Sprachen jeweils für bestimmte
Aufgaben besonders gut eignen. Bei der Arbeit an einem Cyber-physical
System ist es also wichtig, dass ich stets die beste
Variante wählen und verschiedene Modelle parallel nutzen
kann. Lässt sich beispielsweise ein mathematisches Problem
am besten mit Matlab in den Griff bekommen, lässt sich die
Software und damit das Rechenmodell in LabView einbinden
und nutzen. All das zusammen zu bringen, ist unser Ziel – Technologiewandel
muss evolutionär verlaufen können.
develop 3 : Welche Möglichkeiten bieten Sie hardwareseitig an,
um diesen Ansatz zu unterstützen?
Mahmoud: Wir investieren stetig, um die jeweils modernsten
Halbleitertechnologien nutzbar zu machen. Zur NIWeek im
August 2013 haben wir beispielsweise den CompactRIO-Controller
NI cRIO-9068 als Teil unserer Systemdesignplattform für
Embedded-Systeme vorgestellt. Integriert ist die Zynq-
7020-All-Programmable-SoC-Technologie von Xilinx, die einen
Dual-Core-Prozessor Cortex-A9 von ARM und einen Xilinx-
7-FPGA kombiniert. Der Vorteil: Als Ingenieur, der an der Fabrik
der Zukunft arbeitet, will ich meine Zeit ja nicht damit verbringen,
herauszufinden, wie sich solch ein System nutzen lässt –
ich will es einfach einsetzen! Mit anderen Worten: In dem wir
uns um die Low-Level-Details kümmern, können wir unseren
Anwendern stets aktuelle Halbleitertechnologie einsatzbereit
zur Verfügung stellen. Konkret heißt das übrigens auch, dass
die Kompatibilität mit NI LabView und den I/Os der Plattform
uneingeschränkt erhalten bleibt.
develop 3 : Lässt sich die Technologie des cRIO-9068-Controllers,
also der Zynq-Chip, auch separat in Embedded Systemen nutzen?
Mahmoud: Ja, wir bieten diese Technologie auch auf separat
einsetzbaren Boards an – mit dem Ziel, sie auch in einer dezentral
aufgebauten Steuerungs-Architektur nutzen zu können.
Wir arbeiten zudem daran, möglichst kompakte Lösungen anzubieten.
Das Ganze soll einmal auf ein kreditkartengroßes
Board passen – weil CPS nicht nur immer smarter, sondern
auch kleiner werden. Auch hier gilt aber wieder: Wichtig ist,
dass sich die Technologie effizient und schnell nutzen lässt!
(Bem. der Redaktion: Ein solches System on Module wurde auf
der VIP 2014 gezeigt, s. elektro AUTOMATION 11/2014, S. 46)
develop 3 : Erfordert die Auslegung von CPS oder das Arbeiten mit
verteilten Umgebungen nicht auch eine neue Denkweise der Ingenieure
und Programmierer?
Mahmoud: Das ist einer der Gründe für uns, zusammen mit
unseren Partnern an Universitäten in die Fortbildung zu investieren.
Nur so wird es uns gelingen, das System Design voranzubringen
– also die Auslegung eines Systems, das mehrere
verschiedene Komponenten beinhaltet. Schließlich müssen ja
auch verschiedene Aufgaben gelöst werden. Nur so lassen sich
auch Systeme in den Griff bekommen, die zusätzlich etwa
zahlreiche mobile Geräte mit integrieren.
develop 3 : Herr Mahmoud, vielen Dank für das Gespräch.
germany.ni.com
In den CompactRIO-Controller NI cRIO-9068 ist
die Zynq-7020-All-Programmable-SoC-Technologie
von Xilinx integriert, die einen Dual-Core-
Prozessor Cortex-A9 von ARM und einen Xilinx-7-FPGA
kombiniert. Erhalten bleibt dabei
die Kompatibilität mit NI LabView und den I/Os
der Plattform NI CompactRIO
Das Interview führte
Michael Corban,
Chefredakteur
develop 3
develop 3 systems engineering 01–2014 59

Eplan Engineering Center: Vom mechanischen zum mechatronischen Baukasten
Konstruktionszeit
um mehr als 50 % gesenkt
Mit dem Umstieg von der rein mechanischen auf die mechatronische Konfiguration
mit einem gewerkeübergreifenden, funktionalen Baukasten, konnte MAG IAS die
Konstruktionszeit für komplette Bearbeitungslinien von Kfz-Motoren um mehr als
die Hälfte verkürzen. Softwareseitig wird dieser disziplinübergreifende Baukasten
im Eplan Engineering Center (EEC) abgebildet, bei dem in Funktionen gedacht wird.
60 develop 3 systems engineering 01–2014

Baukastensysteme Praxis
MAG IAS liefert der Automobilindustrie
voll automatisierte Fertigungslinien, die
beispielsweise Zylinderblöcke oder -köpfe
bearbeiten und teilweise über 100 Einzelmaschinen
umfassen
Rückendeckung des Vorstandes entschieden sich die Fertigungsspezialisten
deshalb dafür, in einem weiteren Schritt
die Potenziale der automatisierten Konstruktion komplett
ausschöpfen zu wollen.
Das Anforderungsprofil war somit klar definiert: Gewünscht
war ein disziplinübergreifender mechatronischer Konstruktionsbaukasten,
der sich klar und eindeutig nach Funktionen
strukturieren lässt. Die entsprechende Software sollte sich an
die Arbeitsabläufe von MAG IAS anpassen lassen und auch mit
der vorhandenen Vertriebssoftware harmonieren, die das Unternehmen
für die Projektierung und Kalkulation nutzt.
Bilder: MAG IAS
Bei den zugrundeliegenden Maschinen
der Fertigungslinien handelt es
sich meist um Bearbeitungszentren
der Serie Specht, die Aufgaben wie
Drehen, Fräsen oder Honen übernehmen
und dabei mit bis zu 16 Achsen
sehr flexibel sind
Fertigungsanlagen der MAG IAS GmbH umfassen teilweise
bis zu 100 Einzelmaschinen, um vollautomatisiert Motorblöcke,
Zylinderköpfe und Kurbelwellen zu fertigen. Konsequenterweise
sind die Maschinen – meist Bearbeitungszentren aus
der ‚Specht‘-Serie, die jeweils einzelne Bearbeitungsschritte
wie etwa Drehen, Fräsen oder Honen übernehmen und dabei
mit bis zu 16 Achsen sehr flexibel sind – in einem Baukastensystem
abgelegt; allerdings ursprünglich nur auf der mechanischen
Ebene. Die Grundlage des Baukastens bildeten physische
Baugruppen und Bauteile wie Ständer, Spindeln und
Werkzeugwechsler.
Die Erfahrungen mit dem mechanischen Baukasten zeigten
allerdings, dass sich damit zwar in der mechanischen Konstruktion
Einsparungen erzielen ließen, die Engineering-Zeiten
in den Disziplinen Elektrik, Fluidik und Software aber eher
anstiegen, weil der mechanische Baukasten einen größeren
Konfigurationsraum ermöglichte und so die Anforderungen
und Bedürfnisse der Steuerungstechnik größer wurden. Mit
Disziplinübergreifendes Team
definiert Inhalte und Schnittstellen
Ein passendes System hatten einige Mitarbeiter bereits mit
dem Eplan Engineering Center (EEC) von Eplan kennengelernt
und weitere Marktrecherchen sowie Gespräche mit Experten
aus der Wissenschaft und Praxis bestärkten die Verantwortlichen
bei MAG IAS darin, dass die Entscheidung für das EEC
richtig war. Die Implementierung wurde anschließend sehr
systematisch und strukturiert vorangetrieben. Dazu wurde
ein Team mit je einem Konstrukteur aus den beteiligten Disziplinen
Mechanik, Elektrotechnik, Fluidik und Software-Entdevelop
3 systems engineering 01–2014 61

Praxis Baukastensysteme
„Wunschvorstellung ist ein disziplinübergreifender
Baukasten, der aus reinen Funktionen
besteht und jeder Funktion die dazugehörigen
Bauteile mit ihren Leistungsdaten und Abmessungen
zuordnet.“
wicklung gebildet, dessen Hauptaufgabe die Strukturierung
des mechatronischen Baukastens und die Definition der erforderlichen
Schnittstellen war.
Mit dieser Aufgabe ist man inzwischen gut vorangekommen.
Die Elektrotechnik-Entwicklung nutzt den Baukasten bereits
mit Eplan Electric P8 als Zielsystem. Zurzeit werden Fluidtechnik
und Software-Entwicklung an das EEC angedockt, die Mechanik
und die Dokumentation folgen später. Das Ziel, das
MAG IAS dabei verfolgt, ist klar definiert: Wunschvorstellung
ist ein disziplinübergreifender Baukasten, der aus reinen Funktionen
besteht und jeder Funktion die dazugehörigen Bauteile
mit ihren Leistungsdaten und Abmessungen zuordnet.
Andere Sichtweise
auf Engineering-Projekte ist gewünscht
Den Verantwortlichen ist klar, dass das EEC die Sichtweise auf
den Konstruktionsprozess verändert – aber eben das ist gewünscht.
Man will bewusst in Funktionalitäten denken statt
in Bauteilen, Stücklisten und Gewerken. Für eine solche mechatronische
Sichtweise ist allerdings Voraussetzung, dass ein
starkes Tool sozusagen als ‚Leitplanke‘ dient – und das hat
MAG IAS mit dem EEC gefunden. Dabei ist man sich der Grenzen
des Tools ebenfalls bewusst. Es geht dabei immer um das
operative Projektgeschäft, das heißt um die Auswahl und Konfiguration
von Maschinenvarianten und nicht um die Entwick-
Das Eplan Engineering Center bietet die
Möglichkeit der einfachen Konfiguration
von Maschinen und Komponenten
LESE-TIPP
Speziell für die Branche Metal & Steel entwickelt
Eplan derzeit ein Whitepaper mit
dem Titel „Wiederverwendung und Automatisierung
von Engineeringworkflows in
der Hütten- und Walzwerktechnik – Potenzial
für Medien, Elektrik und Automation“.
Die Untersuchung zeigt ebenfalls auf, wie
Wiederverwendungskonzepte zusammen
mit einem flexiblen und leistungsfähigen
Engineeringwerkzeug zu einem individuellen
Engineeringworkflow führen. Das
Whitepaper ist in Kürze verfügbar unter:
www.eplan.de
62 develop 3 systems engineering 01–2014

Baukastensysteme Praxis
MAG IAS hat erkannt, dass man mit
einem rein mechanischen Baukasten
in der mechanischen Konstruktion
Einsparungen erzielt, die Engineering-
Zeiten in den Disziplinen Elektrik,
Fluidik und Software aber eher an -
steigen, weil der mechanische
Baukasten einen größeren Konfigu -
rationsraum ermöglicht
lung gänzlich neuer Maschinentypen. Das entscheidende Plus
ist aber: Genau dafür haben die Ingenieure zukünftig wieder
mehr Zeit zur Verfügung.
Konkrete Ergebnisse der EEC-Einführung sind bereits greifbar.
Die Elektroingenieure konnten die Konstruktionszeit anfänglich
um rund 40 % verkürzen – und mit Einführung des EEC in
den weiteren Konstruktionsdisziplinen um bis zu 60 % beschleunigen.
Das entspricht recht genau den zuvor errechneten
Einsparungen, auch wenn es etwas länger gedauert hat,
dieses Ziel zu erreichen. Für die Fluidik, die mit Hydraulik, Pneu-
„MAG IAS arbeitet jetzt mit einer deutlich
besseren Methodik, ist agiler im Prozess
und wird das mechatronische Konfigurieren
mit dem EEC desto besser
nutzen können, je mehr Disziplinen in
den Prozess integriert werden.“
matik, Kühlung und Schmierung gleich vier Mediensysteme
entwickelt und mit Eplan Fluid arbeitet, wird mit Einsparungen
in gleicher Größenordnung gerechnet. Auch bei der Software
rechnen die Verantwortlichen mit mehr als 50 % kürzeren
Entwicklungszeiten, weil die Module nach Elektrik und
Fluidik noch stärker standardisierbar sind und man so einen
wesentlich robusteren Softwarebaukasten im EEC abbilden
kann. Gegenrechnen muss man natürlich den Aufwand für
die Pflege des Baukastens, den man pro Gewerk auf 20 %
schätzt – wohlwissend, dass dieser anfangs mehr, später aber
deutlich weniger zu Buche schlägt.
Vorteile bei Projektlaufzeiten
und Planungssicherheit
Die Verkürzung der Entwicklungszeit ist für MAG IAS ein kaum
zu unterschätzender Vorteil, weil die Projektlaufzeiten immer
kürzer werden. Kann der festgesetzte Abnahmetermin nicht
eingehalten werden, sind die Strafen empfindlich. Der Zeitvorteil
hat aber auch noch einen anderen positiven Effekt: Die Anlagen
lassen sich im Auftragsstadium besser kalkulieren und
die Planungssicherheit wird deutlich gesteigert. Außerdem
können die Entwickler ihre Arbeit später im Projektverlauf starten,
wenn schon größere Planungsumfänge festgezurrt sind.
Umso geringer ist dann die Wahrscheinlichkeit, dass es später
zu Änderungen kommt.
Die Chance, die sich durch die Einführung eines mechatronischen
Baukastens mit dem Eplan Engineering Center ergab,
hat MAG IAS gemäß dem Motto ‚Ganz oder gar nicht‘ so umfassend
wie möglich genutzt. Man hat dazu für mehrere Monate
auch einen Eplan-Consultant im Haus gehabt und sich
viele Gedanken über die Optimierung und Strukturierung der
Prozesse gemacht. Der Aufwand hat sich gelohnt: MAG IAS arbeitet
jetzt mit einer deutlich besseren Methodik, konnte die
Konstruktionszeit um mehr als die Hälfte reduzieren, ist agiler
im Prozess, kann schneller auf Änderungen von Seiten des
Kunden reagieren und wird das mechatronische Konfigurieren
mit dem EEC desto besser nutzen können, je mehr Disziplinen
in den Prozess integriert werden.
co
www.eplan.de
Andreas Hartmann ist Branchenmanager
Maschinenbau bei der
Eplan Software & Service GmbH &
Co. KG in Stuttgart.
develop 3 systems engineering 01–2014 63

Praxis CAD
Kollaboratives Engineering – Wandel in der Elektro- und Mechanikkonstruktion
Erfolgskritischer
Entwicklungsprozess
Die Entwicklung technisch komplexer intelligenter Produkte erfordert einen einheitlichen,
integrierten Ansatz bei der Systementwicklung. Unabdingbar sind dabei
Softwarelösungen, die es den Herstellern ermöglichen, den gesamten Produkt- und
Systementwicklungsprozess zu verwalten und gleichzeitig die existierenden Beziehungen
zwischen den verschiedenen Systemartefakten, die diese komplexen Produkte
prägen, zu definieren und zu steuern. Mit SolidWorks Electrical von Dassault
Systèmes können Produktentwickler und Ingenieure simultanes Engineering über
die Disziplinen Elektrotechnik und Mechanik verwirklichen.
Klaus-Peter Linau ist
Territory Technical
Manager Electrical
Products, EMEA, Solid-
Works bei Dassault
Systèmes
Funktionen, die früher über mechanische Lösungen ausgeführt
wurden, werden heute als mechatronische Systeme
entworfen. Gerade im Automobilbau ist die Funktionsabbildung
über Elektrotechnik und Software allgegenwärtig. Ohne
elektronische Steuerung und Millionen Zeilen Softwarecode
funktioniert fast nichts mehr – weder die Motorsteuerung
noch die vielen Sicherheitssysteme, weder die Klimatisierung
noch die Fahrerassistenz- und Unterhaltungssysteme.
Im Gegensatz zum Automobilbau wird der mechatronische
Ansatz im Maschinen- und Anlagenbau langsamer umgesetzt.
In den meisten Fällen startet der Konstruktionsprozess
in dieser Branche nach wie vor in der Mechanik. Laut einer vom
VDMA im Jahr 2012 durchgeführten Studie gaben 81,8 % der
befragten Firmen an, keine Schnittstellen zwischen MCADund
ECAD-Software zu nutzen. 54,5 % davon bestätigten, dass
sie mit dieser Situation unzufrieden sind und immerhin 42 %
der befragten Unternehmen erwarteten durch den Einsatz einer
MCAD/ECAD-Integration eine Kosteneinsparung von über
10 %.
Integrierter Entwicklungsprozess
ist erfolgskritisch
Immer weniger wird es deshalb in Zukunft zielführend sein, an
einem konventionellen Produktentwicklungsprozess festzuhalten.
Stattdessen muss die neue Produktarchitektur – bestehend
aus Mechanik, Elektrotechnik und Software – adäquat
in den Entwicklungsprozess integriert werden. Einen Einbauraum
oder eine Blackbox für abteilungsfremde Entwicklungsanteile
einzelner Produktfunktionen zu definieren und
später zusammenzuführen – womöglich erst im ersten phy-
Simultanes Engineering über alle Disziplinen
Bilder: Dassault Systèmes
64 develop 3 systems engineering 01–2014

CAD Praxis
Anwender können genau
steuern, welche Komponenten
neu gekennzeichnet werden
sollen und welche die bestehenden
Kennzeichnungen
wiederverwenden
Die Leitungen können auf zwei
Arten erstellt werden: 3D-Skizzen
für schnelle Ergebnisse oder richtige
3D-Kabel für eine präzisere
Darstellung
In 2D-Schaltplanzeichnungen können Verbindungen
zwischen elektrischen Komponenten
direkt definiert werden
sischen Prototyp – kann nicht funktionieren, wenn in engen
Zeitfenstern kostengünstig komplexe, multifunktionale technische
Produkte entstehen sollen. Die früher organisatorisch,
prozesstechnisch und bezüglich der verwendeten Softwaretools
abteilungsfixierte Produktentwicklung wird sich öffnen
und zuvor getrennte Domänen integrieren. Dies erfordert eine
intensive Zusammenarbeit zwischen den Disziplinen.
An diesem Punkt setzt SolidWorks Electrical an, um die Kommunikationshürden
zwischen der mechanischen und elektronischen
Konstruktion zu beseitigen. Die Konstruktion elektrischer
Systeme und die Einbindung elektrischer Bauteile in
3D-Modelle und Baugruppen lassen sich so wesentlich vereinfachen
und beschleunigen. Die SolidWorks-Electrical-Pakete
bieten eine Reihe von Funktionen für die Erstellung von Stromlaufplänen
sowie ein leistungsstarkes Add-In für die 3D-CAD-
Software, mit dem sich die projektierten elektrotechnischen
Komponenten direkt im 3D-Modell verwenden lassen. Dank
der Integration beider Technologien können Änderungen in
sämtlichen Konstruktionsbereichen in Echtzeit übertragen
und dementsprechend auch in der technischen Dokumentation
angepasst werden.
Zudem bietet die Echtzeitverknüpfung der Daten von Stromlaufplänen
und 3D-Modellen bessere Möglichkeiten zur
Teamarbeit und steigert somit die Produktivität der beteiligten
Fachkräfte. Den Stücklisten kommt hierbei eine zentrale
Rolle zu, da sie maßgeblich am Erfolg eines durchgängigen Engineering-Konzeptes
beteiligt sind. Sind diese uneinheitlich
können sie zu einem betriebswirtschaftlichen Fiasko in Form
von Fehlbestellungen und Lieferverzögerungen bis hin zur verspäteten
Inbetriebnahme der Anlagen einschließlich Regressansprüchen
seitens der Endkunden werden. Kosten und
Imageschäden lassen sich mit SolidWorks Electrical verhindern,
da die verschiedenen Ausprägungen einer Komponente
in einer zentralen Datenbank ablegt und in Echtzeit in der Arbeitsgruppenumgebung
bidirektional zwischen Stromlaufplan
und 3D-Modell synchronisiert werden. Dank dieser Synchronisation
lassen sich Stücklisten abteilungsübergreifend
vereinheitlichen.
Die Vorteile liegen auf der Hand: neben einer durchgängigen
und standardisierten Konstruktion profitieren Unternehmen
von einheitlichen Stücklisten, einer effizienten und fehlerfreien
Produktentwicklung sowie kürzeren Markteinführungszeiten.
Dies sind überzeugende Argumente für alle Unternehmen,
die in ihren Projekten mechanische und elektrische Konstruktionen
kombinieren müssen.
Lösungen für alle Konstruktionsphasen
SolidWorks Electrical Schematic eignet sich zur Erstellung elektrotechnischer
Dokumentationen von elektrischen Systemen
und Anlagen, eingeleitet vom Titelblatt, über die Stromlaufpläne
bis zu den bekannten Reports wie Klemmenplänen, Kabelplänen,
Stücklisten und vielem mehr. Die Erstellung und
Planung der Stromlaufpläne in ein- und mehrpoliger Form
wird durch eine intuitive und kontextbezogene Benutzeroberfläche
erleichtert.
SolidWorks Electrical 3D ist vollständig in die CAD-Software integriert.
Auf Systemebene verknüpft es die in SolidWorks Elec -
trical Schematic erstellten Stromlaufpläne mit 3D-Modellen,
die in SolidWorks konstruiert wurden. Durch die Echtzeitaktualisierung
der einzelnen Disziplinen stehen in der gesamten
Produktentwicklungsphase umfassende Daten zur Verfügung,
insbesondere auch aufgrund der Vereinheitlichung der
Stücklisten.
Durch die Darstellung des elektrischen Systems und einzelner
Leitungen im 3D-Modell kann der Herstellungsprozess
optimiert werden. SolidWorks Electrical Professional kombiniert
die Funktionen zum Entwurf von Stromlaufplänen aus
SolidWorks Electrical Schematic mit den 3D-Modellierfunktionen
aus SolidWorks Electrical 3D. SolidWorks Electrical
Professional eignet sich für Anwender, die elektrische und
mechanische 3D-Modelle in einer interaktiven Umgebung
konstruieren.
ge
www.solidworks.de
/sw/products/electrical-design/packages.htm
develop 3 systems engineering 01–2014 65

25 Jahre SPS IPC Drives:
Round Table mit fünf Experten
zu Trends der Automatisierung
TRENDS Seite 24
Dezentrale Servotechnik er -
möglicht flexible und modulare
Maschinenkonstruktionen
PRAXIS Seite 36
„Die interdisziplinäre
Zusammenarbeit ganzer
Branchen ist ein Muss!“
Friedhelm Loh,
Ehrenpräsident
des ZVEI und
Inhaber der
Friedhelm Loh
Group
MEINUNG Seite 34
Abstimmen und gewinnen:
Geben Sie auf der SPS IPC Drives
Ihre Stimme ab – es lohnt sich!
AUTOMATION AWARD
Seite 112
TITELSTORY Seite 48
Konstruktion
Sonderteil Zylinder und Ventile
Entwicklung
Vom CAD-Modell zum Simulationsbericht
„ Die interdisziplinäre
Zusammenarbeit
Management
ganzer Branchen ist
Fördermittel bringen F&E-Projekte
ein Muss.“
in Schwung
Friedhelm Loh, Ehrenpräsident ZVEI
Meinung Seite 16
Round Table:
Eine Brücke von der
KEM-_011_2014_0001_P38012.indd virtuellen zur realen 1 Welt
29.10.2014 09:39:14
Trends Seite 30
Von der Datensammlung
zur Information
Trends Seite 36
Parallel ein gemeinsames
Ziel verfolgen
Praxis Seite 52
www.develop3.de
Impressum
HOW TO USE...
Liebe Leserin, lieber Leser,
in Ihren Händen halten Sie die erste Ausgabe der develop 3 systems engineering. Im
Mittelpunkt unserer Berichterstattung stehen hier Methoden und Konzepte des
ganzheitlichen Systementwurfs. Dabei ist uns wohl bewusst, dass auch Systeme
klassische Maschinenelemente und Komponenten beinhalten wie etwa Antriebe,
Lager oder Sensorik. Spezifisches Fach-Know-how vermitteln hier die bekannten
Zeitschriften der Konradin Mediengruppe – für Entwicklungsingenieure und Konstrukteure
die KEM – Konstruktion, Entwicklung, Management sowie für die Automatisierer
die elektro AUTOMATION. Zusammen liefern diese drei Titel das Basiswissen
für die Entwicklung innovativer und erfolgreicher Produkte – und ermöglichen
auf diese Weise auch den berühmten ‚Blick über den Tellerrand‘, der das Systems
Engineering kennzeichnet.
Industrielle Bedienlösungen
mit Multitouch-Technologie
11 / 2014
develop 3
systems engineering
Titelstory Seite 10
Im Vordergrund stehen
Methodik und Kommunikation
Schwerpunkt
SPS IPC Drives
01 2014
www.kem.de | 11-2014
Vorschau 01/2015
Falls Sie an einem oder allen drei
Titeln interessiert sind, senden Sie
uns eine Mail mit dem Stichwort
„D3“ und Ihrem/n Wunschtitel/n an:
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www.develop3.de / www.kem.de /
www.wirautomatisierer.de
ISSN 2363-6726
Herausgeberin: Katja Kohlhammer
Verlag: Konradin-Verlag
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Redaktion:
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Phone +49 711 7594-446;
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Phone +49 711 7594-286
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ersten Bezugsjahres gekündigt werden.
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jeweils vier Wochen zum Quartalsende. Bei Nichterscheinen
aus tech nischen Gründen oder höherer Gewalt entsteht
kein Anspruch auf Ersatz.
Hannover Messe
Bild: Siemens
In Hannover treffen sich PLMler
und Automatisierer – ideale Bedingungen,
um über das Systems
Engineering zu diskutieren.
Wir stellen vorab Trends vor,
die dort eine Rolle spielen.
Bild: Beckhoff
Automatisierung
Über 580.000 Küchen fertigt
Nobilia jährlich – auf Basis einer
durchgängigen Transparenz der
Teile- und Produktionsdaten,
ganz im Sinne der Industrie 4.0.
Losgröße 1 ist gängige Praxis.
Bankverbindungen:
Postbank Stuttgart,
Konto 44 689–706,
BLZ 600 100 70;
Baden-Württembergische Bank Stuttgart,
Konto 26 23 887,
BLZ 600 501 01
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Leinfelden-Echterdingen
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© 2014 by Konradin-Verlag
Robert Kohlhammer GmbH,
Leinfelden-Echterdingen
66 develop 3 systems engineering 01–2014

Ihr Guide durch das
develop 3 – Universum...
„Kreative Ideen müssen Sie schon selbst haben –
aber wir liefern Ihnen das Know-how, um daraus
innovative und erfolgreiche Produkte zu machen.“
Tiefgehendes Spezialwissen für
Ingenieure und Konstrukteure in
der Automatisierung (...und damit
Softwareentwicklung)
Hintergrund- und Praxis-
Know-how für das erfolgreiche
Systems Engineering (...und
damit die Steigerung der
Innovationsfähigkeit)
Methoden- und Produkt-Know-how
für Ingenieure und Konstrukteure
aller drei Disziplinen (...ermöglicht
die Verständigung untereinander)
SYSTEMS ENGINEERING IN-DEPTH
Das develop 3 – Universum...
• öffnet Entwicklungsräume...
• macht SYSTEMS ENGINEERING verständlich und liefert Tipps für die Umsetzung im Alltag
• bündelt für Geschäftsführer und Entwicklungsleiter das erforderliche Management-Know-how...
• versorgt Ingenieure und Konstrukteure sowohl mit Hintergrund- als auch spezifischem Produktwissen

Effiziente Antriebslösungen.
Bürstenbehaftete und bürstenlose DC-Motoren mit über 90% Wirkungsgrad,
Getriebe, Steuerungselektronik. Wir finden den Antrieb für Ihre individuellen
Bedürfnisse.
Erprobt auf dem Mars, entwickelt für Ihre spezifischen
Anforderungen. Entdecken Sie maxon motor als starken
Schweizer Hersteller von präzisen Antriebssystemen.
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