Zusammenfassung Grundlagen der Produktionsinformatik

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1 Zusammenfassung Grundlagen der Produktionsinformatik Teil: Professur Virtuelle Fertigungstechnik Hardware- und Softwaretechnologien, Datenbanken, Verteilte Systeme, Webtechnologien Definitionen: Datenbank: - elektronisches Archiv für die strukturierte, speicherplatzsparende Aufbewahrung großer Mengen inhaltlich zusammengehöriger Daten Verwaltung, Speicherung, Sortierung und Aufbewahrung großer Datenbestände Datenbankmanagementsystem (DBMS): - Softwaresystem (z.b. Sammlung von Programmen), das dem Benutzer das Erstellen und die Pflege einer DB ermöglicht - vereinfacht die Prozesse der Definition, Konstruktion und Manipulation von Datenbanken für verschiedene Anwendungen Verteilte Systeme: - Hardware- und Software-Komponenten befinden sich auf vernetzten Computern - Kommunizieren über Austausch von Nachrichten und koordinieren ihre Aktionen i.a. sicherer und performanter, gemeinsame Nutzung von Ressourcen, Datenkonsistenz, bei Hardware Kostenersparnis, durch Zentralisierung Fehlervermeidung durch Wiederverwendbark. - Bsp.: Internet (Nutzung der Dienste/Anwendungen unabhängig vom Standort) Webprogrammierung: - Statische Webprogrammierung: - schnelle Erstellung - Aufwändige Pflege - Jede Seite wird einzeln abgelegt - Verbindung der einzelnen Seiten durch Hyperlinks - Bsp.: HTML, XML, CSS - Dynamische Webprogrammierung: - Trennung von Content und Formatierung - Inhalt der Seiten aus Datenbank oder Textdatei - Leichte Pflege der Seiten auch ohne Programmierkenntn. - Erhöhter Erstellungsaufwand - PHP, JavaScript, JavaServerPages (JSP), ASP, Flash, Active-X Bestandteile eines Informationssystems: Zusammenfassung PI: Teil Professur Virtuelle Fertigungstechnik Seite 1

2 Datenbanken 3-Sichten-Architektur - Benutzersicht auf Informationen: Externe Sicht (DB-Anwender)zur Arbeit notwendige Daten aus DB - logische Gesamtsicht: Konzeptionelle Sicht (DB-Designer & -Programmierer) in der DB abgebildete (Realwelt-)Objekte und dessen logische Zusammenhänge - physische Speicherform: Interne Sicht (DB-Administrator): Organisation v. Daten auf Speicher Konzeptueller Entwurf: Entity Relationship Model (ERM) - beschreibt einen Ausschnitt aus der realen Welt - dient als Designgrundlage in der Implementierungsphase einer Datenbank - ist unabhängig von der Implementierung - zur Visualisierung werden ER-Diagramme genutzt, welche aus einer Grafik und einer Beschreibung der verwendeten Elemente bestehen - ER-Modelle sind einfach zu verstehen gut geeignet als Kommunikationsbasis mit Endkunden oder unter Entwicklern Logischer Entwurf - Hierarchisches Datenbankmodell - Datensätze in einer Baumstruktur gespeichert - Infos nur über Wurzel erreichbar - Zeiger nur in einer Richtung - unflexibel, Verknüpfungen der Datensätze untereinander starr - einzelner Dateneintrag kann mehrfach erscheinen - Netzwerkmodell - Verallgemeinerung des hierarchischen Modells - sehr flexibel - Datensätze beliebig untereinander verknüpfbar - in der Praxis selten - Nachteil: Struktur schnell unübersichtlich und langsam - Relationales Datenbankmodell - tabellenartiger Aufbau - Datensatzbildet eine Zeile (Tupel) - Datenfeld des Datensatzes in die Spalten - einzelne Zellen können leicht untereinander in Beziehung (Relation) gesetzt werden - in der Praxis relevant - objektorientiertes Datenbankmodell - Datensätze haben keine starre Struktur - nicht alle Datensätze müssen aus gleichen Anzahl & Art v. Datenfeldern bestehen - die Datensätze können bei Bedarf um zusätzliche Datenfelder erweitert werden - Objekte, Objektklassen, Eigenschaften - Vererbung; Bsp.: CAE Systeme, computergestützte Softwareentwicklung Zusammenfassung PI: Teil Professur Virtuelle Fertigungstechnik Seite 2

3 Datenverteilungskonzepte Zentrale Datenbank: - ein zentraler DB-Server auf den Benutzer über lokales Netzwerk zugreifen, auf dem alle notwendigen von Daten gespeichert sind. Verteilte Datenbanken: - Standorte besitzen eine eigene (unabhängige) Datenbank - jede Standortdatenbank kann eine (inhaltlich) unterschiedliche Datenbank besitzen - Nutzer können auf Datenbanken anderer Standorte zugreifen (sofern vom Masteradministrator festgelegt) Vernetzte Datenbanken: - Datenbanken der Standorte sind ein Teil einer (virtuellen) Gesamtdatenbank - somit besitzt jede Standortdatenbank das gleiche Datenmodell - Nutzer können auf alle Daten zugreifen (abhängig von deren Sicht) Verteilte Systeme und Anwendungen Client/Server-Architektur - häufigstes Modell für verteilte Anwendungen - Aufgaben und Dienstleistungen werden innerhalb eines Netzwerkes verteilt - optimale Nutzung von Rechenleistung - der Client stellt die Schnittstelle zur Anwendung dar (Front-End) - der Server stellt die Dienste der Anwendungen zur Verfügung (Back-End) - Prinzip: Anfrage von Client an Server Server bearbeitet Anfrage Antwort von Server an Client Peer-to-Peer - dezentrale Vernetzung - direkte Verbindung zwischen den Computern - Computer (peers) sind gleichberechtigte Endsysteme stellen Ressourcen und Dienste zur Verfügung, teilen sie untereinander und nutzen sie gemeinsam fungieren als Client und Server - Peer-to-Peer-Netz organisiert sich selbst - Prinzip: Anfrage von Peer 1 an Peer 2 Peer 2 bearbeitet Anfrage Antwort von Peer 2 an Peer 1 und vice versa Tier-Architekturen - Verfeinerung der Client/Server-Architektur - Tiers sind Schichten/Stufen innerhalb einer Verteilten Anwendung - die einzelnen Schichten können auf unterschiedlichen Rechnern laufen - typische Aufgabe: Präsentation, Verarbeitung und Datenhaltung - das Tier-Modell bestimmt die Zuordnung der Aufgaben und Verteilung der Komponenten auf die einzelnen Schichten 2-Tier-Architektur - besteht aus Client- und Server-Tier - keine eigene Schicht für die Anwendungslogik - Rechenkapazität wird teilweise auf Client verlegt um Server zu entlasten - Vorteil: einfach und hohe Performance, Bsp.: Print-Server oder Lizenzserver - Nachteil: Wartung schwer, schlecht skalierbar Zusammenfassung PI: Teil Professur Virtuelle Fertigungstechnik Seite 3

4 3-Tier-Architektur - besteht aus Client-, Middle- und Server-Tier - in der Server-Schicht liegen die Daten, in der Middle-Schicht werden die Daten verarbeitet und über die Client-Schicht präsentiert - Vorteil: gut skalierbar, logische Trennung der Bsp.: PDM-Server, einfache Webanwendungen Schichten, relativ einfacher Austausch einer Schicht ohne die Anderen ändern zu müssen, und Anwendungslogik ist zentral administrierbar Multi-Tier-Architekturen - ähnlich der 3-Tier-Architektur - Anwendungslogik auf mehrere Schichten verteilt - Vorteil: Minimierung der Komplexität, besserer Schutz einzelner Anwendungsteile - Bsp. 5-Tier: Präsentation Steuerung Anwendung Datenverwaltung Datenhaltung Statische Webprogrammierung Dynamische Webprogrammierung Zusammenfassung PI: Teil Professur Virtuelle Fertigungstechnik Seite 4

5 Simulationstechniken FEM: (Finite Elemente Methode) Prinzip: - Unterteilung eines Objektes in endlich viele Elemente einfacher Geometrie - alle Elemente über Eckpunkte (Knoten) miteinander verbunden komplexe Strukturen durch einfache Modelle mit wenigen Parametern ersetzen Elementtypen Ansatzfunktion - um den Verlauf der physikalischen Größe auf das Element abzubilden, werden Ansatzfunktionen definiert. (linear, quadratisch (Polynome), kubisch, Parabelfunktion, Treppenfunktion) Simulationsdurchführung: Module/Ablauf Eingabeparameter - Geometrie: Maße, Toleranzen, schwierige Formen - Material (Werkstoff): Beschreibung des Werkstoffs, E-Modul, Querkontraktionszahl, Dichte - Randbedingungen: Reibung, Temperatur, Betriebsbedingungen, Prozessparameter, kritische Stellen, Prozessablauf, Reihenfolge - Kinematik - Symmetrie (z.b. Achsensymmetrie): zur Verringerung der Rechenzeit Ergebnisgrößen - Temperaturprofil, Prozessgeschwindigkeit, Umformgrad- /geschwindigkeit, Umformkräfte (Maxima), Spannungen (Zug-/Druckspannungen), Risse, allgemeine physikalische Größen - Komponenten der Verschiebung Anwendungsgebiete - Strukturanalyse (FEM Finite Elemente Methode) Umformsimulation, Medizintechnik, Beispiel: Herstellung des Rotors eines Windrades - Strömungsverhalten (CFD Computational Fluid Dynamics) Luftströmung an einer Anlage, Schiffbau, Wetterphänomene, Turbinen, Einspritzvorgänge - Dynamisches Verhalten (MKS Mehrkörpersimulation) Getriebe, Maschinen, gesamte Windanlage Zusammenfassung PI: Teil Professur Virtuelle Fertigungstechnik Seite 5

6 Grundlegende Gleichungen Reibmodelle Vor- und Nachteile der numerischen Simulation gegenüber den praktischen Versuchen Vorteil - erhebliche Senkung der Kosten und der Anzahl von Versuchen (günstiger) - schneller - Wiederholbarkeit (mehrfach nutzbar) - parallele Untersuchungen (optimieren, experimentieren) - zeitliche Skalierung Nachteile - Eingangsdaten oft nur geschätzt - Mathematisches Modell entspricht nie Vollständig der Realität (Idealisierung) - Begrenzung der Genauigkeit durch begrenzte Rechnerleistung Näherungsverfahren CFD (Computational Fluid Dynamics) Berechnen von strömungsmechanischen Prozessen mit numerischen Methoden. Grundlagen: - Navier-Stokes-Gleichungen (Impulssatz, Kontinuitätsgleichung, Energierehaltungss.) - inkompompressible Navier-Stokes-Gleichung - Euler-Gleichungen, Reynolds-Gleichung Mathematische Verfahren zur Berechnung von Strömungsproblemen: - finite-elemente-methode, finite-volumen-methode, finite-differenzen-methode Mathematische Modelle: Problematik: - hohe Anzahl an Werkstoffkennwerten Ermittlung für Fluide schwierig und teuer - keine einheitliche Normung Anwendungsgebiete - Luft- und Raumfahrt (Flugzeugaerodynamik) - Automobilindustrie (Fahrzeugaerodynamik) - Chemische Industrie (Abkühlvorgänge etc.) - Medizintechnik - Meteorologie (Wettervorhersage) - Schiffbau (Schiffsrumpfoptimierung) MKS (Mehrkörpersimulation) Definition: ist die Menge endlich vieler starrer Körper, die in einen dreidimensionalen euklidischen Anschauungsraum eingebettet sind und untereinander sowie mit einem nicht zum System zählenden Bezugskörper (Fundament) physikalisch und/oder geometrisch gekoppelt sind. Zusammenfassung PI: Teil Professur Virtuelle Fertigungstechnik Seite 6

7 Geometrische Kopplung: Geometrische Elemente (Punkte, Flächen, Linien) fallen stets zusammen Bsp.: Kugelgelenk, Schraubengelenk, Schubgelenk, Drehgelenk, Kardangelenk Physikalische Kopplung: Beeinflussung des Bewegungszustandes durch eingeprägte Kräfte Bsp.: Dämpfer, Feder Anwendungsgebiete - Bewegungsanalyse von komplexen kinematischen Systemen - Analyse von mechatronischen Strukturen, um für Bewegungsabläufe Antriebe zu dimensionieren - Ermittlung dynamischer Bauteilbelastungen - Schwingungsanalyse - Bereitstellung dynamischer Lastannahmen für die FEM - Lokalisierung von Konstruktionsdefiziten existierender Maschinen - inverse Analyse zur Ermittlung der Bewegungskinematik - Unterstützung beim Entwurf von Steuerungs- und Regelalgorithmen - Realisierung des Virtual Prototyping Bereiche: - kinematische Simulation (Systeme haben keine dynamischen Freiheitsgrade) - Dynamische Simulation (Systeme haben einen dynamischen Freiheitsgrad) Lösungsverfahren: Newton-Euler-Methode, Lagrange-Gleichungen 2. Art Eingabegrößen: Geometrie, Kräfte, Momente, Beschleunigung, Geschwindigkeit, Randbedingungen Ergebnisgrößen: Kinematik, Positionen, Diagramme, Animationen, Momente Geschäftsprozessmodellierung Erfassung und Spezifikation von Geschäftsprozessen für die Analyse und Gestaltung betrieblicher Systeme; enthält alle zugehörigen Modelle, Methoden und Tätigkeiten Geschäftsprozess = Verkettung von Elementaraufgaben, die auf ein Ergebnis ausgerichtet sind und eine definierte Folge von Teilaufgaben besitzt. Ein GP wird durch Informationen und Entscheidungen gesteuert, verarbeitet und erzeugt selbst Informationen und ist durch messbare Ergebnisse gekennzeichnet. Bestimmt durch: Kosten, Schnelligkeit und Qualität des Ablaufes Einsatzfelder - Optimierung der Geschäfts-/Unternehmensprozesse Kostensenkung (Gewinnerhöhung), Termintreue, Qualität erhöhen, Innovationsfähigkeit - Qualitätsmanagement - Betriebliche Informationssysteme - Einführung von Standardsoftware und Anwendungsentwicklung - Steuerung mit Workflow-Management-Systemen Ebenen der Prozessmodellierung: - Strategische Ebene - Fachlich-konzeptionelle Ebene - Operative Ebene Zusammenfassung PI: Teil Professur Virtuelle Fertigungstechnik Seite 7

8 Anforderungen an die Modellierung von Geschäftsprozessen Überblick über Geschäftsprozessmodellierungsmethoden Form Vorteil Nachteil a) Beschreibung als Text Einfache Darstellung Durch TVS Leicht verständlich, flexibel Unübersichtlich bei großen Prozessen Autorenabhängig Schwer überprüfbar b) Tabellarische Darstellung c) Grafische Darstellung Ohne vordefinierte Notation d) Grafische Darstellung Mit vordefinierter Notation Leicht verständlich Kompakt und übersichtlich Beliebige Grafikprogramme anschaulich Kontrollfluss kann übersichtlich dargestellt werden; Einheitliches Verständnis und gleichartige Darstellung; Werkzeuge für Notation existieren; Leichte Analyse und Auswertung Elemente können mit Attributen versehen werden ( Bearbeiter, ) - Ablaufdiagramm und Struktogramm, Zustandsdiagramme, Petri-Netze - ERM (Entity-Relationsship-Modell) - ARIS (Architektur Integrierter Informationssysteme) Beispiele für d): Prozessmodellierung als ereignisgesteuerte Prozesskette (EPK) Automatisierung nicht möglich Zusammenhänge zwischen Prozessen schwer darstellbar Darstellung großer Prozesse schwierig Uneinheitlich Erschwerte Analysemöglichkeit durch fehlende Notation Automatisierung nicht möglich Erlernen notwendig Hoher Modellierungsaufwand Zusammenfassung PI: Teil Professur Virtuelle Fertigungstechnik Seite 8

9 Modellierung mit SADT (structured analysis and Design Technique) Beispiel Modellierung mit ARIS (Architektur integrierter Informationssysteme) Sichtenkonzept Diagrammtypen der Sichten Zusammenfassung PI: Teil Professur Virtuelle Fertigungstechnik Seite 9

10 Phasenkonzept Methoden Organigramm Funktionsbaum Zusammenfassung PI: Teil Professur Virtuelle Fertigungstechnik Seite 10

11 Wertschöpfungskette Rollendiagramm Zusammenfassung PI: Teil Professur Virtuelle Fertigungstechnik Seite 11

12 eerm (erweitertes Entity Relationship Diagramm) eepk (erweiterte Ereignisgesteuerte Prozesskette) Zusammenfassung PI: Teil Professur Virtuelle Fertigungstechnik Seite 12

13 Produktdatenmanagement Definitionen PDM ist ein technisches Informationssystem (ITS) für Fertigungsunternehmen und dient als unternehmensweite Integrationsplattform für alle Datenerzeugenden Applikationen Ein PDM-System speichert, verwaltet und organisiert alle produkt- und anlagenbeschreibenden Daten und Dokumente im gesamten Produktlebenszyklus. Das PDM-System nutzt die Werkzeuge: Dokumentenmanagement, Informationsmanagement, Prozess- und Projektmanagement, Konfigurationsmanagement, Rechtemanagement, Workflowmanagement, um die Leistungsfaktoren Zeit, Kosten und Qualität zu optimieren. Vorteile: - einheitliche Klassifikation von Komponenten Prozesse leicht standardisierbar - Datenaktualität (keine redundanten Daten) - Arbeitsabläufe werden transparenter - Angebots- und Auftragskalkulation wird schneller durchführbar - integriertes Archivwesen Nachteile - hohe Systemkomplexität - großer Dienstleistungsaufwand langer Einführungszeitraum - hoher Schulungsaufwand - starke Bindung an Softwareanbieter Produktmodell: dient zur formalen Beschreibung aller relevanten Informationen zu einem realen Produkt über alle Lebenszyklusphasen hinweg Im Rahmen der Standardisierung durch ISO STEP wurden Partialmodelle für unterschiedliche technische Anwendungsgebiete sowie die allgemeinen Phasen des Produktlebenszyklus definiert Produktlebenszyklus: beschreibt den Kreislauf der aufeinander folgenden Produktionsphasen Produktstruktur: beschreibt die Zuordnung von Produktkomponenten. In der Zuordnung wird dabei unterschieden in Komponentenverwendung und Komponentenauflösung. Varianten: sind zeitlich parallel existierende, vergleichbare Ausprägungen ein und desselben Erzeugnisses bzw. Ergebnisses und damit potentiell gegeneinander austauschbar. Revisionsstand: kennzeichnet einen bestimmten Änderungsstand eines Dokumentes. Bei einer Überarbeitung des Dokumentes wird der Revisionsstand durch eine neue Nummer / Buchstabe gekennzeichnet. Dokumente (nach DIN 6789): eine als Einheit gehandhabte Zusammenfassung oder Zusammenstellung v. Informationen, die nicht flüchtig auf einem Informationsträger gespeichert sind. - Primärdokument: technische Zeichnungen, CAD-Modelle beinhalten produktbeschreibenden Definitionen - Sekundärdokument: Fertigungsdokument, NC-Modelle beinhalten fertigungsbeschreibende Definitionen - Tertiärdokument: Betriebsanleitungen, Bedienungshandbücher, Ersatzteilkatalog beinhalten technische Dokumentationen Zusammenfassung PI: Teil Professur Virtuelle Fertigungstechnik Seite 13

14 Datenmanagement Datenobjekte: dienen im PDM-System als Datencontainer für Produktmodelle und alle produktrelevanten Informationen. Unterscheidung zwischen Metadaten und Dokumenten - Metadaten: beschreibende, klassifizierende und attributive Informationen zur Verwaltung und Organisation von Daten Metadaten werden in der Datenbank verwaltet und verweisen auf die jeweiligen produktbeschreibenden Dokumente. Vaulting: Backup und Datenarchivierung als Dienstleistung wichtige Daten werden an einem jederzeit zugänglichen Remote-Standort aufbewahrt, wo sie gegen Netzwerkausfälle und andere Schäden geschützt sind sicheres Verfahren: verschlüsselte Datenwege, Daten passwortgeschützt Check-In/Check-Out: Check-In: ein Dokument wird in ein PDM-System mit den notwendigen Metadaten abgelegt 1. Check-In als ein neues Dokument oder 2. Check-In als ein geändertes Dokument (neue Variante, Revision) nach vorherigem Check-Out Check-Out: ein bereits existierendes Dokument wird durch einen Anwender aus dem PDM-System als Kopie für einen Änderungsvorgang angefordert Regeln des Rechtemanagements - ausgechecktes Dokument besitzt Bearbeitungssperre für andere Anwender - andere Anwender besitzen ausschließlich Leserechte - Aufhebung Bearbeitungssperre nur durch Check-In bzw. Abbruch des Check-Out Workflowmanagement Workflow Ist ein abgegrenzter, arbeitsteiliger Vorgang, der zur Erstellung oder Verwendung betrieblicher Leistungen führt. Das wesentliche Charakteristikum des Workflows ist der dynamische Ablauf des Vorganges von Initiierung bis zum Abschluss. Workflowmanagement eines PDM-Systems stellt dem Anwender Funktionalitäten zur Definition von Prozessschritten und deren Verkettung zu bestimmten Arbeitsabläufen zur Verfügung. Bestandteile: Zusammenfassung PI: Teil Professur Virtuelle Fertigungstechnik Seite 14

15 Anwendung: Geschäftsprozessmanagement technologisch unterstützen IT-Architektur Struktur eines PDM-Systems Zusammenfassung PI: Teil Professur Virtuelle Fertigungstechnik Seite 15