Integrationsplattform für eine interdisziplinäre Entwicklung mechatronischer Produkte

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1 Integrationsplattform für eine interdisziplinäre Entwicklung mechatronischer Produkte Dissertation zur Erlangung des Grades Doktor-Ingenieur der Fakultät für Maschinenbau der Ruhr-Universität Bochum von Dipl.-Ing. Fahmi Bellalouna aus Paris (Frankreich) Bochum 2009

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3 Dissertation eingereicht: Tag der mündlichen Prüfung: Erster Referent: Zweiter Referent: Prof. Dr.-Ing. M. Abramovici Prof. Dr.-Ing. R. Anderl

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5 Inhalt I Inhalt 1 Einleitung Problemanalyse Prozessbezogene Probleme Datenbezogene Probleme PLM-System-bezogene Probleme Zielsetzung Vorgehensweise Grundlagen und Begriffsabgrenzung Begriffsbestimmung Mechatronische Systeme Definition der Mechatronik Mechatronische Domänen Aufbau eines mechatronischen Systems Modularisierung eines mechatronischen Systems Innovationspotenziale der Mechatronik Interdisziplinäre Methodik zur Entwicklung mechatronischer Systeme nach VDI Problemlösungszyklus auf der Mikroebene V-Modell der Makroebene Prozessbausteine Methodische Ansätze zur Konzipierung mechatronischer Systeme Systemtechnik Funktionsorientierte Vorgehensweise Partitionierung mechatronischer Systeme Anforderungsanalyse Prozessbezogene Anforderungen Unterstützung einer interdisziplinären, funktionsorientierten Entwicklungsmethodik Synchronisation der domänenspezifischen Entwicklungsprozesse Datenbezogene Anforderungen... 32

6 II Inhalt 3.3 PLM-Systemlandschaft-bezogene Anforderungen Interdisziplinarität Schutz bestehender IT-Investitionen Flexibilität Stand der Forschung und der Technik Allgemeine IT-Integrationsansätze Proprietäre Punkt-zu-Punkt Schnittstellen Standard-Datenmodelle Data Warehouse Single IT-Systeme Enterprise Application Integration (EAI) Semantische Technologie Serviceorientierte Architektur (SOA) Produktdatenintegration STEP STEP-PDM-Schema MechaSTEP Funktionsintegration PDM-Enablers OMG PLM Services Domänenspezifische PLM-Anwendungen PLM-Anwendungen innerhalb der Entwicklung mechanischer Produktkomponenten PLM-Anwendungen innerhalb der Entwicklung elektrotechnischer Produktkomponenten PLM-Anwendungen innerhalb der Entwicklung eingebetteter Softwaresysteme Relevante Forschungsaktivitäten ivip PDM-Collaborator (PDM-C) Mechasoft EUMECH VIVACE MIKADO... 79

7 Einleitung III Web-basierte föderierte PDM-Umgebung (Gerhard) Föderatives Informationsmodell zur Systemintegration für die Entwicklung mechatronischer Produkte (Kleiner) Model Management and Integration Platform for Mechatronics Product Development (El-Khoury) Föderatives PDM zur Verwaltung mechatronischer Systemstrukturen (Pham-Van) Virtual Product Development Environment (Storga) Bewertung des Standes der Technik und Forschung und resultierender Handlungsbedarf Bewertung der allgemeinen IT-Integrationsansätze Bewertung der Produktdatenintegrationsansätze Bewertung der Funktionsintegrationsansätze Bewertung der domänenspezifischen PLM-Anwendungen Bewertung der Forschungsaktivitäten Fazit und resultierender Handlungsbedarf Grundkonzept einer SOA-basierten Integrationsplattform Gesamtkonzept Generische serviceorientierte Architektur Metamodell für die generische serviceorientierte Architektur Services Nachrichten Workflow-Modellierung SOA-Interaktionsschema Vorgehensmodell zur Realisierung einer SOA-basierten Integrationsplattform für die Entwicklung mechatronischer Produkte Definition der interdisziplinären Use Cases für die mip Entwurf eines mechatronischen Systems Domänenspezifischer Entwurf Systemintegration Iterative Vorgehensweise Konzipierung der mip Funktionalitäten der mip Mechatronisches Meta-Datenmodell der mip

8 IV Inhalt 8 Definition der SOA-Elemente für die mip Definition der Workflows Definition der Services Definition des Registry- und Mediation-Moduls Web Service-basierte Konzeption der SOA-Elemente Web Service-basierte Konzeption der Services Web Service-basierte Modellierung der Workflows BPEL-Prozess-Basiselemente Funktionsprinzip einer BPEL-Prozesskomposition Beispiel für die Komposition des Workflows W_Release_Mechatronics_System Beispiel für die Komposition des Workflows W_Version_Mechatronics_System Prototypische Realisierung IT-Systemarchitektur Teamcenter Engineering ActiveBPEL Designer ActiveBPEL Engine Apache Tomcat Server Funktionsweise der mechatronischen Integrationsplattform Erweiterung des Standarddatenmodells von TC Engineering Erstellung einer logischen Systemarchitektur Erstellung einer technischen Systemarchitektur Erstellung einer E/E-Systemarchitektur Erstellung einer Software-, Hardware- bzw. mechanischen Systemarchitektur Erstellung von Software-, Hardware- und E/E-Baseline sowie mechanischer Systemkonfiguration und mechatronischem Gesamtsystem Verifikation und Bewertung der Ergebnisse Verifikation der prozessbezogenen Anforderungen Verifikation der Anforderungen zur Ermöglichung einer interdisziplinären und funktionsorientierten Entwicklungsmethodik

9 Einleitung V Verifikation der Anforderungen zur Synchronisation der domänenspezifischen Entwicklungsprozesse Verifikation der datenbezogenen Anforderungen Verifikation der PLM-Systemlandschaft-bezogenen Anforderungen Verifikation der Anforderung an die Interdisziplinarität Verifikation der Anforderung zum Schützen bestehender IT- Investitionen Verifikation der Anforderungen an die Flexibilität Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung der vorliegenden Arbeit Weitere Forschungspotenziale Literaturverzeichnis Anhang Elemente des Message Oriented Model Beschreibung der mip-funktionen Mechatronisches Meta-Datenmodell WS-BPEL Struktur eines BPEL-Prozesses BPEL-Aktivitäten Use Cases zur Freigabe interdisziplinärer Systeme

10 VI Abbildungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abbildung 1-1: Anteil der Disziplinen an der Produktwertschöpfung... 1 Abbildung 1-2: Verteilung der Pannenursachen im Automobil... 2 Abbildung 1-3: Stand der Prozessintegration innerhalb der mechatronischen Produktentwicklung... 4 Abbildung 1-4: Stand der Integration der domänenspezifischen PLM-Tools innerhalb der mechatronischen Produktentwicklung... 7 Abbildung 1-5: Gliederung und Vorgehensweise der Arbeit Abbildung 2-1: Mechatronik Synergie aus dem Zusammenwirken verschiedener Disziplinen Abbildung 2-2: Grundstruktur eines mechatronischen Systems Abbildung 2-3: Beispiel für die Strukturierung mechatronischer Systeme Abbildung 2-4: Problemlösungszyklus als Mikrozyklus Abbildung 2-5: V-Modell als Makrozyklus Abbildung 2-6: Strukturierung eines Systems Abbildung 2-7: Vorgehensleitfaden zur Partitionierung mechatronischer Systeme Abbildung 3-1: Notwendige Maßnahmen zur Beherrschung der Entwicklung mechatronischer Produkte Abbildung 4-1: Entwicklungsschwerpunkte im Umfeld der IT- Integrationstechnologien Abbildung 4-2: Schematischer Aufbau eines Data Warehouse Abbildung 4-3: Darstellung des Integrationsgedanken von CIM im Y-CIM- Modell... 42

11 Einleitung VII Abbildung 4-4: ARIS-Haus Abbildung 4-5: EAI-Referenzarchitektur Abbildung 4-6: Teilnehmer einer serviceorientierten Architektur Abbildung 4-7: Umfang und Inhalt des Datenmodells MechaSTEP Abbildung 4-8: PLM-Grundkonzept Abbildung 4-9: Heutiger Einsatz der domänenspezifischen PLM- Anwendungen innerhalb der Entwicklung mechatronischer Produkte an Hand des V-Modells VDI Abbildung 4-10: ivip-systemarchitektur Abbildung 4-11: Schichtenmodell der PDMC-Architektur Abbildung 4-12: Beschreibung der mechatronischen Komponente im Mechasoft-Metamodell Abbildung 4-13: Architektur des VIVACE-EDM Frameworks Abbildung 4-14: MIKADO-Gesamtarchitektur Abbildung 4-15: Architektur der Mechatronik-Kooperationsplattform Abbildung 4-16: MDM-Plattform-Architektur Abbildung 4-17: CPDM Systemarchitektur Abbildung 5-1: Grundkonzept einer SOA-basierten Integrationsplattform. 96 Abbildung 5-2: Generische serviceorientierte Architektur Abbildung 5-3: Zuordnung der Komponenten des Grundkonzepts zu den Elementen der serviceorientierten Architektur Abbildung 5-4: Metamodell für die serviceorientierte Architektur Abbildung 5-5: SOA-Interaktionsschema

12 VIII Abbildungsverzeichnis Abbildung 5-6: Verwendung der Web Service-Technologie für die Implementierung der serviceorientierten Architektur Abbildung 6-1: Logische Systemarchitektur eines mechatronischen Produktes 114 Abbildung 6-2: Funktionspartitionierung zur Erstellung einer technischen Systemarchitektur eines mechatronischen Produktes Abbildung 6-3: 116 Use Case Erstellen einer logischen Systemarchitektur... Abbildung 6-4: Ausschnitt einer logischen Systemarchitektur eines Fahrzeugs Abbildung 6-5: Use Case Erstellen einer technischen Systemarchitektur 118 Abbildung 6-6: Ausschnitt einer technischen Architektur der logischen Funktion Fahrzeug bei Kurvenfahrt stabilisieren als Regelkreis Abbildung 6-7: Use Case Erstellen einer E/E-Architektur Abbildung 6-8: Ausschnitt einer E/E-Architektur eines elektrischen Bremssystems Abbildung 6-9: Use Case Erstellen einer Softwarearchitektur Abbildung 6-10: Ausschnitt einer ESP-Software-Systemarchitektur Abbildung 6-11: Use Case Erstellen einer Hardware-Systemarchitektur Abbildung 6-12: Ausschnitt einer ESP-Hardware-Systemarchitektur Abbildung 6-13: Use Case Erstellen einer mechanischen Systemarchitektur Abbildung 6-14: Steuerung der mechanischen Bremssystemkomponente durch das ESP-System Abbildung 6-15: Integration eines mechatronischen Systems

13 Einleitung IX Abbildung 6-16: Use Case Erstellen einer Software-Baseline Abbildung 6-17: Software-Baseline eines ESP-Softwaresystems Abbildung 6-18: Use Case Erstellen einer Hardware-Baseline Abbildung 6-19: Hardware-Baseline eines ESP-Hardwaresystems Abbildung 6-20: Use Case Erstellen einer E/E-Baseline Abbildung 6-21: Use Case Erstellen einer mechanischen Konfiguration Abbildung 6-22: Mechanische Konfiguration eines Bremssystems Abbildung 6-23: Use Case Erstellen eines mechatronischen Gesamtsystems Abbildung 6-24: Iterativer Entwicklungsprozess mechatronischer Produkte Abbildung 6-25: Use Case Versionierung eines interdisziplinären Systems Abbildung 6-26: Use Case Freigabe eines E/E-Gesamtsystems Abbildung 7-1: Mechatronisches Meta-Datenmodell Abbildung 8-1: Funktionsweise eines Web Service Gateway Abbildung 8-2: Funktionsweise von Registry- und Mediation-Modul Abbildung 9-1: Struktur eines Service Abbildung 9-2: WSDL-Beschreibung des Service S_Get_Release_Status_Microcontroller Abbildung 9-3: Funktionsprinzip einer BPEL-Komposition Abbildung 9-4: Workflow W_Release_Mechatronics_System Abbildung 9-5: Ausschnitt eines BPEL-Prozesses für W_Release_Mechatronics_System

14 X Abbildungsverzeichnis Abbildung 9-6: Auszug aus dem BPEL-Code für W_Release_Mechatronics_System Abbildung 9-7: Workflow W_Version_Mechatronics_System Abbildung 9-8: BPEL-Prozess für W_Version_Mechatronics_System Abbildung 9-9: Auszug aus dem BPEL-Code für das W_Version_Mechatronics_System Abbildung 10-1: IT-Architektur der prototypischen mechatronischen Integrationsplattform Abbildung 10-2: Implementierung des mechatronischen Meta- Datenmodells in TC-Engineering Abbildung 10-3: Erstellen von Systemen und logischen Funktionen Abbildung 10-4: Erstellung einer hierarchischen Beziehung zwischen zwei Systemen (Fahrzeug und Antriebsstrang) Abbildung 10-5: Erstellung einer funktionalen Beziehung zwischen logischen Funktionen (1/2) Abbildung 10-6: Erstellung einer funktionalen Beziehung zwischen zwei logischen Funktionen (2/2) Abbildung 10-7: Darstellung der funktionalen Abhängigkeiten zwischen zwei logischen Funktionen Abbildung 10-8: Logische Architektur des elektrischen Bremssystems Abbildung 10-9: Regelkreis der logischen Funktion Fahrzeugstabilisierung bei Kurvenfahrt Abbildung 10-10: Partitionierung einer logischen Funktion (1/2) Abbildung 10-11: Partitionierung einer logischen Funktion (2/2) Abbildung 10-12: Darstellung von Informationen zur funktionalen Partitionierung

15 Einleitung XI Abbildung 10-13: E/E-Systemarchitektur der Funktion Ermittlung des Sollverhaltens des Fahrzeugs Abbildung 10-14: Software- und Hardware-Systemarchitektur Abbildung 10-15: Partitionierung von Software-Systemfunktionen Abbildung 10-16: Erstellung einer Software-Baseline Abbildung 14-1: Referenzmodell für das Message Oriented Model Abbildung 14-2: Mechatronisches Meta-Datenmodell Abbildung 14-3: Struktur eines BPEL-Prozesses Abbildung 14-4: Use Case Freigabe eines mechanischen Gesamtsystems Abbildung 14-5: Use Case Freigabe eines gesamten Hardwaresystems Abbildung 14-6: Use Case Freigabe eines gesamten Softwaresystems 215 Abbildung 14-7: Use Case Freigabe eines mechatronischen Gesamtsystems

16 XII Tabellenverzeichnis Tabellenverzeichnis Tabelle 4-1 Wichtigste Komponenten eines Data Warehause Tabelle 4-2 EAI-Schichten Tabelle 4-3 Grundprinzipien einer serviceorientierten Architektur Tabelle 4-4 Beschreibung der Teilnehmer einer serviceorientierten Architektur Tabelle 4-5 Überblick über die STEP-Serien Tabelle 4-6 Units of Functionalities für das PDM-Schema Tabelle 4-7 Hauptmodule des PDM-Enablers Standards Tabelle 4-8: Beschreibung der PLM-Methoden Tabelle 4-9: Bewertung der IT-Integrationstechnologien Tabelle 4-10: Bewertung der Produktdatenintegrationsansätze Tabelle 4-11: Bewertung der Funktionsintegrationsansätze Tabelle 4-12: Bewertung der domänenspezifischen PLM-Anwendungen 90 Tabelle 4-13: Bewertung der Forschungsprojekte Tabelle 7-1: Funktionen der mechatronischen Integrationsplattform Tabelle 8-1: Klassifizierung der mip-workflows Tabelle 8-2: Services für die Workflows und mip-funktionen Tabelle 9-1: Die notwendigen Services für das Workflow W_Release_Mechatronics_System Tabelle 11-1: Verifikation der Anforderungen zur Ermöglichung einer interdisziplinären und funktionsorientierten Entwicklungsmethodik 183 Tabelle 11-2: Verifikation der Anforderungen zur Synchronisation der domänenspezifischen Entwicklungsprozesse

17 Einleitung XIII Tabelle 11-3: Verifikation der datenbezogenen Anforderungen Tabelle 11-4: Verifikation der Anforderung an die Interdisziplinarität Tabelle 11-5: Verifikation der Anforderung zum Schützen bestehender IT- Investitionen Tabelle 11-6: Verifikation der Anforderungen an die Flexibilität Tabelle 14-1: Beschreibung der mip-funktionen

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19 Einleitung 1 1 Einleitung Ein hochintelligenter Bildsensor erkennt das Verkehrszeichen Geschwindigkeitsbegrenzung nach einer blitzschnellen Verarbeitung, gibt die Information an das Bremssteuergerät und das Motormanagementsystem weiter. Die aktuelle Höchstgeschwindigkeit wird dem Fahrer über ein Head-Up-Display angezeigt, das Fahrzeug wird automatisch und sanft auf das aktuelle Tempolimit abgebremst und das Tempolimit wird automatisch durch den Tempomat als Wunschgeschwindigkeit übernommen. Durch zunehmende Einbringung sowie die intelligente Integration von Lösungsprinzipien aus den Domänen Elektrotechnik und Informationstechnik in die Mechanik-dominierten Produkte könnten dieses intelligente System videobasiertes Fahrerassistenzsystem und weitere hochintelligente Funktionen in den nächsten Jahren selbstverständlich sein. Eine aktuelle Studie der Sendler\Circle 1 [Send2008] innerhalb der Fertigungsindustrie besagt, dass der Anteil von E-Technik, Elektronik und Software an der Wertschöpfung der Produkte die reine Mechanik bereits auf ein Drittel zurück drängt (Abbildung 1-1), und das, obwohl die Studie ihren Schwerpunkt keineswegs im Hightechbereich hat. Mechanik 37 E/E (Elektrik/Elektronik) 39,5 Software 23, Anteil in % Abbildung 1-1: Anteil der Disziplinen an der Produktwertschöpfung [Send2008] Mechatronik das synergetische Zusammenspiel der Domänen Mechanik, Elektrotechnik und Informationstechnik ermöglicht die Ausschöpfung von hohen Innovationspotenzialen; nicht 1 Sendler\Circle:

20 2 Einleitung nur für den Technologievorreiter Automobilbau, sondern auch im Maschinenbau und in artverwandten Branchen. Beispielsweise geht der VDA 2 davon aus, dass rund 90% der zukünftigen Innovationen im Automobil auf mechatronischen Systemen basieren werden [VDA2005]. Es wird erwartet, dass die mechatronischen Systeme der nächsten Generationen sich mithilfe komplexer Software intelligent verhalten und selbstständig ihr Verhalten durch Bildung von Gemeinschaften autonomer Agenten verbessern können. Durch ihre inhärente Intelligenz bestimmen diese Systeme dabei autonom neue oder auch veränderte Ziele und führen nachfolgend entsprechende Verhaltensanpassungen durch [FGMO2007]. Diese neuen Systeme werden auch als Smart Produkte bezeichnet. Mit den neuen Produktinnovationen hat die Mechatronik zu einer steigenden Systemkomplexität geführt, welche zusätzlich mit kürzeren Entwicklungszeiten und wachsendem Kostendruck gepaart ist, was zur Folge hat, dass die Entwicklungsrisiken derartiger Systeme erheblich gestiegen sind, wie beispielsweise die Pannenstatistiken des ADAC (Abbildung 1-2) der letzten Jahre unmissverständlich zeigen. Ungefähr die Hälfte der Ausfallursachen in Automobilen ist auf die technischen Systeme, die eine hohe Integration von mechanischen, elektrotechnischen und informationstechnischen Komponenten aufweisen, zurückzuführen. Untersuchungen in diesem Zusammenhang haben gezeigt, dass ca. 80% dieser Ausfälle ihren Ursprung in der Produktentwicklungsphase und insbesondere in der Entwurfs- und Spezifikationsphase haben [Jaco2003]. Verteilung der Pannenursachen im Automobil Anteile an den Pannen (%) ,8 27,6 27, ,5 26,6 25,9 23 5,8 5, ,6 6,8 8 6,7 6,7 6, ,7 7,1 7 6,2 10,6 10,6 10,1 9 7,7 7,9 7,8 8 49,1 49,3 49, ,6 52,2 52, Jahr Sonstige Störungsursachen Einspritzanlage Räder/Reifen Motor Mechatronische Systeme Abbildung 1-2: Verteilung der Pannenursachen im Automobil nach [ADAC2009] 2 VDA: Verband der Automobilindustrie

21 Einleitung Problemanalyse Komplexe mechatronische Produkte, die durch die Kombination und Integration von Lösungsprinzipien aus den Ingenieursdisziplinen Mechanik, Elektrotechnik und Informationstechnik entstehen, haben automatisch zu einer zunehmenden Erhöhung der Komplexität von Entwicklungsmethoden, -prozessen sowie den dabei angewandten IT-Werkzeugen und anfallenden Produktdaten geführt. In Anbetracht dieser Tendenz werden viele Unternehmen mit immer neuen Problemen konfrontiert, was die Beherrschung der Entwicklung mechatronischer Produkte unter der Zielsetzung der Qualitätserhöhung sowie der Reduzierung der Entwicklungskosten und -zeit erschwert. Im Folgenden werden die Hauptprobleme innerhalb der Entwicklung mechatronischer Produkte unter drei verschiedenen Gesichtspunkten analysiert: prozessbezogene Probleme, datenbezogene Probleme und PLM 3 -System-bezogene Probleme Prozessbezogene Probleme Die Besonderheit mechatronischer Systeme besteht darin, dass deren Teilsysteme auf Basis unterschiedlicher technischer Lösungsprinzipien Mechanik, Elektrotechnik, Informationstechnik miteinander verknüpft werden und durch das resultierende synergetische Zusammenwirken Produktinnovationen erzielt werden [StRu2005]. Unter diesen multidisziplinären Rahmenbedingungen kommt den Entwicklungsprozessen bei der Realisierung derartiger Systeme eine wichtige Rolle zu. Allerdings weisen die in den meisten Unternehmen etablierten Prozesse enorme Mängel hinsichtlich der Beherrschung der domänenübergreifenden und interdisziplinären Entwicklungsabläufe auf. Die Produktentwicklung mechatronischer Systeme erfolgt innerhalb der meisten Unternehmen (ca. 80%) wie eine Studie der Aberdeen Group zeigt (Abbildung 1-3) bislang getrennt und relativ isoliert in den involvierten Fachdisziplinen auf der Grundlage etablierter, spezifischer Entwicklungsmethoden und Vorgehensmodelle, die durch eigene Denkweisen, Begriffswelten und Erfahrungen geprägt sind [StBM2003]. 3 PLM: Product Lifecycle Management (s. Kapitel 4.3)

22 4 Einleitung 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 50% der Unternehmen Isolierte autonome domänenspezifische Entwicklungsprozesse (Ohne domänenübergreifende Koordination) 30% der Unternehmen Isolierte autonome domänenspezifische Entwicklungsprozesse (Teilweise domänenübergreifende Koordination) 20% der Unternehmen Integrierte, domänenübergreifende Entwicklungsprozesse Abbildung 1-3: Stand der Prozessintegration innerhalb der mechatronischen Produktentwicklung [ABER2006] Diese Situation hat zur Folge, dass eine Betrachtung des Produkts als integriertes, mechatronisches Gesamtsystem insbesondere in den frühen Entwicklungsphasen nicht möglich ist. komplexe Zusammenhänge, Interaktionen und Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Fachdisziplinen erst in einer späteren Entwicklungsphase in Betracht gezogen werden können [Adms2004]. Die Folge ist die Entwicklung fehlerhafter Produkte, die erst nach mehreren Entwicklungsschleifen optimiert werden können. ein gemeinsames Verständnis für Probleme und Aufgaben über alle Domänen nicht ausreichend unterstützt wird. Steuerung, Koordination und Abstimmung der Entwicklungsprozesse, -abläufe, -aufgaben sowie deren Ergebnisse über alle Domänen unzureichend unterstützt werden. Dadurch ist eine frühzeitige Qualitätsabsicherung sowie ein Zuverlässigkeitsnachweis des zu entwickelnden Produkts nicht möglich. Teile des Produkts getrennt voneinander in den jeweiligen Fachbereichen entwickelt und deren Schnittstellen nicht ausreichend miteinander abgestimmt werden. Die Folgen sind nicht kompatible Schnittstellen und Teilsysteme, die nicht zu einem funktionsfähigen Gesamtsystem zusammengeführt werden können [GaFr2006]. eine domänenübergreifende Anwendung einer durchgängigen, interdisziplinären Entwicklungsmethodik, die die besonderen Bedürfnisse der Mechatronik berücksichtigt, nicht möglich ist.

23 Einleitung 5 ein domänenübergreifendes Integrations-, Konfigurations-, Änderungs- und Freigabemanagement wenig bzw. kaum unterstützt wird. die Integration der domänenspezifischen Entwicklungsergebnisse erst in den Erprobungsphasen des Produkts erfolgen kann, da eine frühzeitige digitale Gesamtintegration und -absicherung der Entwicklungsergebnisse nicht zweckmäßig durchgeführt werden kann. In den letzten Jahren wurden zahlreiche Forschungs- und Industrieprojekte durchgeführt, um eine integrierte und interdisziplinäre mechatronische Produktentwicklung unter Berücksichtigung der Domänen Mechanik, Elektrotechnik und Informationstechnik zu ermöglichen. Das Resultat dieser Bemühungen ist die Entstehung einer Reihe von methodischen Ansätzen, wie beispielsweise die VDI-Richtlinie 2206 Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme und das 3-Ebenen-Modell zur prozessualen Integration der verschiedenen Entwicklungsdomänen auf einer interdisziplinären Ebene. Allerdings trifft die Einführung derartiger Ansätze in der Praxis auf große Probleme, insbesondere im Hinblick auf die Heterogenität der Daten- und PLM-Systemlandschaft, die einen effizienten Einsatz dieser Methoden und Modelle zur Optimierung der Entwicklungsprozesse mechatronischer Produkte kaum möglich macht Datenbezogene Probleme Für die Unterstützung der Entwicklung mechatronischer Systeme haben sich über die Jahre zahlreiche domänenspezifische rechnergestützte Werkzeuge wie z. B. MCAx 4, ECAx 5, CASE 6 innerhalb von Unternehmen etabliert. Diese erzeugen eine große Menge heterogener Produktdaten und Produktstrukturen, die in verschiedenen nicht zueinander kompatiblen Formaten und Strukturen vorliegen [AnKr1999]. Beispielsweise werden heute MCAx-Daten in PDM 7 - Systeme, ECAx-Daten in EES 8 -Systeme und CASE-Daten in SCM 9 -Systeme abgelegt und dort verwaltet, die jeweils ihre eigenen spezifischen Datenmodelle (z. B. die Datenmodelle AP und AP des STEP-Standards 12 für PDM- bzw. EES-Systeme und CASE- Tools-spezifische Datenmodelle für SCM-Systeme) haben [AbBe2007]. Diese große Vielfäl- 4 MCAx: Computer Aided Systeme für die Mechanik-Konstruktion 5 ECAx: Computer Aided Systeme für die Elektrik/Elektronik-Konstruktion 6 CASE: Computer Aided Software Engineering 7 PDM: Product Data Management (vgl. Abschnitt 4.3.1) 8 EES: Electrical Engineering Solution (vgl. Abschnitt 4.3.2) 9 SCM: Software Configuration Management (vgl. Abschnitt 4.3.3) 10 AP 204: STEP-Anwendungsprotokoll (Core data for automotive mechanical design processes) 11 AP 212: STEP-Anwendungsprotokoll (Electrotechnical Design and Installation) 12 STEP: Standard for the Exchange of Product Model Data (vgl. Abschnitt 4.2.1)

24 6 Einleitung tigkeit an Produktdaten, Datenmodellen und Datenformaten hat enorme Probleme bei der Entwicklung mechatronischer Systeme verursacht: Eine ganzheitliche und interdisziplinäre System-, Funktions- und Komponentenbeschreibung der mechatronischen Produkte kann nicht dargestellt, nachvollzogen und bedarfsgerecht hergestellt werden. Interdisziplinäre und funktionale Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Komponenten und Systemen können nicht zielgerecht abgebildet, dargestellt und verstanden werden. Interdisziplinäre Verhalten von Komponenten, Systeme und Funktionen bei gegenseitiger Abhängigkeit können nicht ausreichend dargestellt und erforscht werden. Die Vielzahl der gegenseitigen vernetzten Forderungen und Restriktionen zwischen den Systemen, Funktionen und Komponenten kann nicht im Sinne einer Multizieloptimierung erfüllt werden [Möhr2004]. Eine domänenübergreifende und durchgehende Nutzung von Produktdaten und Produktstruktur ist heute nicht möglich [AnKF2000]. Es folgt eine redundante und teilweise inkonsistente Ablage von Produktdaten in verschiedenen Fachbereichen. Eine domänenübergreifende und koordinierte Änderung an Produktdaten, Funktionen und Systemen, die aufeinander aufbauen, wird kaum unterstützt. Eine domänenübergreifende Freigabe der Produktdaten sowie deren Funktionen, Systeme und Komponenten ist aufgrund des unterbrochenen Informationsflusses zwischen den verschiedenen Fachdisziplinen nur bedingt bzw. kaum möglich. Eine domänenübergreifende Produktdatenkonfiguration ist nicht zweckmäßig durchführbar PLM-System-bezogene Probleme Innerhalb der Entwicklung mechatronischer Produkte stellen die domänenspezifischen PLM- Systeme den Dreh- und Angelpunkt für das Management und die Steuerung der Produktdaten und der Entwicklungsprozesse sowie für die Integration der verschiedenen IT-Werkzeuge dar. Die PLM-Systeme, die heute in den Entwicklungsbereichen vieler Unternehmen vorzufinden sind, sind historisch gewachsen und spiegeln die vollzogenen organisatorischen und technischen Entwicklungen wider [Abra2007]. Dabei wurden viele Applikationen bzw. Funktionen sehr anwendungs- und bereichsspezifisch implementiert, ohne den Gesamtentwicklungsprozess über alle Domänen und die zukünftige Entwicklung des Unternehmens zu betrachten. Die klassische PLM-Systemlandschaft, die am häufigsten innerhalb eines Unternehmens anzutreffen ist, ist heterogen und besteht meistens aus den drei verschiedenen inkompatiblen und

25 Einleitung 7 unabhängigen domänenspezifischen PLM-Systemen PDM, EES und SCM für die Bereiche Mechanik, Elektrotechnik bzw. Informationstechnik [AbBe2008]. Diese Systeme wurden innerhalb der meisten Unternehmen, wie eine Studie der Aberdeen Group zeigt, (Abbildung 1-4) als Insel-Lösungen eingeführt. Deren Integration beschränkt sich in der Regel wenn sie überhaupt existiert auf den einfachen Austausch von Metadaten, wie z. B. Teilesachnummern oder Änderungsindex, die vornehmlich einen logistischen Zweck haben. 80% 70% 68% der Unternehmen 60% 50% 40% 30% 29% der Unternehmen 20% 10% 0% Isolierte domänenspezifische PLM-Tools Isolierte Domänenspezifische PLM-Tools (Teilweise integriert) 3% der Unternehmen Vollintegrierte PLM-Tools Abbildung 1-4: Stand der Integration der domänenspezifischen PLM-Tools innerhalb der mechatronischen Produktentwicklung [ABER2006] In Anbetracht dieser Situation kann heute ein interdisziplinäres und domänenübergreifendes Management und Steuern von Prozessen, Abläufen und Daten bei der Entwicklung von Produkten unter mechatronischen Aspekten Kombination und Integration von Lösungsprinzipien aus den Ingenieursdisziplinen Mechanik, Elektrotechnik und Informationstechnik nur sehr bedingt durchgeführt werden. 1.2 Zielsetzung Eine zielführende Entwicklung komplexer mechatronischer Produkte die durch die synergetische Integration unterschiedlicher domänenspezifischer Lösungsprinzipien entstehen unter den Rahmenbedingungen Zeit, Kosten und Qualität kann nur durch die Verwendung von interdisziplinären Entwicklungsmethoden erreicht werden. Jedoch setzt der Einsatz derartiger Methoden eine nahtlose Zusammenarbeit und Synchronisation der verschiedenen domänenspezifischen Entwicklungsprozesse und der dabei zu verwendenden PLM-Anwendungen und zu handhabenden Entwicklungsdaten voraus. Diese Arbeit hat zum Ziel, eine Interoperabilitätslösung zur Ermöglichung der Zusammenarbeit bzw. des Interagierens der verschiedenen heterogenen Entwicklungsprozesse, PLM- Anwendungen und Datenmodelle zu entwickeln. Die Hauptzielrichtungen dieser Lösung sind:

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