02/07. PLM-Lösungen für Mechatronik. Autor: Jens Krüger, Softlab. Version: 1.0

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1 02/07 PLM-Lösungen für Mechatronik Autor: Jens Krüger, Softlab Version: 1.0 Datum: Februar 2007

2 1 / 4 Elektrik und Elektronik sind in der Automobilindustrie mittlerweile der wichtigste Innovationstreiber, aber auch die Hauptursache für Pannen mit entsprechenden Auswirkungen auf Image und Gewährleistungskosten. Dieser Beitrag stellt PLM-basierte Lösungsansätze zur Beherrschung der komplexen Herausforderungen vor. Mechatronik beschäftigt sich interdisziplinär mit dem Zusammenwirken mechanischer, elektronischer und informationstechnischer Systeme [Abbildung 1]. Mechanik Modellierung Aktorik/ Sensorik Mechatronik Elektronik Embedded Informatik Abbildung 1 Mechatronik beschäftigt sich interdisziplinär mit dem Zusammenwirken mechanischer, elektronischer und informationstechnischer Systeme (Quelle: Softlab Group) Die Automobilindustrie hat traditionell in der Mechanik einen Schwerpunkt, Elektronik und Software haben erst in den letzten Jahren eine herausragende Bedeutung erlangt. Ein elektronischer Gangwahlschalter statt eines mechanischen Getriebegestänges stellt einen tiefen Eingriff in ein ur-mechanisches Gebiet dar. Die Aktivlenkung bietet eine optimale Lenkübersetzung in jedem Geschwindigkeitsbereich und ist als mechatronisches System mit Sensoren und dem Fahrstabilitätssystem vernetzt. Auch andere Anwendungen in den Bereichen Infotainment und Telematik werden durch Elektronik überhaupt erst möglich. Zur Realisierung solcher Systeme müssen Mitarbeiter Disziplingrenzen überwinden: Dabei treffen gestandene Konstrukteure mit Methodik nach VDI 2225 im Hinterkopf auf Software-Entwickler mit agil-iterativen Vorgehensmodellen. Auch bei den Produktlebenszyklen prallen Welten aufeinander: Während die Automobilindustrie alle fünf bis sieben Jahre eine neue Plattform entwickelt, gibt es neue Mobiltelefone, MP3-Player und Multimediageräte im Halbjahresrhythmus. Produkt- und Prozesskomplexität Mit ihren kurzen Innovationszyklen sind Elektronik und Software mittlerweile die Basis für 80 bis 90 Prozent aller Innovationen im Fahrzeug. Damit steigt natürlich auch der Kostenanteil: Hat Elektronik im Jahr 1980 noch ein Prozent der Herstellkosten ausgemacht, liegt der Wert mittlerweile bei über 20 Prozent im Volumensegment. Prognosen für die nächsten zehn Jahre gehen von einem Wachstum auf 40 Prozent aus, wobei sich insbesondere der Wert der Software auf ca. 15 Prozent vervierfachen wird. Allerdings ist die Elektronik mit über 35Prozent auch weiterhin Pannenursache Nummer Eins. Diese Problematik betrifft jeden Autofahrer persönlich. Durch stark steigende Gewährleistungskosten und Imageverluste ist aber auch die Automobilbranche insgesamt betroffen. Die wesentliche Herausforderung ist dabei die Beherrschung der steigenden Produkt- und Prozesskomplexität. Das Funktionsmodell eines Fahrzeugs besteht aus ca Hauptfunktionen mit Verbindungen. Diese Funktionen werden physikalisch auf bis zu 70 Steuergeräte verteilt, die über fünf Bussysteme miteinander vernetzt sind. Jedes Steuergerät ist dabei wie ein eigenständiger Computer zu betrachten. Der zu programmierende Flash-Speicher im Fahrzeug liegt bereits im dreistelligen MByte-Bereich und verzehnfacht sich alle vier Jahre. Parallel mit dem Produkt müssen die Systeme zur Diagnose und Fahrzeugprogrammierung in den Werkstätten entwickelt werden. Dies erfordert eine Integration der Produktentwicklung mit Prozessen im Vertrieb und Service. Prozessorientierte Lösungsansätze wie Product Lifecycle Management (PLM) bekommen in diesem Kontext eine neue Bedeutung.

3 2 / 4 Denn die beschriebene Komplexität kann nur durch ein systematisches Vorgehen und Unterstützung durch die Business-IT beherrscht werden. Business-IT Onboard-IT IT im Auto Offboard-IT Kommunikation mit Onboard-IT z. B. Diagnose, Fahrzeugprogrammierung z.b. ERP, PLM, CRM Abbildung 2 Die Entwicklung von Onboard- und Offboard-IT muss durch die Business-IT unterstützt werden (Quelle: Softlab Group) Systems Engineering und PLM Für die Entwicklung und Realisierung von Systemen ein Auto ist in diesem Sinne ein mechatronisches Transportsystem gibt es mit Systems Engineering eine Methode, die sich in der Luft- und Raumfahrt schon seit Jahrzehnten bewährt. Als interdisziplinärer Ansatz integriert Systems Engineering die verschiedenen Ingenieursdisziplinen wie Mechanik, Elektrik, Elektronik und Informatik in einen durchgängigen Prozess über den gesamten Produktlebenszyklus. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf den Kundenanforderungen, die auf Systemebene erfasst, modelliert, in Produktmerkmale umgesetzt und abgesichert werden. Zur Optimierung auf Systemebene werden die Anforderungen zunächst in ein Funktionsmodell umgesetzt. Erst im Rahmen der Definition der technischen Systemarchitektur wird die Systemebene verlassen und eine konkrete, disziplinspezifische Lösung ausgeprägt [Abbildung 3]. Durchgängigkeit im Anforderungsmanagement kann zum Beispiel die Integration eines Lastenheftprozesses und einer QFD-Methode für Mechanik mit UML-basierten Modellen für Software bedeuten. Anforderungen Logische Systemarchitektur Technische Systemarchitektur Funktionen Mechanik Kundenanforderungen Randbedingungen Fahrdynamik Akustik Elektrik Elektronik Märkte Gesetz Umwelt Wettbewerb Software Durchgängige Produktstruktur als Backbone für das virtuelle Produkt Abbildung 3 Integriertes Anforderungsmanagement auf Basis einer durchgängigen Produktstruktur ist die Voraussetzung zur Integration der verschiedenen Ingenieursdisziplinen (Bild: Softlab Group)

4 3 / 4 Neben dem Anforderungsmanagement sind wesentliche Unterstützungs- und Managementprozesse für ein effektives Systems Engineering zum Beispiel das Projektmanagement, das Produktdatenmanagement sowie das Änderungs- und Konfigurationsmanagement. Diese Prozesse finden sich im HIS Scope der Herstellerinitiative Software [Abbildung 4]. Das ist der Minimalumfang für die Bewertung der Lieferantenprozesse nach Automotive SPICE TM. Die Mitglieder der HIS, die Fahrzeughersteller Audi, BMW, DaimlerChrysler, Porsche und Volkswagen, arbeiten zusammen, um Standards in nicht-wettbewerbskritischen Bereichen zu definieren und durchzusetzen. Aus dieser Zusammenarbeit ist Automotive SPICE TM auf Basis der Norm ISO/IEC entstanden. Der Standard ist die Basis für die Bewertung der Qualität der Entwicklungsprozesse bei den Automobilzulieferern für Elektrik/Elektronik. Abbildung 4 Automotive SPICE ist die Basis für Assessments von E/E-Lieferanten in der europäischen Automobilindustrie (Bild: HIS Herstellerinitiative Software) PLM-Lösungen unterstützen diese Prozesse umfassend und integrieren die Werkzeuge für ein effektives und effizientes Systems Engineering. Sie sind somit die geeignete Antwort der Business-IT auf die Herausforderung Mechatronik. Das Management der Produktdaten (PDM) stellt den Kern einer PLM-Lösung dar. Dazu gehört auch ein unternehmensweites Änderungsmanagement auf Basis von Änderungsanfragen /-aufträgen (ECR/ECO) inklusive Problemmanagement (Issues). Neben dem klassischen Management der mechanischen CAD-Daten gewinnt das integrierte Management von MCAD, ECAD und Software auf Basis einer durchgängigen Produktstruktur an Bedeutung. Die Produktstruktur dient als Backbone für den Produktentstehungsprozess und ist ein wesentliches Hilfsmittel zur Integration der Daten aus den verschiedenen Disziplinen. Die PDM-Funktionalitäten wurden von den meisten PDM-Systemanbietern frühzeitig mit einer Projektmanagement-Sicht integriert, um die Planung, Durchführung und Kontrolle der Entwicklungsprojekte zu unterstützen. Advanced PLM Wesentliche Forderungen von Automotive SPICE sind die Konsistenz und bidirektionale Rückverfolgbarkeit der Anforderungen über den Produktlebenszyklus, die Definition und Abstimmung von Prüfkriterien zur Verknüpfung der Software mit den Anforderungen sowie die Integration des Anforderungsmanagements mit dem Problem-, Konfigurations- und Änderungsmanagement. Die Umsetzung dieser Anforderungen ermöglicht eine umfassende Auswirkungsanalyse bei Änderungen, indem die betroffenen Anforderungen, Funktionen und Teile identifiziert werden können. Fortgeschrittene PLM-Lösungen unterstützen die Prozesse für ein durchgängiges Anforderungsmanagement und somit neben den Support- und Managementprozessen auch einen Kernprozess im Engineering.

5 4 / 4 Fazit Die traditionellen, mechanik-orientierten Prozesse und IT-Systeme in der Automobilindustrie reichen nicht aus, um die aktuellen Herausforderungen in den Bereichen Elektronik und Software zu beherrschen. Systems Engineering und PLM leisten einen wesentlichen Beitrag zur Integration der Ingenieursdisziplinen über den gesamten Produktlebenszyklus [Abbildung 5]. Dazu haben führende Automobilhersteller weit reichende Programme aufgesetzt. Es bleibt zu hoffen, dass die positiven Resultate schon bald für den Autofahrer spürbar werden. Entwicklung Produktion Service Systems Engineering Mechanik Elektrik Elektronik Software Validation Verifikation Collaboration (extern) PM PDM Req. QA Config CR Product Lifecycle Management Collaboration (intern) Abbildung 5 Der Lösungsansatz auf einem Blick: PLM-basiertes Systems Engineering über den gesamten Produktlebenszyklus (Quelle: Softlab Group) Quellen und Links Autor Jens Krüger: Business Consultant bei der Softlab Group in München Dieser Beitrag erscheint in Q1/2007 im edm Report (Dressler Verlag)