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Systems Engineering

Warum der Maschinenbau agil werden muss

| Autor/ Redakteur: Anton Fritsch* / Katharina Juschkat

Auf Simulation setzen Konstrukteure schon lange. Für smarte Produktionsanlagen muss damit jedoch noch viel früher begonnen werden. Dazu muss der Maschinenbau agil werden.

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Eine smarte Fabrik braucht schon in der Planung ein agiles Vorgehen – das stellt Konstrukteure vor ganz neue Herausforderungen.
Eine smarte Fabrik braucht schon in der Planung ein agiles Vorgehen – das stellt Konstrukteure vor ganz neue Herausforderungen.
(Bild: © artinspiring – stock.adobe.com)

Je höher der Digitalisierungsgrad einer Anlage ist und je komplexer die Projekte dadurch werden, desto wichtiger ist es, starre Strukturen aufzulösen und agile Vorgehensweisen zu forcieren. In welcher Reihenfolge und wie genau man implementiert, kann zu Beginn nicht genau vorhergesehen werden und selbst im Laufe des Projektes wechseln. Das stellt Konstrukteure vor neue Herausforderungen.

Mit Sprints agiler werden

In Sprints werden lauffähige Teillösungen erarbeitet. Dank Simulation sind reale Maschine hierzu nicht nötig.
In Sprints werden lauffähige Teillösungen erarbeitet. Dank Simulation sind reale Maschine hierzu nicht nötig.
(Bild: ITQ)

Auch steigt der Anteil nicht-mechanischer Komponenten wie Leitsysteme, Cloud-Anbindung, Bestellsystem, Nachverfolgbarkeit oder Predictive Maintenance, was agiles Arbeiten erfordert. Machbar wird das, indem man den Fokus darauf legt, schrittweise sogenannte Sprints zu erstellen und abzuarbeiten. Jeder Sprint hat eine zuvor festgelegte Laufzeit von cirka vier bis sechs Wochen mit dem Ziel, lauffähige Teillösungen zu entwickeln.

Dies ist in der reinen Software-Entwicklung kein Problem und schon lang üblich. Im Maschinen- und Anlagenbau ist dies deutlich herausfordernder. Jederzeit eine lauffähige (Teil-)Lösung verfügbar zu haben, gelingt nur durch den Einsatz von Simulationen der mechanischen und elektronischen Einheiten. Reale Maschinen werden nur dann gebaut, wenn ein finaler Entwicklungsstand erreicht ist, da sie starren Liefer- und Fertigungszeiten unterliegen.

Agiles Arbeiten wird bisher kaum im deutschen Maschinenbau eingesetzt – dagegen werden Simulationswerkzeuge bereits seit gut zehn Jahren verwendet, um Abläufe und Funktionen zu testen. Doch leider meist nur am Ende des Entwicklungsprozesses, bei der Systemintegration oder sogar erst in der Abnahmephase. Dieses Vorgehen hilft zwar dabei, die Qualität des Gesamtsystems zu verbessern. Ein optimierter Prozess ist damit jedoch leider nicht gewährleistet.

Früher auf Simulation setzen

Im Vergleich zum traditionellen Engineering betrachtet das Systems Engineering das Gesamtsystem.
Im Vergleich zum traditionellen Engineering betrachtet das Systems Engineering das Gesamtsystem.
(Bild: ITQ)

Setzen die Konstrukteure in den frühen und mittleren Projektphasen bereits auf Simulation, gestaltet sich das gesamte Projekt wesentlich homogener und stressfreier für alle Disziplinen. Die Vorteile liegen auf der Hand: Simulation ermöglicht es, allen Beteiligten und dem Management, existierende Konzepte, Abläufe und Programme visuell darzustellen und nachzuvollziehen. Zudem lassen sich die Projektdauer und damit einhergehende Kosten stark reduzieren.

Mit Hilfe von simulierten Maschinen kann die Steuerung und Bedienung schnell und kostengünstig getestet werden. Die simulierte Maschine reagiert dabei wie die echte Maschine. So lassen sich das Zusammenspiel der Komponenten im Gutfall und Fehlerfall testen, aber auch verschiedene Produktgrößen, Geschwindigkeiten und Konfigurationen nachstellen. Simulationswerkzeuge laufen meist auf günstiger Hardware mit überschaubaren Lizenzkosten.

Der Stellenwert der modernen Simulationstechnik entspricht jedoch nicht dem großen Nutzen, den Software- und System-Ingenieure in den modernen Tools sehen. Ein Beispiel zeigt, was möglich ist.

Ein Mittelständler setzt auf Smart Factory

Simulation der Maschine für zunächst kleinere bis mittlere Stückzahlen mit noch manueller Bedienung. Das Datenhandling erfolgt aber auch dabei schon komplett über PLS; Programmier- und Testabläufe über SPS.
Simulation der Maschine für zunächst kleinere bis mittlere Stückzahlen mit noch manueller Bedienung. Das Datenhandling erfolgt aber auch dabei schon komplett über PLS; Programmier- und Testabläufe über SPS.
(Bild: ITQ)

Die Vorteile des Systems Engineering hat auch das Familienunternehmen Lorenz GmbH & Co. KG. erkannt und den Umbau seiner Produktionsanlagen entsprechend gestaltet. Bei der Anlagenumstellung von mechanischen auf elektronische Funkwasserzähler baute das Unternehmen seine rein manuelle Fabrik innerhalb von drei Jahren zu einer flexibel automatisierten Produktionsanlage um. Gemeinsam mit den Systems Engineers von ITQ und Software Factory wurde auf Basis der Fabriksoftware S4P und der IIoT-Plattform Thingworx ein neues Produktionsleitsystem entwickelt.

Die komplette Entwicklung der Smart Factory bei Lorenz erfolgte in einer virtuellen Umgebung mit guten Testmöglichkeiten und hoher visueller Darstellungsqualität. Dabei waren die Anforderungen zu Beginn unspezifisch: Die Produktionsstätten sollten digitalisiert werden, um moderne, elektrische Funkwasserzähler zu produzieren. Unklar war jedoch, wie sich der Markt verhalten würde und somit auch, welche Stückzahlen und welche Varianten benötigt würden. Hier kam nur eine agile Vorgehensweise in Betracht.

In der letzten Ausbaustufe der Smart Factory von Lorenz werden viele Prozessschritte komplett automatisiert ablaufen.
In der letzten Ausbaustufe der Smart Factory von Lorenz werden viele Prozessschritte komplett automatisiert ablaufen.
(Bild: ITQ)

Ein ITQ-Team aus Software- und System-Ingenieuren entwickelte ein dynamisches Design für das Gesamtsystem. So standen von Anfang an alle Komponenten jeweils auch in simulierter Form zur Verfügung – von der Anlage mit Sensorik und Aktorik, über das Verhalten der Wasserzähler bis hin zur kompletten Produktionsanlage gegen das Liniensystem. Damit ist das Engineering im Virtuellen dem realen Bedarf immer einen Schritt voraus. Real gebaut wird bei Lorenz nur, was entsprechend der Marktnachfrage tatsächlich gerade benötigt wird. Durch die Smart Factory lassen sich die Kosten gering halten, Fehlinvestitionen vermeiden und die Verfügbarkeit schnell anpassen.

Das V-Modell hat ausgedient

Das alte V-Modell hat im Maschinenbau nahezu ausgedient und das Systems Engineering ist im anspruchsvollen Maschinen- und Anlagenbau angekommen. Die Digitalisierung und die Anforderungen an immer komplexere Projekte machen das agile Arbeiten mit simulierten Prozessen notwendig. Moderne Simulationstools ermöglichen, mit dem schnelllebigen Markt mitzuhalten.

Seminartipp

In dem Seminar Design-to-Cost-Methoden ermittelt der Referent wirkungsvolle Anwendung und Kombination der wesentlichsten DTC-Methoden – basierend auf seiner jahrelangen Erfahrung als Kostenmanager und Unternehmensberater.

* Anton Fritsch, Senior Consultant, ITQ

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