Digital Engineering auf Anhieb richtig machen

Bei der Entwicklung von Anlagenteilen wird im ersten Schritt der entsprechende Maschinentyp ausgewählt.
Bei der Entwicklung von Anlagenteilen wird im ersten Schritt der entsprechende Maschinentyp ausgewählt. (Bilder: Lenze)

Während die Produktion bereits zunehmend digitalisiert wird und aktuelle Anlagendaten zur Steuerung von Fertigungsprozessen eingesetzt werden, steht die digitale Transformation bei Konstruktion und Entwicklung noch relativ am Anfang. Das größte Manko: es fehlt weitgehend an einer durchgehenden Werkzeugkette und vor allem an standardisierten Datenaustauschformaten zwischen den Tools. Lenze treibt deshalb mit Hochdruck die Anpassung und Erweiterung seiner Tools und Services voran, um diese Lücke zu schließen.

Als OEM steht man ständig unter Zeit- und Kostendruck. Die Herausforderungen, die sich in der täglichen Praxis ergeben, sind vielfältig. An erster Stelle steht oft, den Liefertermin einhalten zu können. Ein böses Erwachen droht, wenn sich nach der Realisierung eines Projektes herausstellt, dass bestimmte Spezifikationen nicht eingehalten werden. Ebenfalls nicht selten sind Probleme bei der Inbetriebnahme: die Maschine läuft nicht wie erwartet, und die Software muss in kürzester Zeit angepasst werden, während einem der Kunde im Nacken sitzt. Und fatal für die Kostenkalkulation wird es, wenn immer wieder neue Prototypen erstellt werden müssen, bis endlich der Stand erreicht ist, dass der Kunde rundum zufrieden ist.

Genau diese Probleme adressiert das Digitale Engineering. Der digitalisierte Entwicklungsprozess ermöglicht genauere Iterationen in einer frühen Projektphase, bietet Unterstützung bei der Programmierung der Anwendungssoftware und ebnet den Weg zur virtuellen Inbetriebnahme. Für OEMs ergeben sich daraus riesige Chancen: Kürzere Entwicklungszyklen bei geringerem Personalaufwand und schnelleres Time-to-Market, weil die Kundenwünsche bereits beim ersten Wurf getroffen werden und die festgelegten Spezifikationen sicher eingehalten werden. Weitere Effekte betreffen die höhere Intelligenz in den Maschinen für komplexere Funktionen und nicht zuletzt auch die Verbesserung der Maschinenverfügbarkeit. Der Entwicklungsprozess wird auch grundsätzlich effizienter, da alle Disziplinen auf eine gemeinsame Datenbasis zugreifen können. Diesen Fortschritten, die mit Hilfe digitaler Entwicklungswerkzeugen und -prozessen erreicht werden können, kann sich eigentlich kein OEM verschließen. Denn wer nicht selbst aktiv wird, muss womöglich zuschauen, wie der Wettbewerb an ihm vorbeizieht.

Durchgängiger Informationsfluss ist entscheidend

Eines der Ziele des Digital Engineerings ist es, Prozesse und damit verbundene Informationsflüsse durchgängig zu gestalten. Informationen über Komponenten, Maschinen und Anlagen werden im „digitalen Zwilling“ abgelegt und ohne Bruch oder gar Informationsverlust weitergereicht – über die verschiedenen Stufen des Entwicklungsprozesses sowie den laufenden Betrieb und Instandhaltungsmaßnahmen bis zum Ende des Lebenszyklus. Im Rahmen des Referenz-Architekturmodells Industrie 4.0 (RAMI 4.0) wird statt des digitalen Zwillings die Bezeichnung „Verwaltungsschale“ (VWS) gebraucht.

Mit ihrer Hilfe gelangen Daten, die bei Entwicklung und Konstruktion anfallen, von Hersteller und OEM bis hin zum Anlagenbetreiber. So kann in jeder Entwicklungsstufe geprüft werden, ob die ursprünglich festgelegten Spezifikationen bei der Realisierung eingehalten werden und auf die Daten referenziert werden. Der durchgängige Informationsfluss unterstützt darüber hinaus nicht nur Betrieb und Wartung von Maschinen, sondern auch neue, datenbasierende Service- und Geschäftsmodelle, die das Wesen von Industrie 4.0 und dem Industrial Internet of Things (IIoT) ausmachen. Daten aus dem laufenden Betrieb und der Maintenance finden schließlich automatisiert den Weg zurück zu OEMs und Herstellern, wo sie wiederum zur Verbesserung von Konstruktion und Entwicklung beitragen. Soweit zumindest die Theorie.

Insellösungen statt Tool-Chain

In der Praxis ist das vorgezeichnete Szenario – jedenfalls Stand heute – erst bruchstückhaft zu realisieren. Die dafür benötigten Tools, mit gemeinsamen Datenmodellen und standardisierten Schnittstellen, stehen noch nicht in ausreichendem Maße zur Verfügung. So existieren im Entwicklungsprozess noch zu viele Insellösungen, die nicht in der Lage sind, mit vertretbarem Aufwand Daten miteinander auszutauschen. Ohne einen durchgängigen Informationsfluss sind die positiven Effekte des Digital Engineerings jedoch nicht zu erreichen.
Um den digitalen Zwilling herstellerübergreifend weitergeben zu können, bräuchte es standardisierte Datenmodelle und -schnittstellen. Zumindest was die Verwaltungsschale betrifft, konnte die Plattform Industrie 4.0 dieses Jahr entscheidende Fortschritte verkünden. So wurde zur Hannover Messe 2018 das Rahmenwerk zur VWS-Definition abgeschlossen. Inzwischen hat die Plattform weitere Details veröffentlicht, mit deren Hilfe Unternehmen selbst Verwaltungsschalen für ihre Komponenten entwickeln und implementieren können.

Lenze geht voran

Damit ist es für innovative Unternehmen nun erstmals möglich, zumindest innerhalb einer geschlossenen Herstellerwelt eine durchgängige Tool-Chain zu entwickeln, die auf einem standardisierten digitalen Zwilling basiert. Lenze hat sich entschlossen, diesen Weg einzuschlagen und seine Kunden frühzeitig mit ins Boot zu holen. Das Unternehmen sieht im Digital Engineering einen der wichtigsten Innovationstreiber für die Industrie, der die Themen der Zukunft bestimmt. Auf Messen zeigt Lenze bereits erste Tools, Prototypen und Konzeptstudien, um seinen Partnern aufzuzeigen, worauf die Entwicklungsabteilungen beim OEM künftig setzen können. Zugleich werden die Kunden ermuntert, Feedback zu geben und ihre Anforderungen zu formulieren. So kann die Entwicklung der Tools eng am Markt ausgerichtet werden. Der Experte für Maschinenautomatisierung positioniert sich damit als Solution Provider für Industrie 4.0 und IIoT und übernimmt dabei eine führende Rolle bei der Digitalisierung der Industrie.
Ausgangsbasis sind die bereits vorhandenen Werkzeuge, wie etwa die FAST-Toolbox, die zu einem FAST-Framework weiterentwickelt wird, denn Modularisierung im Maschinenbau setzt eine modulare Software-Architektur voraus. Lenze FAST bietet das. Dazu kommen neue Anwendungen, die speziell im Hinblick auf das Digital Engineering entwickelt werden. Einen ersten Prototypen hatte Lenze bereits auf der Hannover Messe 2018 vorgestellt, weitere sind in Vorbereitung. Ergänzt werden die Werkzeuge durch Services, beispielsweise in Bezug auf das Industrial Internet of Things (IIoT). Und nicht zuletzt auch Beratungsleistungen, um OEMs, Anlagenbauer und -betreiber bei der Digitalen Transformation der Industrie zu begleiten und zu unterstützen.

Von Anfang an digital

Das Ziel einer durchgängigen Tool-Chain kann nur erreicht werden, wenn sämtliche Stufen des Lebenszyklus’ berücksichtigt werden. Lenze teilt die geplanten Werkzeuge entsprechend ein: Von der Idee über Entwicklung und Implementierung bis hin zu Inbetriebnahme und Betriebsphase.
Für den Einstieg hat Lenze das „InAutomation“-Konzept entwickelt. Hier geht es darum, aus mechatronischen Maschinenmodulen eine Applikation zu konfigurieren und zu parametrieren sowie Software zu generieren. Es wird ein digitaler Zwilling kreiert, der diese Daten aufnimmt und für spätere Zwecke bereithält.
Auf dieser Basis kann bereits eine „virtuelle Maschine“ erstellt werden, die sich mit Hilfe einer Hololens-Brille sogar als Augmented-Reality-Objekt in 3D darstellen lässt und einfache Abläufe in der Simulation zeigt – noch bevor auch nur eine Schraube angefasst wurde. Damit lassen sich mögliche Fehler oder Probleme bereits in einer frühen Phase entdecken und abstellen, was viel Zeit und Entwicklungsaufwand spart.
Aus den bis dahin vorliegenden Daten kann zudem automatisiert Code zur Steuerungsprogrammierung generiert werden, der eine Grundlage für eine verfeinerte Programmierung bietet. Auch das Testen von Codes kann automatisiert werden. Damit werden Entwicklern grundlegende Aufgaben abgenommen und der Engineering-Prozess deutlich beschleunigt.

Vorhandene Entwicklungs-Werkzeuge integrieren

Zu den Klassikern in Lenzes Portfolio gehört die FAST Applikation Software Toolbox, mit der sich eine modulare Maschinensteuerung ganz einfach entwickeln lässt. Zahlreiche komplett vorgefertigte Softwaremodule für Maschinenautomatisierung, Motion-Control und Integrated Robotics lassen sich zu Maschinen kombinieren. Damit diese Vorteile auch im Rahmen des Digital Engineerings zur Verfügung stehen, wird die FAST-Toolbox ausgebaut zu einem Software-Framework, das zum einen mit dem digitalen Zwilling umgehen kann und zum anderen die Basis für die automatische Code-Generierung legt.
Ein seit Jahren bei OEMs beliebtes Tool ist der Drive Solution Designer – eine Kern-Anwendung für einen Experten in Sachen Motion Control. Hier können konkrete Antriebsanwendungen en détail konfiguriert werden. Doch Lenze ist inzwischen mehr: ein Anbieter mit einem vollständigen Portfolio für die Automatisierung von Maschinen und Motion-Control. Dementsprechend arbeitet das Unternehmen daran, eine ähnliche Funktionalität für ein breiteres Anwendungsspektrum zu erstellen, zugleich aber die daraus erwachsende Komplexität der Lösungen handhabbar zu machen. Die Kunden suchen schließlich immer intelligentere Maschinen, die eine höhere Flexibilität in der Produktion – bis hin zur Losgröße 1 – ermöglichen. Dafür müssen passende Tools erst geschaffen werden. Dies ist umso leichter, je besser sich solche Werkzeuge in die Tool-Chain des Unternehmens einfügen und einen nahtlosen Informationsaustausch mit Hilfe des digitalen Zwillings unterstützen.

Simulation und virtuelle Inbetriebnahme

Mit Hilfe geeigneter Tools können Maschinen bzw. Anlagen in unterschiedlichen Leveln simuliert werden, die unterschiedlich hohe Anforderungen an Rechenzeit und -kapazitäten stellen: Physik der Mechanik, Antriebstechnik und Motion-Applikationen, bis hin zu Automationsystemen und kompletten Fertigungsprozessen. Alle dafür benötigten Daten sind bereits im digitalen Zwilling vorhanden. Anders als beim „InAutomation“-Konzept, wo nur die grundsätzlichen Einstellungen getroffen wurden, geht es hier um die Simulation der kundenspezifischen Konstruktion mit vielen konkreten Details. Mit ausreichender Rechenpower kann auf diesem Weg bereits eine virtuelle Inbetriebnahme erfolgen. So können frühzeitig Probleme oder Fehler in der Konstruktion sowie bei der Programmierung aufgedeckt werden. Der OEM oder der Anlagenbauer erspart sich dadurch aufwändige Nacharbeiten und kann die reale Inbetriebnahme in wesentlich kürzerer Zeit durchführen.

Produktion braucht Kooperation

Jenseits der Entwicklerbüros von Hersteller und OEM gibt es keine „One-Vendor-World“, sondern gemischte Umgebungen, in denen Interoperabilität und Kompatibilität gefragt sind. Damit die Tool-Chain nicht an den Fabriktoren endet, setzt sich Lenze in den Standardisierungsgremien dafür ein, dass digitaler Zwilling bzw. Verwaltungsschale auch in der Produktion und im Anlagenmanagement ohne Informationsverlust eingesetzt werden können. RAMI 4.0, eClass und BaSys 4.0 liefern die Grundlagen, die nun gemeinsam von allen Playern in einheitlicher Weise mit Leben gefüllt werden müssen. Nur so gelingt es, einen durchgängigen Informationsfluss auch in PLM-, MES- und ERP-Systeme zu gewährleisten und damit die Vorteile des Digital Engineerings auch hier zu nutzen.

Werden dann einzelne Komponenten, z. B. ein Antrieb, ein Maschinen- oder Anlagen-Modul, hinzugefügt oder ausgetauscht, stehen über den digitalen Zwilling dieser Komponente automatisiert Informationen darüber bereit, über welche Funktionen sie verfügt. Dies ist ein wichtiger Schritt hin zu Plug & Produce, das damit noch weiter geht als die frühere Vorstellung von der Entwicklung cyber-physikalischer Systeme (CPS).

Grundlagen für Services und Cloud

Daten aus dem digitalen Zwilling über die verwendeten Komponenten und Module sind wertvolle Informationen für neue Services und Geschäftsmodelle. Das gilt zum einen für den OEM, der bei Wartung und Service Level Agreements neue Wege gehen kann, beispielsweise durch die Nutzung von Remote Services oder der Zusicherung einer höheren Verfügbarkeit durch engmaschigeres Monitoring. Das gilt aber auch für den Endkunden. Maschinen und Anlagen, die ihn von selbst aus beispielsweise im Asset Management unterstützen, weil etwa Daten nicht mehr manuell eingegeben werden müssen, haben einen konkreten Mehrwert und sind daher attraktiver.
Doch noch obliegt es dem OEM, für solche Vorteile nicht nur die Grundlagen zu schaffen, sondern seine Kunden auch darüber aufzuklären, welche Chancen sich daraus ergeben, zum Beispiel in Hinblick auf IIoT-Services oder Methoden wie Big Data Analytics und Machine Learning, aber auch Condition Monitoring oder Predictive Maintenance, die ebenfalls vom Einsatz des digitalen Zwillings profitieren. Seine standardisierten Datenmodelle und -formate werden den Einsatz von Cloud-Anwendungen vereinfachen, der bislang immer noch darunter leidet, dass Informationen aus unterschiedlichen Quellen erst konvertiert und angeglichen werden müssen. Dafür benötigte Datenanalysten sind auf dem Arbeitsmarkt nur schwer zu bekommen und verursachen hohe Kosten.

Fazit

Die Vorteile des Digital Engineerings sind unbestreitbar: Reduzierung Time-to-Market beim OEM sowie der Integrationskosten beim Maschinenbetreiber, Erhöhung der Analgenverfügbarkeit, flexible Produktion hin zu Losgröße 1, lernfähige Maschinen, veränderbare Produktionen und flexible, erweiterbare Maschinensoftware sind nur einige Pluspunkte, die hier genannt werden sollen. Das größte Hindernis auf dem Weg dorthin stellen die fehlenden Werkzeuge und Standards dar.
Lenze hat es sich deshalb zur Aufgabe gemacht, standardisierte Software, Interfaces und Connectivity zu entwickeln und dem Markt bereitzustellen, um dafür zu sorgen, dass ein durchgängiger Informationsfluss gewährleistet wird – auch über die Grenzen der eigenen Angebote hinaus.
Das Unternehmen setzt dabei auf eine enge Kooperation mit seinen Kunden und Partnern. Indem frühzeitig Chancen und Wege aufgezeigt werden, will Lenze seine Kunden inspirieren, sich mit Digital Engineering als einem der wichtigsten Treiber für Innovationen im Maschinen- und Anlagenbau auseinanderzusetzen. Ihre Anforderungen und Ideen bilden die Grundlage für neue Tools und Services. So positioniert sich Lenze als Berater für die Digitale Transformation, für Industrie 4.0 und IIoT, der seine Kunden bei diesem Wandel begleitet und unterstützt.

www.lenze.com

Ein modularer Baukasten bietet die passenden mechatronischen Module für die Konstruktion der Maschinenanlage.