Systems Engineering - AUCOTEC

Grundlage des Whitepapers war ein Gespräch mit Reinhard Knapp, seit 1989 bei der AUCOTEC AG in Hannover, zunächst als Entwicklungsleiter, seit 1996 als Produktmanager. Er hat schon die Zeit mitgestaltet, als AUCOTEC noch, wie er sagt, eine One-Product-Company war, nämlich mit Elcad.

Heute ist Reinhard Knapp zuständig für die Produktstrategie, die seit einigen Jahren hauptsächlich auf die IT-Unterstützung des Systems Engineering fokussiert.

In Stichworten:

  • Das aktuelle Produkt von AUCOTEC ist Engineering Base, eine Plattform, die von vornherein auf Systems Engineering ausgelegt wurde. Hier steht nicht mehr der Schaltplan im Vordergrund, er ist nur eine von mehreren möglichen Darstellungen eines Systems.
  • Systems Engineering ist für AUCOTEC seit mehreren Jahren ein hochgradig strategisches Thema. Das Unternehmen geht davon aus, dass die Industrie erst in den Anfängen der Nutzung steckt und Systems Engineering für alle Beteiligten noch immenses Potenzial birgt.
  • Wichtigste Zielmärkte sind die Branchen mit beweglichen Produkten: vom Kfz und Nutzfahrzeug über das Schiff, Flugzeug und den Zug bis hin zur Rakete und zum Satelliten. Daneben finden sich zahlreiche wichtige Kunden aus der Prozessindustrie und dem Anlagenbau.
  • Das Hauptaugenmerk von AUCOTEC gilt der Komplettvernetzung der elektrischen und elektronischen Komponenten dieser Produkte. Von der Anforderung bis zur Simulation und Validierung.
  • Für die kommenden Jahre steht die Umsetzung des Vehicle Electric Containers (VEC) mit Engineering Base auf der Agenda.
  • Langfristig setzt AUCOTEC darauf, dass mit Hilfe von Engineering Base nicht mehr dokumentenbasiert und hauptsächlich auf die Grafik bezogen gearbeitet wird, sondern durch direkte Nutzung aller Informationen und Beziehungen sämtlicher Komponenten eines Systems.

Systems Engineering, und was es mit PLM zu tun hat

Die Bedeutung des Systems Engineering

Als Ende der Neunzigerjahre Engineering Base entwickelt wurde, begann die Methode der rein grafischen Datenverarbeitung in den Augen der Entwickler an ihre Grenzen zu stoßen. Durch Anhängen von Attributen an eine Zeichnung ließen sich zunehmend komplexe Systeme wie die Bordnetze von Autos oder gar von Flugzeugen, an denen in größeren Projektgruppen gleichzeitig von vielen Mitarbeitern gearbeitet wurde, nicht mehr abbilden. Die E/E-Entwicklung brauchte eine Plattform, bei der die Beziehungen zwischen den Komponenten die Hauptsache, die konkrete Darstellung eher Nebensache war. Der Anstoß dazu kam von den Kunden, in deren Produkten die E/E-Komponenten eine ständig zunehmende Rolle spielten. Anfangs noch vor allem im Zusammenspiel mit der Mechanik. Aber in den letzten Jahren hat die Software eine führende Rolle übernommen.

Auch innerhalb der einzelnen Subsysteme steht nun nicht mehr die Geometrie oder ein bestimmtes Gerät im Mittelpunkt, sondern die Vernetzung. Ein Fensterheber im Auto ist vernetzt mit dem Schließsystem der Tür und selbst ein komplexes Subsystem. Die Verkabelung dieses Systems und seine Verbindung mit den angrenzenden Systemen ist dabei nicht mehr das Ausschlaggebende. Vor der Hardware rangiert vielmehr ihre Funktion, und zwar im Zusammenhang mit der Funktion des übergeordneten Systems.

Deshalb ist Systems Engineering auch für einen Anbieter von Engineering IT mit dem Schwerpunkt auf E-Technik von strategischer Bedeutung. Keine der an moderner Systementwicklung beteiligten Fachdisziplinen kann sich diesem Trend entziehen. Standardsoftware für das Engineering muss sich in jedem Fachbereich künftig daran messen lassen, wie gut sie das Systems Engineering unterstützt. Dass sie die fachspezifischen Aufgaben beherrscht, wird als selbstverständlich vorausgesetzt.

Systems Engineering und PLM

Produkt-Lebenszyklus-Management hat sich aus der – eigentlich muss man sagen: früheren – Hauptdisziplin des Maschinenbaus entwickelt. Die Beherrschung der Mechanik, ihrer geometrischen Gestalt und Kinematik, der Aufbau und das Management einer vollständigen Produktstruktur, die schließlich in die Fertigungsstückliste mündet, war der Ausgangspunkt für das Produktdatenmanagement – die Keimzelle von PLM. Erst in jüngster Zeit, in den letzten zwei oder drei Jahren haben die großen Systeme der PLM-Anbieter begonnen, sich auch um die Beziehungen zwischen der Mechanik und den nichtmechanischen Komponenten zu kümmern. Reinhard Knapp: „Das Element ‚Leitungsstrang‘ ist bei diesen Systemen noch ziemlich jung.“

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(Kabelbaumfertigung, Bild: AUCOTEC)

In der E-Technik und Elektronik dagegen spielten die Beziehungen zwischen den Komponenten schon immer eine große Rolle. Die Logik dieser Beziehungen und die Funktion der einzelnen Bauteile waren das Ziel bei der Entwicklung des Kabelbaums und all seiner Verästelungen. Deshalb war bei der Entwicklung von Engineering Base die hinter den Teilen liegende relationale Datenbank von vornherein ein integraler Bestandteil der Plattform.

Wenn PLM künftig auch die Entwicklung von E/E und Software und das Management aller in diesen Disziplinen entstehenden Daten umfassen soll, dann muss klar sein, dass es sich nicht nur um die Integration von Bauteilen in eine Stückliste handelt, sondern von Subsystemen mit einem fachspezifisch bereits gut beherrschten Beziehungsgeflecht.

AUCOTEC unterstützt beides: die Arbeit mit Engineering Base als Autorensystem, dessen Resultate dann in ein großes PLM-System eingehen; aber auch die umfassende Nutzung der Datenbank als eigenständiges, leichtgewichtiges, fachspezifisches PLM in Verbindung mit dem Autorensystem.

Fahrzeuge und andere bewegliche Produktsysteme

Der Reifegrad methodischer Systementwicklung ist in den unterschiedlichen Branchen der Fertigungsindustrie keineswegs einheitlich ausgeprägt. Sie haben zu verschiedenen Zeitpunkten damit begonnen, und in ihren Produkten spielt das System eine unterschiedliche Rolle.

tl_files/plm/img/Hintergrundtexte/AUCOTEC/Dscn0325.jpg(Satellitenentwicklung, BIld: AUCOTEC)

Die ideale Aufgabenstellung für eine Top-down-Entwicklung ist die grundlegende Neuentwicklung eines einzelnen Systems. Das gibt es aber nur in wenigen Spezialbereichen, etwa in der Raumfahrt und im Satellitenbau, wo ja auch die Ursprünge des Systems Engineering lagen. Dort ist dann manchmal nur ein einziges M-CAD-System neben Engineering Base implementiert. In diesen Fällen stehen die Erfassung der Anforderungen und die Definition der Funktionen am Beginn des Systementwurfs, der dann auf die Subsysteme herunter gebrochen wird. Damit ist vom ersten Konzept an ein Systemmodell verfügbar, an dem sich die weitere Entwicklung messen lässt, auf das sich Tests und Simulationen beziehen können, und das eine Validierung der entwickelten Hard- und Software gestattet.

Hier beginnt die Systementwicklung mit einem funktionalen Blockdiagramm, dem ein physikalisches Blockdiagramm folgt. Wenn im weiteren Verlauf die Aufteilung der Leitungsstränge und die Verbindung mit den diversen Geräten vorgenommen werden, dann geschieht dies innerhalb eines einzigen Datenmodells, das die signaltechnische Vernetzung ebenso beinhaltet wie die Topologie, und das dann auch erlaubt, beispielsweise den Spannungsabfall in einer Leitung über alle Trennstellen zu simulieren. Ein herausragender Kunde von AUCOTEC in diesem Umfeld ist beispielsweise Astrium, und zwar in der Entwicklung von Satelliten und Teilen der Trägerrakete. Eine enge Zusammenarbeit gibt es auch mit dem Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart (IRS).

In Branchen wie der Automobilindustrie sieht es völlig anders aus. Fahrzeugentwicklung heißt in der Regel Änderung vorhandener Typen, Bildung von Varianten, Ersetzen von mechanischer durch E/E- und Softwarefunktionalität oder Hinzufügen von neuer Funktionalität durch neue Systeme. Und dies mit dem Blick auf die millionenfache, weitgehend automatisierte Fertigung. In den verschiedenen Abteilungen sind stets viele Systeme unterschiedlicher Hersteller im Einsatz, und dies sowohl in der Mechanik als auch in den anderen Disziplinen. Hier ist ein Top-Down-Ansatz nur in seltenen Ausnahmefällen denkbar. Aber Systems Engineering hilft dabei, gerade die Variantenvielfalt der Fahrzeugtypen zu beherrschen. Das komplette Bordnetz des aktuellen Porsche 911 beispielsweise wurde vollständig mit Engineering Base entwickelt.

Ein einzelnes Fahrzeug hat keine individuelle Dokumentation. Die Planung geht stattdessen von sogenannten 150 Prozent von Funktionen und verbauten Komponenten aus, die aber tatsächlich nie alle gemeinsam zum Tragen kommen. Der konkrete Kundenwunsch wird vielmehr in eine Stückliste umgesetzt, die nur noch die Teile enthält, die zu diesem Wunsch benötigt werden.

Nochmals anders ist es im Flugzeugbau. Hier gibt es zwar auch Serienfertigung, aber jedes einzelne Flugzeug muss seine komplette, individuelle Dokumentation haben.

Engineering Base gestattet den Kunden immer, eine individuelle Dokumentation der Systeme zu erstellen, die auf dieser Plattform entwickelt wurden. Denn hier sind alle tatsächlich genutzten Beziehungen zwischen den einzelnen Elementen des Systems definiert, die Dokumentation jeder konkreten Variante – mit Stereo-Anlage oder ohne, mit Navigationssystem oder ohne – kann automatisch daraus abgeleitet werden.

Anlagenbau

Auch die Prozessindustrie und der große Anlagenbau denken längst in Systemen, auch wenn selten von Systems Engineering, von Systemen und Subsystemen gesprochen wird. Eher von Blöcken und Teilanlagen. Große Anlagen haben eine extrem lange Lebensdauer. Und in dieser Zeit leben sie – im Unterschied zu Fahrzeugen – tatsächlich. Sie verändern sich über die Zeit. Hier kommt ein Block hinzu, dort wird einer durch einen moderneren ersetzt. Bei Anlagen  spielt die Dokumentation wieder eine andere Rolle, die sich in den letzten Jahren im Zuge des zunehmenden Einsatzes von Systems Engineering verändert. Bis vor einigen Jahren war es nämlich die Regel, dass es drei, vier, manchmal fünf Jahre brauchte, bis die Dokumentation den Zustand ‚as built‘ wirklich abbilden konnte. Heute ergibt sie sich – beim Einsatz von Engineering Base – automatisch und zeitgleich mit der Abnahme der Entwicklungsdaten.

Manche Kunden von AUCOTEC nutzen Engineering Base dabei tatsächlich umfassend für das Produkt-Lebenszyklus-Management. Dann verknüpfen sie auch die Software, zum Beispiel die der Anlagensteuerung, unmittelbar mit den signaltechnischen Komponenten.

Methodik und nächste Schritte

Anforderungsmanagement

Ausgangspunkt allen Systems Engineerings sind die funktionalen Anforderungen oder Requirements. In der Luft- und Raumfahrt und auch in der Automobilindustrie hat sich dafür der Einsatz von Doors und anderen Standardsoftwareprodukten durchgesetzt. Aber aus Sicht von Reinhard Knapp sind die damit erfassten und verwalteten Anforderungen nur in den seltensten Fällen auch verknüpft mit den nachfolgenden Schritten der Entwicklung. Die Anforderungen und das Requirements Engineering führen ein Eigenleben, das meist gründlich von der eigentlichen Systementwicklung getrennt verläuft.

Hier sieht AUCOTEC ein großes Potenzial, das allerdings nur gehoben werden kann, wenn die Kunden den Nutzen für sich erkannt haben. Reinhard Knapp: „Das Problem ist die Granularität der Anforderungen. So wie sie zunächst erfasst und beschrieben werden, befinden sie sich auf einer sehr hohen Abstraktionsebene. Unmittelbar für die Systementwicklung zu brauchen sind sie, wenn sie die Konkretionsebene des Gerätes oder des Subsystems erreicht haben. Also wird hier oft die Arbeit nochmals gemacht, und die Anforderungen und Funktionsdiagramme neu und mit der notwendig feinen Granularität definiert. Aber die Komponenten und die Hardware, die darauf aufbauend entwickelt werden, haben in der Regel keinen direkten und überprüfbaren Bezug mehr zu den ursprünglichen Anforderungen auf oberster Ebene.“

Alles aus einer Hand?

Auf die Frage, ob Systems Engineering eine offene IT-Landschaft erfordert oder besser mit vollständig integrierten Systemen zu realisieren ist, gibt es bei AUCOTEC eine doppelte Antwort. Einerseits sei klar, dass nur mit einem durchgängigen Datenmodell auch wirklich eine Validierung, wie sie etwa das V-Modell vorsieht, möglich ist. Insofern seien die schönsten Anwendungen natürlich die, bei denen von den Anforderungen bis zum Test alles in Engineering Base umgesetzt werden könne. Aber auf der anderen Seite seien dies auch die großen Ausnahmen, denn fast nirgends gibt es nur ein oder zwei Systeme im Einsatz, überall ist die IT-Landschaft in vielen Jahren gewachsen, und das ist die normale Ausgangssituation für Systems Engineering.

Weil das so ist, gibt es aus Sicht von AUCOTEC ein großes Interesse, standardisierte Systembeschreibungen anzustreben. Für den Bereich der signaltechnischen Vernetzung, für die Bordnetze in der Automobilindustrie, ist das Unternehmen deshalb aktiv an der Entwicklung des Vehicle Electric Container (VEC) beteiligt, den der VDA zusammen mit dem ProSTEP iViP Verein entwickelt.

Reinhard Knapp: „Wenn mit dem VEC die Standardobjekte, die Leitungen, die Stecker, die Befestigungselemente, die Topologie und die Funktionen einmal definiert sind, ist ein einfaches Mapping unserer Engineering Base Objekte darauf völlig ausreichend. Dann benötigen wir nicht zu jedem beteiligten System eine aufwendig zu pflegende Schnittstelle. Das, was der ProSTEP iViP Verein hier macht, ist wie ein Klebstoff, den wir für die Zusammenarbeit der vielen Tools im Systems Engineering brauchen.“

Nächste Schritte

Nicht von ungefähr ist deshalb einer der wichtigsten Schritte für die kommenden Jahre die praktische Umsetzung des VEC mit Engineering Base. Hierzu ist ein größeres Pilotprojekt mit einem der deutschen Automobilhersteller vereinbart, das 2012 startet und 2013 abgeschlossen sein soll.

Im Übrigen sieht Reinhard Knapp, wenn er ein wenig weiter in die Zukunft schaut, eine Zeit kommen, in der für viele Aufgaben der Systementwicklung möglicherweise ganz auf die Erstellung von grafischen Plänen verzichtet werden kann. Schließlich sind alle Informationen, geometrische und grafische Darstellungen ebenso wie alphanumerische, in Engineering Base logisch und funktional miteinander verknüpft. Also könnten alle Entwicklungsschritte auch unmittelbar und weitgehend automatisiert aus diesen Daten abgeleitet werden.

Aber das ist etwas, von dem die Anwender sich erst überzeugen müssen. Schließlich haben sie in langen Jahrzehnten gelernt, über Schaltpläne und grafische Darstellungen zu kommunizieren. Für AUCOTEC liegt hier ein enormes Potenzial, das bisher aber nur von sehr wenigen ausgeschöpft wird.

© PLMportal

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