Sendler Industrie 4.0

Beherrschung der industriellen Komplexität mit SysLM
2013
ISBN: 978-3-642-36917-9
Verlag: Springer
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 144 Seiten

Reihe: Xpert.press

Die nächste Stufe der industriellen Entwicklung, Industrie 4.0, erfordert die Beherrschung multidisziplinärer Entwicklung und Produktion komplexer, intelligenter Systeme. Unsere Industrie ist darauf nicht vorbereitet. Organisation, Prozesse, Management - alles ist ausgerichtet auf Produkte mit nur geringem Softwareanteil. Die Unternehmenslenker müssen ganzheitliche Strategien entwickeln. Eine einfache Verbesserung einzelner Teile des Unternehmens reicht nicht aus. Neben einer allgemeinen Analyse der Situation und der daraus resultierenden Herausforderungen kommen herausragende Vertreter aus Wirtschaft und Wissenschaft zu Wort, die das Thema aus ihrer jeweiligen Sicht beleuchten.

Ulrich Sendler, geboren 1951, erhielt sein Abitur am humanistischen Ernst Moritz Arndt Gymnasium in Krefeld. Die Ausbildung zum Werkzeugmacher bei Audi Neckarsulm und zum NC-Programmierer bei Werkzeugbau Drauz in Heilbronn folgten vor dem Studium der Feinwerktechnik an der FH Heilbronn, das er 1985 mit dem Diplom abschloss. Anschließend war er in der CAD-Systementwicklung bei Kolbenschmidt in Neckarsulm, danach als Redakteur beim CAD-CAM Report, Heidelberg, tätig. Seit 1989 ist er unabhängiger Journalist, Buchautor und Technologie-Analyst im Umfeld virtueller Produktentwicklung und Produkt-Lebenszyklus-Management (PLM).

Autoren/Hrsg.

Sendler, Ulrich

Inhaltsverzeichnis

1;Vorwort;6
2;Inhaltsverzeichnis;7
3;Die Autoren;8
4;Kapitel 1;12
4.1;Industrie 4.0– Beherrschung der industriellen Komplexität mit SysLM (Systems Lifecycle Management);12
4.1.1;1.1
Große Herausforderung für einen erfolgreichen Industriestandort;13
4.1.2;1.2
Industrie 4.0– die Begriffe;16
4.1.2.1;1.2.1
Die vierte industrielle Revolution;17
4.1.2.2;1.2.2
Cyber-physical Systems oder „intelligente, technische Systeme“;19
4.1.2.3;1.2.3
Internet der Dinge und Dienste;21
4.1.2.4;1.2.4
M2M Kommunikation;22
4.1.3;1.3
Herausforderungen für Strategie und Geschäftsmodell;23
4.1.4;1.4
Herausforderungen für die Unternehmensorganisation;24
4.1.5;1.5
Herausforderung für das Prozessmanagement;25
4.1.6;1.6 Herausforderung für
Methoden und Werkzeuge;26
4.1.7;1.7
Industrielle Komplexität: von der Herausforderung zum Wettbewerbsvorteil;27
4.1.8;1.8
Für Systeme brauchen wir eine andere Aus- und Weiterbildung;28
4.1.9;1.9
Ausblick;30
5;Kapitel 2;31
5.1;Software: Die Zukunft der Industrie;31
5.1.1;2.1
Herausforderung für die Industrie im globalen Wettbewerb;32
5.1.2;2.2
Software für die Produktion der Zukunft;34
5.1.2.1;2.2.1
Software für Produktdesign;35
5.1.2.2;2.2.2
Software für Produktionsplanung;36
5.1.2.3;2.2.3
Software für Produktionsengineering;37
5.1.2.4;2.2.4
Software für die Produktion;38
5.1.2.5;2.2.5
Software für Services;39
5.1.2.6;2.2.6
Softwareintegration in allen Prozessschritten;40
5.1.3;2.3
Industrie 4.0;40
5.1.3.1;2.3.1
Die Vision;41
5.1.3.2;2.3.2
Der Weg zum Ziel;41
5.1.3.3;2.3.3
Der Faktor Mensch;43
5.1.4;2.4
Ausblick – Die Zukunft der Industrie;44
5.1.4.1;2.4.1
Konsequenzen technologischer Veränderungen;44
5.1.4.2;2.4.2
Software als Wachstumstreiber;45
5.1.5;2.5
Fazit;46
6;Kapitel 3;47
6.1;Innovationen als Basis der nächsten Industrierevolution;47
6.1.1;3.1
Einleitung;48
6.1.2;3.2
Von Industrie 1.0 zu Industrie 4.0;48
6.1.2.1;3.2.1
Mobile Computing;49
6.1.2.2;3.2.2
Social Media;50
6.1.2.3;3.2.3
Internet der Dinge (Internet of Things);52
6.1.2.4;3.2.4
Lösungsansatz;55
6.1.2.5;3.2.5
Big Data;57
6.1.2.6;3.2.6
Analyse, Optimierung und Vorhersage;58
6.1.2.7;3.2.7
Konvergenz der Technologien;59
6.1.2.7.1;3.2.7.1
Smart Factory;60
6.1.2.7.2;3.2.7.2
Smart Mobility;60
6.1.3;3.3
Schlussfolgerung und Umsetzung;61
6.1.4;3.4
Strategische Betrachtung;63
7;Kapitel 4;64
7.1;Der mittelständische Maschinenbau – flexibel und höchst innovativ auch in der Systementwicklung;64
7.1.1;4.1
VDMA-Umfrage zur Komplexität von Maschinen;65
7.1.2;4.2
Anforderungen und Herausforderungen;67
7.1.3;4.3
Das Fünf-Phasen-Modell des Lebenszyklus einer Maschinenlösung;68
7.1.4;4.4
Engineering-Werkzeuge;69
7.1.5;4.5
Demografischer Wandel, Ausbildung und Weiterbildung;72
7.1.6;4.6
Ein Studium für Studierte;74
7.1.7;4.7
Wandel zu anwendungsnaher Forschung;76
7.1.8;4.8
Projekt ENTIME als Beispiel für zukünftiges System Engineering von komplexen Systemen;78
7.1.9;4.9
Fazit;81
7.1.10;Literatur ;81
8;Kapitel 5;82
8.1;Modellbasiertes Software und Systems Engineering als Element eines durchgängigen Systems Lifecycle Managements (SysLM);82
8.1.1;5.1
Einleitung: Herausforderungen und Potenziale durchgängigen Systems Lifecycle Managements (SysLM);83
8.1.1.1;5.1.1
Vom Produkt zum System: Systems Engineering in der Produktentwicklung;84
8.1.1.2;5.1.2
Vom Produkt zum Systemlebenszyklus;85
8.1.1.3;5.1.3
Durchgängigkeit im Systems Engineering;85
8.1.2;5.2
Modellbasiertes Software und Systems Engineering: Stand;86
8.1.2.1;5.2.1
Schnittstelle;86
8.1.2.2;5.2.2
Systembegriff und -modellierung;87
8.1.2.3;5.2.3
Systemsichten;87
8.1.2.4;5.2.4
Kontext und Domänenmodellierung;87
8.1.2.5;5.2.5
Architektur;88
8.1.3;5.3
Interdisziplinäres Software- und Systems-Engineering;89
8.1.3.1;5.3.1
Systems Engineering für Cyber-Physical Systems;90
8.1.3.2;5.3.2
Die Rolle der Software;90
8.1.3.3;5.3.3
Interdisziplinäres modellbasiertes Software- und Systems-Engineering;90
8.1.3.4;5.3.4
Vereinheitlichung des Vorgehens;91
8.1.4;5.4
Systems Lifecycle Managements (SysLM);91
8.1.4.1;5.4.1
Systems Lifecycle;91
8.1.4.2;5.4.2
Requirements Engineering;92
8.1.4.3;5.4.3
Architekturentwurf;92
8.1.4.4;5.4.4
Integrierte Werkzeugunterstützung;93
8.1.5;5.5
Vom Product Lifecycle Management zum Systems Lifecycle Management (SysLM/PLM);93
8.1.5.1;5.5.1
Kosten-, Innovations- und Komplexitätsbeherrschung in der Systementwicklung;94
8.1.5.2;5.5.2
Umsetzung: Architekturzentrierte Systemmodellierung;94
8.1.6;5.6
Elemente eines zukunftsorientierten System-Lifecycle-Managements;95
8.1.6.1;5.6.1
Artefaktorientierung;95
8.1.6.2;5.6.2
Architekturmodelle als Basis für Artefaktstrukturierung;96
8.1.7;5.7
Abschließende Bemerkungen;97
8.1.8;Literatur;98
9;Kapitel 6;99
9.1;Modellbasierte Virtuelle Produktentwicklung auf einer Plattform für System Lifecycle Management;99
9.1.1;6.1
Ausgangssituation;100
9.1.2;6.2
Disziplinspezifische Vorgehensmodelle für die Produktentwicklung;101
9.1.3;6.3
Diziplinübergreifende Vorgehensmodelle aus der Mechatronik und dem Systems Engineering;104
9.1.4;6.4
Erweitertes MBSE Vorgehensmodell der TU Kaiserslautern ;109
9.1.5;6.5
Die Abbildung des MBSE Ansatzes in der frühen Phase auf SysML;112
9.1.6;6.6 Inhalt eines funktionalen Pro
duktbeschreibungsmodells;113
9.1.7;6.7
SysLM Datenmodell für MBSE;114
9.1.8;6.8
Zusammenfassung;115
9.1.9;Literatur;116
10;Kapitel 7;119
10.1;Das Ziel Digital Enterprise: die professionelle digitale Abbildung von Produktentwicklung und Produktion;119
10.1.1;7.1
Digital Enterprise Plattform;121
10.1.1.1;7.1.1
Globalisierung, Umwelt und Nachhaltigkeit rufen nach dem Digital Enterprise;122
10.1.1.2;7.1.2
Das Digital Enterprise erfordert große gemeinsame Anstrengungen;123
10.1.2;7.2
Barrieren überwinden;124
10.1.2.1;7.2.1
Mächtige Dateninseln: PLM, MES, SCM, DF, ERP;125
10.1.2.2;7.2.2
Die Ingenieurdisziplinen zusammenführen;126
10.1.3;7.3
Die Unterschiede der Industrien;127
10.1.3.1;7.3.1
Massenfertigung;128
10.1.3.2;7.3.2
Einzelfertigung;129
10.1.4;7.4
Datendurchgängigkeit erfordert Standards und offene, mobile Systeme;130
10.1.5;7.5
Siemens bietet Infrastruktur und Werkzeuge;131
11;Kapitel 8;133
11.1;Die Konnektivität als Kernmerkmal von Premium-Fahrzeugen;133
11.1.1;8.1
Innovationen und Funktionen im Fahrzeug;134
11.1.2;8.2
Systemsicht;136
11.1.2.1;8.2.1
Model View Controller;136
11.1.2.2;8.2.2
Systemarchitektur;138
11.1.2.3;8.2.3
Softwarearchitektur;139
11.1.3;8.3
Use Cases auf der Basis der neuen Systemlösungen;140
11.1.3.1;8.3.1
Use Cases aus Kundensicht;140
11.1.3.2;8.3.2
Use Cases aus Firmensicht;143
11.1.3.3;8.3.3
Der nächste Schritt: Context Aware Systems;144
11.1.4;8.4
Herausforderungen;145
11.1.4.1;8.4.1
IT Security & Datensicherheit;145
11.1.4.2;8.4.2
Übergreifende Prozesse und Tools;147
11.1.4.3;8.4.3
Content;148
11.1.5;8.5
Fazit;152

Leseproben

2 Software: Die Zukunft der Industrie (S. 21-22)

Siegfried Russwurm

Zusammenfassung

Um zukunftsfähig zu bleiben, müssen Industrieunternehmen mehr denn je ihre Produktivität steigern, energie- und ressourceneffizienter arbeiten und ihre Flexibilität erhöhen. Nur so können sie gleichzeitig Kosten senken, Markteinführungszeiten reduzieren und die steigende Nachfrage nach höherer Produktvielfalt und Produktindividualisierung befriedigen. Das erfordert ständig effizientere Produktions- und Geschäftsprozesse – um eine hoch flexible Großserienfertigung („Mass Customization“) zu ermöglichen, um Kunden und Geschäftspartner optimal in immer komplexere Wertschöpfungsnetzwerke zu integrieren und um die Produktion noch stärker mit hochwertigen Dienstleistungen zu verbinden.

Nach Jahrzehnten der Optimierung bewährter Fertigungsprozesse steht die produzierende Industrie vor einem Paradigmenwechsel: Die zunehmende Verschmelzung von virtueller und realer Fertigungswelt durch modernste industrielle IT und Software wird die Art zu produzieren grundlegend verändern. Daran besteht genauso wenig Zweifel wie an der Tatsache, dass die Entwicklung und der intelligente Einsatz von leistungsstarker industrieller Software zum bestimmenden Faktor für die Fertigungs- und Prozessindustrie werden wird. In vielen Bereichen ist das bereits heute der Fall. Die Zukunft einer Branche und eines einzelnen Unternehmens entscheidet sich also immer weniger allein in den Werkshallen. Vielmehr wird auch die Leistung der Softwareingenieure maßgeblich sein, deren Systeme es erst ermöglichen, sämtliche Produktionsschritte miteinander wie auch mit betriebswirtschaftlichen Ebenen und mit allen Wertschöpfungsstufen außerhalb des eigenen Unternehmens zu verknüpfen. Die zunehmende Verschmelzung der virtuellen und realen Welt durch industrielle Software birgt ein derart großes Produktivitätspotenzial, dass zukunftsorientierte Produktionsbetriebe diesem Thema oberste Priorität geben werden.

2.1 Herausforderung für die Industrie im globalen Wettbewerb

Lange Zeit war die Welt der Industrie recht übersichtlich strukturiert: Hochtechnologie wurde vor allem in westlichen Ländern entwickelt und gefertigt. Und einfache Massenprodukte – auch für die westliche Welt – entstanden zu einem großen Teil in Niedriglohnländern, vor allem in Asien. Die Innovationszyklen für technisch anspruchsvolle Produkte waren planbar, die Absatzmärkte und deren Entwicklung weitgehend vorhersehbar, der Individualisierungsgrad bei Serienprodukten vergleichsweise gering. Das Prinzip der Economies of Scale (Kostenvorteile in der Produktion durch Größe und Masse) hatte sich genauso bewährt wie das der Economies of Scope (Kostensynergien durch breites Produktportfolio). Aufträge mit kleinsten Losgrößen übernahmen in vielen Fällen spezialisierte kleine und mittlere Unternehmen.

Es war eine Zeit, in der Produktivitätsgewinne vor allem durch die Optimierung bestehender Prozesse erzielt wurden, durch einen höheren Automatisierungsgrad in der Fertigung, durch besseres Design, Senkung der Lohnkosten oder etwa eine Verbesserung des Supply Chain Managements. Mit fortschreitender Globalisierung, zunehmender Ressourcenknappheit, steigenden Energiepreisen und gravierenden Technologiesprüngen hat sich diese Situation inzwischen fundamental verändert. Das Volumen des weltweiten Außenhandels ist in den vergangenen 60 Jahren um mehr als das Zwanzigfache gestiegen. Einerseits profitieren Industrieunternehmen davon, denn sie erhalten Zugang zu größeren Absatzmärkten. Andererseits hat sich dadurch der Wettbewerb aber auch erheblich verschärft. Unternehmen müssen immer günstiger, schneller und qualitativ hochwertiger fertigen und vorausschauender agieren. Ihre Wertschöpfungsketten verlaufen heute über Standort- und Unternehmensgrenzen hinweg, aber auch über Ländergrenzen und sogar Zeitzonen. Das Wettbewerbsumfeld hat sich für sie also signifikant verändert, und die Komplexität von Geschäftsmodellen steigt täglich.

Deutlich ist das zum Beispiel bei der Automobilindustrie: Der Wertschöpfungsanteil eines Autoherstellers beträgt im Produktionsbereich derzeit durchschnittlich rund 35 %. Nach einer Studie der Unternehmensberatung Oliver Wyman und des Verbands der Automobilindustrie (VDA) wird er bis zum Jahr 2025 um knapp ein Fünftel auf dann 29 % sinken.

Der F&E-Wertschöpfungsanteil wird sich sogar von heute 60 auf dann 47 % reduzieren, der von Engineering-Dienstleistern sich hingegen von 9 auf 17 % fast verdoppeln. Die Zusammenarbeit der Partner innerhalb einer Wertschöpfungskette unterliegt somit einem deutlichen Wandel. Aber auch die Strukturen der Wertschöpfungsketten selbst verändern sich. Handelt es sich bei diesen derzeit überwiegend um eine vertikale Integration über die einzelnen Zulieferstufen hinweg, gestalten sich diese vertikalen Ketten zunehmend zu Wertschöpfungsnetzwerken, die auch die horizontale Integration entlang der Geschäftsprozesse Engineering, Produktion, Montage, Distribution, Sales und Service beinhaltet. In ihnen werden über die Grenzen einzelner Unternehmen hinweg Daten ausgetauscht und...