Top Down-Ansatz für Systems Engineering

Besonders bei komplexen, hochpreisigen Systemen mit hohen Anforderungen an Technologie und Sicherheit wie in der Luft- und Raumfahrt wird der Top Down-Ansatz des Systems Engineerings angewendet. Aber auch beim Entwurf von kompakten, integrierten Systemen ist diese Vorgehensweise üblich. So werden beispielsweise medizintechnische Geräte wie Röntgen- oder Kernspin-Apparate oder Digital Printer für die Druckindustrie, Geld- und andere Handhabungs-Automaten ebenfalls hierarchisch strukturiert geplant und dokumentiert. Ihnen gemeinsam ist der Umstand, dass sie eher Elektronik-Komponenten enthalten als klassische E-Technik, also in der Regel keinen Schaltschrank benötigen. Die Verkabelung läuft über interne Leitungsstränge, ähnlich wie in Fahrzeugen.

Die Aucotec AG, Hannover, hat mit ihrem Software-System Engineering Base (EB) eine Lösung geschaffen, die die hierarchische Struktur des Top Down-Designs konsequent unterstützt. Dabei schafft EB eine Konsistenz der Daten, denn von der ersten Vorplanung bis zur detaillierten Verkabelung stehen alle Informationen im Anlagenmodell der Datenbank durchgängig navigierbar zur Verfügung. Alle einmal erstellten Objekte lassen sich sowohl für die weitere Detailbearbeitung in einer Untereinheit als auch für ein neues Projekt wiederverwenden. So werden Irritationen bei den Prozessübergängen und Fehleingaben vermieden, alle logischen Beziehungen, vom Einstrichschema bis zur Detailverdrahtung, sind nutzbar. Jeder Stecker, jede Leitung ist von Anfang bis Ende verfolgbar und das System lässt den Anwendern überdies die freie Wahl, ob sie rein grafisch oder alphanumerisch arbeiten oder beides kombinieren möchten.

Definition der Systeme und Subsysteme

Das klassische Systems Engineering gliedert sich in vier Bereiche: angefangen bei der Definition der Systeme und Subsysteme über die baulichen Infrastruktur und die anschließende Festlegung der Verdrahtungsinformationen bis zum Design der mechanischen Details des Kabelstrangs. Bei EB bauen die Informationen eines jeden Bereichs auf den bereits in der Stufe davor erarbeiteten Daten auf. Nichts muss mehr doppelt eingegeben werden.

Bei der Systemdefinition geht es um eine Übersicht über die einzelnen funktionellen Einheiten einer Anlage oder Teilanlage, noch nicht um konkrete Geräte. Hier erfolgt die Einordnung der unterschiedlichen Funktionsbausteine in die hierarchische Struktur. Dabei kann sich der Planer aussuchen, ob er die verschiedenen Einheiten (z. B. Kontrollsystem, Bedieneinheit oder Elektronik) grafisch per funktionalem Blockdiagramm oder lieber alphanumerisch über den Objektbaum aufbaut. Außerdem hat er die Möglichkeit, Daten aus externen Werkzeugen, etwa einem Requirements Management Tool, zu importieren. In diesem Fall würde EB die vordefinierten Anforderungen nicht nur lesen, sondern kann vorgegebene funtkionale Strukturdaten für sein Projekt übernehmen.

Die bauliche Struktur

Im zweiten Schritt werden die Funktionsbausteine mit den erforderlichen Geräten bestückt. Auch die dazugehörigen Leitungsstränge und Stecker werden an dieser Stelle festgelegt. Die physische Platzierung der sogenannten Bauräume mit ihren Boxen oder Montagetafeln steht im Fokus. Das geschieht entweder grafisch im „physical block diagram“ oder alphanumerisch im hierarchischen Objektbaum oder in den Arbeitsblättern. So ist beispielsweise die Hierarchie eines Steuergerätes innerhalb einer Box innerhalb eines Bauraums zu erkennen oder ein Kabel innerhalb eines Systems oder Bauraums inklusive aller Stecker. Auch an dieser Stelle können externe Daten etwa aus dem PLM importiert und verwaltet werden.

Logische Verdrahtungsinformationen

In dieser Planungsphase werden die Verbindungsdetails entweder in unterschiedlichen Ansichten der Verdrahtungspläne grafisch festgelegt oder alphanumerisch in Listen. Dazu hat Aucotec einen Assistenten entwickelt, der absolut konsistent das Erarbeiten und Dokumentieren aller gewünschten Verbindungen inklusive der Logiken unterstützt. Auch hier bestimmt der Nutzer selbst, wie er vorgehen möchte, grafisch oder in Listen. Und da EB auch jede erdenkliche Norm unterstützt, ist die entsprechenden symbolische Darstellung jederzeit anpassbar. Die Belegung der Leitungen, die enthaltenen Drähte und Stecker lassen sich relativ schnell definieren, weil die Geräte und ihre Platzierungen ja bereits in der Vorphase festgelegt wurden. Auch hier wäre es dank EBs Offenheit alternativ möglich, Verdrahtungsinformationen aus einem externen Tool zu importieren.

Die mechanischen Kabelstrangdetails

Am Ende des Systems Engineering-Prozesses steht die Verknüpfung der physischen 3D-Leitungs-Daten mit den 2D-Leitungsstrang-Informationen. Dazu sendet EB die Geräteinformationen an das 3D-System. Dort werden die Kabelbündel und Stecker platziert. Einzelne Leitungen in einem 3D-System zu verlegen bedeutet sehr viel Aufwand, daher gibt der Mechanik-Profi in der Regel die Kabelstrangstruktur samt Topologie zurück an EB, das dann die Kabelwege und –längen routet. Dabei berücksichtigt das System auch mögliche Unverträglichkeiten, so dass nicht Antriebs- und Steuerungskabel im selben Kanal verlegt werden. Schließlich gibt EB die Durchmesser der verschiedenen Kabelbaum-Segmente an das 3D-Modell zurück. In beiden Planungssystemen lassen sich überdies die Kabelstrang-Pläne mit mechanischen Halteteilen oder Schutzzubehör wie Tape oder Rohre vervollständigen. Wo sie angelegt werden, steht den Anwendern frei, in jedem Fall muss die Vervollständigung nur einmal gemacht werden, denn das andere System übernimmt diese Informationen per Mausklick.

Integration gewinnt

Mit seinem Freigabemanagement kann EB sämtliche Informationen zu den Leitungssträngen in einzelnen Paketen zur Archivierung an das PLM übergeben. Abgesehen von signifikanter Zeit- und Ressourcen-Ersparnis durch deutlich weniger Aufwand für das Systems Engineering schafft diese Lösung auch einen Qualitätsgewinn, da alle einmal erarbeiteten Elemente gleichzeitig Ausgangspunkt für die nächste hierarchische Stufe sind. So gibt es keine Missverständnisse, keine langwierigen Abstimmungen zwischen den Planungsbeteiligten und deutlich weniger Fehlerquellen.

Zuwachs an Flexibilität

Langjährige Erfahrungen in den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie Schiffbau haben den Hannoverschen Software-Entwicklern gezeigt, dass dort besonders der dokumentenorientierte Freigabeprozess, die sichere Einbindung der Software in Unternehmensprozesse und die Durchgängigkeit geschätzt werden. Entscheidend für Qualität und Schnelligkeit ist jedoch vor allem, dass mit Engineering Base das Gesamtsystem in übersichtlichen, unabhängigen Teilprojekten erarbeitet und freigegeben werden kann, betonen Aucotec-Kunden. Bei der Wiederverwendung solcher Teilprojekte müssten nur die Verknüpfungen angepasst werden. Der für die Systembetreiber konzipierte Mechatronik Explorer fasst am Ende dann praxisgerecht alle Einzelprojekte durchgehend und navigierfähig zu einer kompletten Endkunden-Dokumentation zusammen. -sg-

Johanna Kiesel, Aucotec, Hannover

Aucotec, Hannover, Tel. 0511/6103-0, http://www.aucotec.de

Hannover Messe: Halle 7, Stand B28