Zukunftsallianz Maschinenbau e.V.

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Zukunftsfeld Technologie Modellbildung und Simulation im Kontext intelligenter technischer Systeme

24.01.2017

Entwickler müssen komplexere Lösungen in immer kürzerer Zeit bereitstellen. Zur Bewältigung ihrer Aufgaben und Herausforderungen benötigen sie adäquate Methoden.

In den letzten Jahren hat der Begriff „Industrie 4.0“ die Forschung und Industrie dominiert: Industrie 4.0 fasst Technologien zusammen, die intelligente technische Systeme (ITS) nutzen, um eine höhere Wertschöpfung in Anwendungen, wie zum Beispiel der Produktion, zu erreichen. ITS zeichnen sich durch einen hohen Vernetzungsgrad, eine komplexe Funktionsintegration sowie eine robuste, vorausschauende und adaptive Verhaltensweise bei gleichzeitig hohem Bedienkomfort aus.

Es ist ersichtlich, dass solch steigende Komplexität ebenfalls durch den Entwurfsprozess für diese cyber-physischen Systeme (CPS) berücksichtigt werden muss. Adäquate Methoden unterstützen die einzelnen Spezialisten bei der Bewältigung ihrer Aufgaben und Herausforderungen.

Strukturiertes Konzipieren: Systems Engineering

Einen bewährten Ansatz bietet das Systems Engineering, welches für interdisziplinäre Aufgaben entwickelt wurde. Das Vorgehen bietet insbesondere für Teams aus unterschiedlichen Fachbereichen eine gemeinsame Kommunikationsgrundlage und reduziert damit mögliche Kommunikationsprobleme zwischen den einzelnen Disziplinen. So können gemeinsam Anforderungen für das ITS erarbeitet werden, da diese häufig fachübergreifend definiert werden müssen.

Nach Festlegung der Anforderungen kann das System iterativ entworfen und ausgearbeitet werden. Für dieses Stadium der Entwicklung bietetsich eine weiterführende Modellbildung und Simulation der einzelnen Systeme an. So kann das physikalische Verhalten der Systeme mithilfe angepasster Simulationen abgeschätzt und bereits im frühen Stadium mit den Anforderungen abgeglichen werden. Mehrkörpersimulationen oder auch eine Simulation des Steuergerätecodes sind mögliche Einsatzbeispiele.

Zeit- und Kostenersparnis: Virtuelle Inbetriebnahme

Insbesondere letzteres bietet die Möglichkeit der virtuellen Inbetriebnahme mit XiL-Techniken (X-in-the-Loop). Hier wird zunächst das Verhalten des Steuergeräts abgebildet und in einer Simulation gegen ein komplexes Prozessmodell getestet (Model-in-the-Loop). Anschließend wird der Code kompiliert und unter Echtzeitbedingungen gegen ein echtzeitfähiges Prozessmodell validiert (Software-in-the-Loop). Dieser Code wird dann auf ein reales Steuergerät übertragen und wieder gegen das echtzeitfähige Modell erprobt.

Die Vorteile dieses Vorgehens liegen auf der Hand: Es können reproduzierbare Tests auch in kritischen Bereichen des Systems durchgeführt werden. Weiterhin können in das System künstlich Fehler injiziert werden, um ein akkurates Verhalten des Steuergeräts zu überprüfen. Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens ist jedoch die Zeitersparnis, welche durch die Wiederverwendung der Modelle aus Entwurf und Ausarbeitung gewährleistet wird. Eine händische Übertragung von Flussdiagrammen in Steuergerätecode entfällt.

Die Entwicklung intelligenter mechatronischer Systeme erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen den einzelnen Fachdisziplinen. Die Grundlagen hierfür bilden das Systems Engineering sowie die Modellbildung und Simulation. Dadurch kann das gewünschte Verhalten des Systems bereits in frühen Entwicklungsphasen sichergestellt werden.

Der notwendige Prototypenbau wird so auf ein Minimum reduziert und die Zeit bis zur Marktreife (Time-to-market) deutlich verringert. In der Betriebsphase können die Modelle zum Beispiel als Bestandteile einer virtuellen Sensorik oder von CPS-Funktionen wie Predictive Maintenance weiterverwendet werden.

Mehr dazu erfahren Sie im Whitepaper.

Bildergalerie

  • „ Die Entwicklung intelligenter technischer Systeme zeichnet sich durch stetig steigende Komplexität und hohe interdisziplinäre Zusammenarbeit aus. Zur Bewältigung dieser Herausforderungen entwickeln wir am Fraunhofer IEM Entwurfsmethoden, die bereits frühzeitig das komplexe Systemverhalten absichern.“ Prof. Dr.-Ing. Ansgar Trächtler, Institutsleiter Fraunhofer IEM, Paderborn, und Vorstand Zukunftsallianz Maschinenbau e.V.

    Bild: Fraunhofer IEM

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