Methodik zur virtuellen Systemintegration im industriellen Anlagenbau

Produktbeschreibung

Die Nutzung von virtuellen Methoden im Bereich der Inbetriebnahme ist von zentraler Bedeutung für die Systemintegration im industriellen Anlagenbau. In diesem Zusammenhang stehen immer weiter vernetzte, produktive Umgebungen, deren Informationsaustausch zwischen Schnittstellenteilnehmern zunehmend auf Informationsmodellen basiert. Die frühzeitige Absicherung und Integration dieser Modelle ist ein komplexer Prozess, der eine strukturierte Vorgehensweise erfordert. In der vorliegenden Arbeit wird daher eine Methodik für die Informationsmodell-basierte virtuelle Inbetriebnahme erarbeitet. Das Ergebnis ist eine Vorgehensweise, die darauf ausgelegt ist, die Interoperabilität in Produktionsumgebungen zu beherrschen. Das vorgestellte Konzept wird anhand einer prototypischen Umsetzung aus der industriellen Praxis evaluiert.

Inhaltsverzeichnis

Vorwort III
Inhaltsverzeichnis V
Abkürzungsverzeichnis VIII
Zusammenfassung XI
Abstract XII
1 Einleitung 1
1.1 Virtuelle Systemintegration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 Ziel der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4 Struktur der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Digitalisierung im Planungsprozess 4
2.1 Produktentstehungsprozess und Planungsprozess . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Evolution von Inbetriebnahmeprozessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.1 Inbetriebnahme im Allgemeinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.2 Wandel zur Digitalisierung und virtuelle Inbetriebnahme . . . . . . . 9
2.3 Der Weg zur digitalen Fabrik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.1 Cyber-physische Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.2 Informationsaustausch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.3 Anforderungen an den Informationsaustausch . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 Formulierung des Forschungsgegenstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 Stand der Wissenschaft zur virtuellen Inbetriebnahme von Gesamtsystemen 18
3.1 Grundlegende Ansätze der virtuellen Inbetriebnahme . . . . . . . . . . . . . 18
3.1.1 Ablauf eines Projektes der virtuellen Inbetriebnahme . . . . . . . . . 20
3.1.2 Model-in-the-Loop (MIL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.3 Software-in-the-Loop (SIL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.1.4 Hardware-in-the-Loop (HIL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.5 Virtualisierung von Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2 Ausgewählte Modelle für verschiedene Domänen . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.1 Digitaler Zwilling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.2 Materialflusssimulation, Linienmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.3 Übergeordnete Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.4 Steuerungssimulationen, Virtuelle Steuerungen . . . . . . . . . . . . 32
3.2.5 Maschinenmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3 Grundlagen der Informationsmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.1 Grundlegende Begriffe und relevante Konzepte . . . . . . . . . . . . 36
3.3.2 Ausgewählte Modellierungssprachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3.3 Management von Informationsmodellen . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.4 Einsatz im industriellen Kontext . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4 Middleware-Technologien zum Informationsaustausch für das Gesamtsystem 42
3.4.1 Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) . . 42
3.4.2 Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) . . . . . . . . . . . 43
3.4.3 Weitere Protokolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.5 Methoden und Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.5.1 Co-Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.5.2 V-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.5.3 Modellierung von Produkt, Produktionsprozess und Produktionsressource (PPR) . . . . . . . . . . . . 47
3.5.4 Analyse- und Problemlösungswerkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.6 Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4 Methodik für die Informationsmodell-basierte virtuelle Inbetriebnahme 51
4.1 Begriffsklärung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.1.1 Informationsmodell-basierte virtuelle Inbetriebnahme . . . . . . . . . 52
4.1.2 Einführung Model-in-the-Middle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2 Rahmenbedingungen und Anforderungen an die Methodik . . . . . . . . . . 54
4.2.1 Quantitative Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.2 Qualitative Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3 Analyse der Anforderungen von Informationsmodellen im Planungsprozess . 57
4.3.1 Konzeptphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.2 Konstruktionsphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3.3 Serienvorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.4 Überblick über den Gesamtprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.5 Phase 1: Basiskonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.5.1 Anwendungsfall und Wiederverwendung . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.5.2 Virtuelle Gegenüberstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.5.3 Informationsstruktur-Entwurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.6 Phase 2: Entitätskonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.6.1 Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.6.2 Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.6.3 Datenziel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.7 Phase 3: Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.7.1 Virtuelle Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.7.2 Systemintegration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.7.3 Verifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.7.4 Einbindung in ein Modell-Repository . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.8 Bestimmung des Detaillevels zur virtuellen Validierung in der Co-Simulation 89
4.8.1 Beurteilung der Modellqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.8.2 Einordnung der Typen der Simulationsartefakte . . . . . . . . . . . 93
4.9 Fazit zur Methodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5 Architektur einer entwicklungsbegleitenden Co-Simulationsumgebung 98
5.1 Anforderungen und Rahmenbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2 Begriffsklärung und Modulüberblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2.1 Simulierte Entitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.2.2 Reale Entitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.2.3 Vernetzungsebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.2.4 Model-in-the-Middle-Ebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2.5 Businesslogik-Ebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2.6 Konfigurationsebene und Überwachungsebene . . . . . . . . . . . . . 104
5.2.7 Test-Ebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.2.8 Cloud-Ebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.3 Prozessfluss innerhalb der Co-Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.4 Fazit zur Architektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6 Prototypische Umsetzung und Evaluation der Entwicklungsmethodik 110
6.1 Beschreibung und Vorgehen für das Evaluationsbeispiel . . . . . . . . . . . 110
6.2 Entwicklung des Informationsstruktur-Entwurfs . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.3 Entwicklung des Entitätskonzeptes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.4 Prototypische Umsetzung und Durchführung der virtuellen Validierung . . . 117
6.4.1 Technische Rahmenbedingungen und Entwicklungswerkzeuge . . . . 118
6.4.2 Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.4.3 Integration des Informationsmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.4.4 Prozessfluss im Evaluationsszenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.5 Fazit und Bewertung der prototypischen Umsetzung und Evaluation . . . . 127
7 Zusammenfassung und Ausblick 129
7.1 Zusammenfassung der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
A Entwicklung des Entitätskonzepts 132
B Testfälle der virtuellen Validierung 133
C Virtuelles Maschinencluster 135
D Ressourcenmodell inklusive Informationsschicht der prototypischen Umsetzung 136
Literaturverzeichnis 138

Keywords: Virtuelle Systemintegration, Virtuelle Inbetriebnahme, Informationsmodellierung, Co-Simulation, Cyberphysische Systeme, Digitalisierung der Fabrik, Virtual system integration, Virtual commissioning, Information modeling, Cosimulation, Cyber-physical systems, Factory digitization