1. Einleitung - ITI - Otto-von-Guericke

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Fakultät für Informatik
Institut für Technische und Betriebliche Informationssysteme
Arbeitsgruppe Rechnerunterstützte Ingenieursysteme
Grundlagen rechnerunterstützter Ingenieursysteme
Vorlesungsskript (Korrekturvorlage)
bearbeitet von:
Prof. Dr.-Ing. habil. G. Paul,
Dipl.-Ing. F. Kreutzmann,
Dr. Sylke Krötzsch
Magdeburg, den 7.12.2003
Inhaltsverzeichnis
GRUNDLAGEN RECHNERUNTERSTÜTZTER INGENIEURSYSTEME .................. 1
Vorlesungsskript (Korrekturvorlage) ................................................................................................................. 1
1. EINLEITUNG ......................................................................................................... 5
2. DER DISKURSBEREICH PRODUKTIONSPROZESS ........................................... 5
2.1. Die Struktur des Produktionsprozesses ........................................................................................................ 5
2.1.1. Produktionsbereiche .................................................................................................................................. 6
2.1.2. Produktionsarten ....................................................................................................................................... 7
2.1.3. Produktionstechnik .................................................................................................................................... 8
2.1.4. Abläufe in Produktionsbereichen .............................................................................................................. 8
2.2. Elektronische Datenverarbeitung in der rechnerintegrierten Produktion ............................................... 8
2.2.1. Architektur der Rechnerintegration ........................................................................................................... 9
2.2.2. Verfahren des EDV- Einsatzes ................................................................................................................ 10
2.3. Neue Konzepte zur Produktionsorganisation ............................................................................................ 12
3. STAND DER TECHNIK ZUM EINSATZ VON HARD- UND
SOFTWAREPRODUKTEN FÜR DIE RECHNERUNTERSTÜTZTE PRODUKTION
................................................................................................................................. 15
3.1. Trendeinschätzung ....................................................................................................................................... 15
3.2. Die CAx-Techniken ...................................................................................................................................... 18
3.2.1. Rechneruntertützte Konstruktion (CAD) ................................................................................................. 19
3.2.1.1. Die Konstruktionsmethoden ............................................................................................................. 19
3.2.1.2. Anforderungen an die EDV-Systeme im KEP.................................................................................. 23
3.2.1.3. Einsatz von CAD-Systemen in der rechnerintegrierten Produktion ................................................. 25
3.2.2. Rechnergestützte Fertigungsplanung (CAP)............................................................................................ 30
3.2.2.1
Einordnung und Aufgaben der Fertigungsplanung .................................................................... 30
3.2.2.2.
Stand, Probleme und Tendenzen der rechnergestützten Realisierung ....................................... 32
3.2.3. Rechnerunterstützte Fertigung (CAM) .................................................................................................... 36
3.2.3.1. Einordnung und Aufgabenstellung ................................................................................................... 36
3.2.3.2. Rechnereinsatz im CAM-Bereich ..................................................................................................... 37
3.2.4. Rechnerunterstützte Qualitätssicherung (CAQ) ...................................................................................... 40
3.2.4.1. Qualitätssicherung- Eine Aufgabe mit zunehmender Bedeutung ..................................................... 40
3.2.4.2. Aufbau von CAQ-Systemen ............................................................................................................. 41
3.2.5. Produktionsplanung und -steuerung (PPS) .............................................................................................. 42
3.2.5.1. Aufgaben und Stellung des PPS im Unternehmen............................................................................ 42
3.2.5.2. Die Elemente eines PPS-Systems und deren Aufgaben .................................................................... 44
3.2.5.3. Stand der Rechnerunterstützung [RuGo-91] .................................................................................... 47
3.2.6. Produktdaten- und Dokumentenverwaltungssysteme (EDM/PDM) ........................................................ 48
3.2.6.1. Aufgaben von EDM-Systemen ......................................................................................................... 49
3.2.6.2. Anforderungen an EDM-Systeme .................................................................................................... 52
3.2.6.3. Beispielsysteme ................................................................................................................................ 53
3.2.7 Weitere Unterstützungssysteme................................................................................................................ 55
4. CIM - EIN KONZEPT FÜR DIE INTEGRATION ................................................. 71
2
4.1. Strategien zur Einführung von cIm ............................................................................................................ 71
4.1.1. Struktur der cIm-Aufgabe........................................................................................................................ 71
4.1.2. Spezifikation der Teilschritte .................................................................................................................. 73
4.2. cIm-Funktionsbereiche ................................................................................................................................ 76
4.2.1. Allgemeine Situation ............................................................................................................................... 76
4.2.2. Bewertung des Standes der Rechnerunterstützung in den Funktionsbereichen ....................................... 77
4.3. cIm-Realisierungskonzept ........................................................................................................................... 79
4.4. Das cIm-Integrationsmodell ........................................................................................................................ 81
4.4.1. cIm-Integrationsebenen ........................................................................................................................... 81
4.4.2. cIm-Integrationsschritte........................................................................................................................... 84
4.4.3. cIm-Schnittstellen .................................................................................................................................... 86
4.4.4. Soziale und arbeitspolitische Aspekte ..................................................................................................... 88
4.5. Integration am Beispiel der cIm-Informationsverwaltung ....................................................................... 88
4.5.1. cIm-Referenzinformationsmodelle .......................................................................................................... 89
4.5.2. Im-Integrationsstufen .............................................................................................................................. 92
5. BEISPIELE FÜR RECHNERUNTERSTÜTZTE INGENIEURSYSTEME ............ 99
5.1. Amherst-Karlsruhe-CIM-Modell [ReNS-94]............................................................................................. 99
5.2. Integriertes, featurebasiertes System INTEP/INFID [PKSM-95] .......................................................... 102
5.3. Entwicklungsumgebung für komponentenorientierte, technische Informationssysteme ..................... 107
5.3.1. Ausgangssituation ................................................................................................................................. 107
5.3.2 Anforderungen an Integrationskonzepte für Entwurfsumgebungen ....................................................... 113
5.3.3 Komponentenbasierten Tool-Integration ................................................................................................ 115
5.3.4 Laufzeitunterstützung der Komposition ................................................................................................. 118
5.3.5 Prototyp und Anwendungsbeispiele ....................................................................................................... 121
6. ZUSAMMENFASSUNG ...................................................................................... 126
7. LITERATURÜBERSICHT.................................................................................. 127
3
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1. Einleitung
Eine effiziente Unterstützung betriebswirtschaftlicher Prozesse durch einen gezielten
Computereinsatz steht im Mittelpunkt vieler Bemühungen. Es entstehen Informationssysteme,
die mehr oder weniger große Teile des Produktionsprozesses abbilden. Auffällig ist, dass
diese Informationssysteme nach wie vor Individuallösungen darstellen und meist in sich
geschlossen sind. Eine Erweiterung des Diskursbereiches durch Verknüpfung mit anderen
Komponenten führt zu Anpassungsproblemen, die oftmals nur über die Lösung schwieriger
Schnittstellenprobleme zu beseitigen sind. Die „bessere“ Lösung besteht in der Schaffung
offener Systeme, die sich an gewissen Richtlinien orientieren. Entscheidend ist, dass sich alle
an der Entwicklung und Nutzung solcher Systeme beteiligten Partner auf eine gemeinsame
Vorgehensweise verständigen. Das bedeutet u.a., dass sich insbesondere Ingenieure,
Betriebswirtschaftler und Informatiker gleicher Verständigungsmittel bedienen, um eine
gemeinsame Analyse des zu unterstützenden Prozesses sowie eine gemeinsame Synthese des
zu entwickelnden Informationssystems anzugehen.
Dieses Anliegen wird durch die Buchreihen der Autoren
A.-W. Scheer , O. Abeln, K.-W. Jäger, D.Ruland/H. Gotthardt, B. Scholz-Reiter, U.
Schüler, U. Rembold, Gausemeier, Grabowski, Spur & Krause, Eigner u.a.
in hohem Maße gefördert.
Diese Vorlesungsreihe stützt sich demzufolge zum großen Teil auf diese Literatur.
Mit der Überschrift „Rechnerunterstützte Ingenieursysteme“ wird versucht, die Richtung der
Entwicklung der Systeme zur Unterstützung der Ingenieurtätigkeiten zu geben, da diese die
betriebswirtschaftlichen Effekte entscheidend beeinflussen. Da im Rahmen der
Vorlesungsreihe insbesondere Informatiker und Wirtschaftsinformatiker als Zuhörerkreis
angesprochen werden, gibt der erste Teil zunächst einen Einblick in die Prozesse der
Produktion. Daran schließt sich eine Einschätzung des Standes der Rechnerunterstützung an.
Im Mittelpunkt stehen hierbei die CAx/PPS- und EDM/PDM-Techniken. Ein dritter
Schwerpunkt soll die Grundlagen für die Nutzung einer gemeinsamen „Sprache“ zwischen
Informatikern, Wirtschaftsinformatikern und Prozessingenieuren legen. Gemeint sind die
Methoden und Techniken für eine gemeinsame Informationsanalyse.
Die folgenden Ausführungen befassen sich mit den Problemfeldern des Einsatzes solcher
Lösungen aufgrund des Standes der Technik und der Anforderungen, die aus der Praxis
gestellt werden. Die Fragen des Entwurfes solcher integrierter Lösungen werden in der
Nachfolgeveranstaltung “Entwurf und Einsatz Technischer Informationssysteme“
besprochen.
2. Der Diskursbereich ProduktionsProzess
2.1. Die Struktur des Produktionsprozesses
Um letztendlich das Ziel einer rechnerintegrierten Produktion (früher auch unter den Begriffen
CIM [Computer Integrated Manufacturing] oder Fabrikautomatisierung zusammengefasst) zu
erreichen, bedarf es profunder Kenntnisse über die in der Produktion ablaufenden Prozesse.
5
Natürlich liegen diese Informationen beim Prozessverantwortlichen (Ingenieur, Betriebswirt)
vor. Um diese Informationen rechnerunterstützt zu verarbeiten, ist die partnerschaftliche
Zusammenarbeit mit dem Informatiker, Wirtschaftsinformatiker oder auch Mathematiker
zwingend erforderlich. Demzufolge ist es wünschenswert, dass diese Arbeit auf einem Level
aufsetzt, das von einem bestimmten Durchschnitt gemeinsamer Kenntnisse ausgeht. Das heißt,
der Ingenieur oder Betriebswirt muss sich in der Welt der rechnerunterstützten
Informationsverarbeitung genauso gut zurechtfinden wie der Informatiker oder
Wirtschaftsinformatiker Zusammenhänge der Produktion erkennen muss. Die Vermittlung
dieser Grundinformationen über den Produktionsprozess ist Gegenstand dieses Unterkapitels.
Der Begriff „Produktion“ zielt auf Vorgänge und Tätigkeiten ab, die mittelbar oder
unmittelbar der Herstellung von Erzeugnissen dienen [VDI-78]. Der Begriff rechnerintegrierte
Produktion beschreibt die technische und organisatorische Integration von EDV-Systemen in
ein Gesamtkonzept zur durchgängigen Informationsverarbeitung über alle Funktionsbereiche
der Produktion [Ande-93]. Der Vorgang Produktion lässt sich wie folgt strukturieren :
Organisatorische
Strukturierung
der
Funktion
einer
Produktion
in
Produktionsbereiche,
Charakterisierung der Auftragsabwicklung durch Produktionsarten,
Charakterisierung der Leistungsmerkmale der Produktentwicklung und -herstellung
durch Produktionsarten,
Charakterisierung der Abläufe in Produktionsbereichen durch
methodische Vorgehensweise,
Arbeitsmethoden und
Tätigkeitsfolgen.
2.1.1. Produktionsbereiche
Der Begriff Produktionsbereich steht stellvertretend für die Zusammenfassung der
organisatorischen Bereiche eines Unternehmens, deren Aufgabe es ist, Produkte zu entwickeln
und herzustellen. Die Bildung und Abgrenzung von Produktionsbereichen ist unternehmensund zeitabhängig. Um die innerbetrieblichen und überbetrieblichen Informationsflüsse
zuordnen zu können, empfiehlt der DIN Fachbericht 15 acht Produktionsbereiche [NCIM-87]
:
Unternehmensplanung
Die Unternehmensplanung umfasst die langfristige, strategische Planung und Entscheidung
über Produktentwicklung, Marktorientierung, Kunden- und Zulieferorientierung sowie über
die Bereitstellung und Funktionserhaltung der Produktionsstätten und -mittel.
Marketing und Vertrieb
Der Bereich Marketing und Vertrieb umfasst alle Funktionen, um das Unternehmen mit dem
Markt zu verbinden. Funktionen sind
Ermittlung des Marktbedarfs,
Bestimmung der Unternehmenssituation,
Absatzplanung,
Erarbeitung und Umsetzung einer Marktpolitik und Absatzförderung,
Kundenauftragsabwicklung mit Auftragsvorklärung,
Angebotserstellung,
Auftragsverwaltung, Auftragsüberwachung und
6
Vertriebsabwicklung mit Verwaltung des Vertriebslagers, dem Versand und dem
Kundendienst.
Entwicklung und Konstruktion
Funktionen dieses Bereiches sind das Konzipieren, Entwerfen und Detaillieren von
technischen Produktlösungen.
Betriebsmittelplanung
In diesen Bereich fallen
Ermittlung des Betriebsmittelbedarfs,
Planung der Betriebsmittelerstellung und
Planung und Verwaltung des Betriebsmitteleinsatzes und der Instandhaltung.
Arbeitsplanung
In der Arbeitsplanung werden die in der Konstruktion dokumentierten technischen Lösungen
in Daten zur Durchführung der Fertigung und Montage umgesetzt. Dazu gehören:
Planungsvorbereitung,
Betriebsmittelspezifikation,
Materialplanung,
Kostenplanung,
Methodenplanung,
Arbeitsplanerstellung
Programmierung von numerisch gesteuerten Maschinen.
Produktionsplanung und -steuerung
Dieser Bereich umfasst die Planung und Steuerung der Produktherstellung. Funktionen sind
notwendig zur
Planung und Steuerung von Mengen, Terminen, Kapazitäten und Kosten,
Auftragsabwicklung (Auftragsüberwachung, Terminierung, Fakturierung).
Produktionsausführung
Diesem Bereich können die Funktionen der
Werkstattsteuerung,
Materialflusssteuerung,
Vorbereitung,
Bearbeitung mit Teilfertigung,
Montage und Prüfung,
Lagerung und Transport sowie
Wartung und Instandhaltung
zugeordnet werden.
Qualitätssicherung Die Qualitätssicherung begleitet den gesamten Produktionsprozess.
Funktionen sind:
Qualitätssicherung,
Qualitätsplanung,
Qualitätsprüfung,
Qualitätslenkung.
(Bild 2.1, [Ande-93])
2.1.2. Produktionsarten
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Die Merkmale der Auftragsabwicklung bestimmen die Produktionsart. Je nach Anzahl der zu
fertigenden Produkte spricht man von
Einzel-,
Kleinserien- und
Serienfertigung.
Die Einzelfertigung orientiert sich direkt am individuellen Kundenauftrag, die Serienfertigung
orientiert sich am Markt (Bild 2.2, [Ande-93]).
2.1.3. Produktionstechnik
Der Begriff Produktionstechnik vereinigt das technische Leistungspotential einer Produktion.
Einflussgrößen, die die Produktionstechnik bestimmen, sind:
Produktionsverfahren (Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten),
Produktionshilfsmittel (Maschinen, Werkzeuge, Vorrichtungen),
Automatisierung in der Produktion (Verfahren zur Steuerung und Regelung der
Verarbeitung),
Integration in der Produktion,
Organisation in der Produktion (Kompetenz- und Verantwortungsbereiche),
Qualifikationsprofile der Mitarbeiter.
2.1.4. Abläufe in Produktionsbereichen
In jedem Funktionsbereich der Produktion laufen spezielle Vorgänge ab. Eine Abstrahierung
zum Allgemeinen gelingt durch die nachfolgenden Kennzeichen:
Methodische Vorgehensweise zur Ausführung der Funktionen:
Funktionen werden auf Abstraktion, Strukturierung und Spezifizierung untersucht. Als
Ergebnis dieser Funktionsanalyse wird eine methodische Vorgehensweise abgeleitet.
Arbeitsmethoden:
Arbeitsmethoden sind Verfahren und Hilfsmittel zur Lösungsfindung der jeweiligen
Aufgabenstellung. Als Verfahren eignen sich z.B. ein Vorgehensplan, Regelwerk oder
Ablaufschema.
Tätigkeitsfolge:
Tätigkeitsfolgen sind die Sequenz von Tätigkeitsschritten, die zur Bearbeitung einer Funktion
durchlaufen werden müssen. Für die Ausführung dieser Schritte können Methoden zur
Verfügung stehen. Wichtig ist auch die Herausarbeitung von gegenseitigen Abhängigkeiten.
Die Systemwissenschaft liefert eine gute Basis für die Analyse dieser Problemstellung.
2.2. Elektronische Datenverarbeitung in der rechnerintegrierten Produktion
Die Informationsverarbeitung in den Produktionsbereichen ist durch EDV-Systeme geprägt,
die bereichsspezifische oder bereichsübergreifende Tätigkeiten unterstützen. Diese Systeme
sind somit auch mit dieser Zielstellung entwickelt und implementiert worden. Demzufolge
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findet man heute eine Vielfalt von EDV-Lösungen vor. Ihr Einsatzfeld drückt sich bereits in
dem typischen Namen aus:
CAD
CAP
CAM
CAA
CAQ
CAR
CAI
CAE
Computer Aided Design (Rechnergestütztes Konstruieren)
Computer Aided Planing (Rechnergestützte Arbeitsplanung)
Computer Aided Manufacturing (Rechnergestütztes Fertigen)
Computer Aided Assembling (Rechnergest. Montageplanung)
Computer Aided Quality Assurance (Rechnergestützte Qualitätssicherung)
Computer Aided Robotics (Rechnergestützter Robotereinsatz)
Computer Aided Inspection (Rechnergestützte Instandhaltung)
Computer Aided Engineering (Rechnergestütztes Entwickeln und Planen mit
CAT
PPS
Schwerpunkt auf Berechnung)
Computer Aided Testing (Rechnergestütztes Prüfen)
Produktionsplanung und -steuerung
EDM/
PDM
WFM
SCM
CRM
Engineering Document Management/Product Data Management
Workflow Management u. a.
Supply Chain Management
Customer Relationship Management
Die Bemühungen um eine Integration der Produktionsbereiche auf der Basis der
Kommunikation unterschiedlicher Hard- und Softwaresysteme werden unter dem Begriff
Computer Integrated Manufacturing (Rechnerintegrierte Produktion)
CIM
geführt, wobei heute die Bedeutung mehr bei dem Buchstaben „I“, d.h. bei der Integration
liegt. Bezieht man alle Bereiche des Unternehmens, also auch die kommerziellen Bereiche
und das Management in die Integration ein (Bild 2.3, [Ande-93]), so spricht man von
CAI
ERP
Computer Aided Industry (Rechnergestützte Informationsverarbeitung und
Industrieunternehmen) oder
Enterprise Ressource Planing.
2.2.1. Architektur der Rechnerintegration
Zwischen den EDV-Systemen der Produktionsbereiche werden physische Verbindungen
aufgebaut, um Daten auszutauschen. Diese Verbindungen können
Off-Line Verbindungen über digitale Datenträger z.B. Magnetband, Diskette, CD oder
On-Line Verbindungen durch die Installation von Datenleitungen als Rechnernetz sein.
Der Aufbau eines Rechnernetzes führt zwangsläufig zu einer Rechnerintegration. Stellt man
den Bezug zu den einzelnen Ebenen der Unternehmensorganisation her, so führt die
Architektur auf ein Vier-Ebenen-Konzept (Bild 2.4, [Ande-93]) mit
9
Planungsebene,
Leitebene,
Führungsebene und
Steuerungsebene.
Die Aufgaben in den einzelnen Ebenen seien kurz charakterisiert:
Planungsebene:
Umfasst Funktionen zur methodischen Entwicklung von technischen Lösungen für Produkte
und für Arbeitsvorgänge zur Produktherstellung. Die Tätigkeit in diesem Bereich ist häufig
interaktiv im Sinne einer Optimierung gestaltet.
Leitebene:
Übernimmt die freigegebenen Darstellungen der technischen Lösung, insbesondere
Fertigungsaufträge,
technische Zeichnungen,
Stücklisten, Arbeitspläne, NC-Steuerdaten,
steuert Aufträge in den Produktionsprozess ein und stellt Steuerdaten den ausführen
Produktionseinrichtungen zur Verfügung.
Weitere Funktionen sind :
den
Steuerdatenverteilung,
Überwachung von Fertigungs- und Montageabläufen sowie
Überprüfen der fertigen Produkte.
Führungsebene:
Löst die Ausführung von Aufträgen aus, überwacht die Ausführung und wertet diese aus. Eine
Fehleranalyse wird durchgeführt. Das Ergebnis der Auftragsausführung wird an die Leitebene
zurückgemeldet.
Steuerebene:
Führt Aufträge unter Nutzung der Steuerdaten aus und meldet die Ausführung an die
Führungsebene.
Voraussetzungen zur Führung eines solchen Rechnerverbundes sind
a) Aufbau lokaler Rechnernetze (LAN - Local Area Network) mit entsprechender
steuerbarer Kommunikation zwischen EDV-Systemen,
b) Aufbau eines einheitlichen Datenhaltungskonzeptes durch
zentrale Datenbank,
dezentrale Datenbanken,
verteilte Datenbanken,
c) Aufbau eines einheitlichen Archivierungskonzeptes für die komprimierte, speicherbedarfsminimierte Langzeitspeicherung der Daten,
d) Aufbau eines einheitlichen Konzeptes für die Benutzungsoberfläche zur Bedienung der
verschiedenen EDV-Systeme.
2.2.2. Verfahren des EDV- Einsatzes
Rechnersysteme im technischen Bereich werden grundsätzlich in Stapel- oder
Dialogverarbeitung betrieben. Es dominiert der Dialogbetrieb. Die Stapelverarbeitung hat für
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die Aufgaben Bedeutung, die in keiner unmittelbaren Zeitabhängigkeit stehen (z.B.
Variantenerstellung, Archivierung, Sicherung).
Die Weitergabe und der Austausch von Daten ist nach drei Verfahren möglich:
1. auf analogen Datenträgern (konventionelle Lösung, z.B. Zeichnung oder Stückliste),
2. auf digitalen Datenträgern über genormte Schnittstellen (gekoppelte Lösung),
3. auf digitalen Datenträgern auf der Basis einheitlicher Datenmodelle (integrierte Lösung).
Die dritte Option unterstützt verschiedene, anwendungsabhängige Subsysteme, wobei die
Kommunikation und die Verarbeitungsprogramme anwendungsspezifisch bereitgestellt
werden. Die Möglichkeit einer Integration setzt jedoch mindestens einen gemeinsamen
Baustein voraus, über welchen der Austausch von Informationen stattfindet. Dieser Baustein
ist die rechner-interne Darstellung z.B. des Produktmodells, das nach einem einheitlichem,
logischen Datenmodellschema aufgebaut ist (Bild 2.5, [Ande-93]).
Wenn Informationen bzw. Daten in der Produktion ausgetauscht werden, entstehen
Datenflüsse. Zunächst kann man den Datenaustausch anhand des Bilanzkreises, in welchem er
stattfindet, in
einen innerbetrieblichen und
einen überbetrieblichen Austausch
klassifizieren.
Funktional liefert die rechnerintegrierte Produktion drei Klassen von Datenmengen (Bild 2.6):
a) produktdefinierende Daten,
b) Prozessdefinierende Daten,
c) auftragsdefinierende Daten.
CAD
Produktkonzeption
FEM
Konstruktion
CAM
Musterbau
CAT
Versuch
CAD
CAM
PPS
Produktdatenverbund
(Stücklisten,
Geometrie)
Fertigungsmittelkonstruktion u. Fertigung
Materialwirtschaft
PPS
Auftragsdatenverbund
Teilefertigung
Robotik
PPS
CAQ
Montage
Qualitätssicherung
Fertigungsdatenverbund
(ArbeitsplanBetriebsmittel)
Bild 2.6: Grobklassifikation von Datenmengen für die rechnerintegrierte Produktion
nach [Ande-93]
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a)
produktdefinierende Daten :
Sie enthalten alle Daten, die ein Produkt über seinen gesamten Lebenszyklus beschreiben.
b)
Prozessdefinierende Daten :
Sie umfassen alle Merkmale, die den Ablauf eines Vorganges beschreiben. Der Faktor Zeit
spielt hierbei eine wesentliche Rolle.
c)
auftragsdefinierende Daten :
Sie enthalten Merkmale, die einen Auftrag charakterisieren (Menge, Termine).
Diese drei Datenklassen sind voneinander abhängig.
2.3. Neue Konzepte zur Produktionsorganisation
Die Beschäftigung mit CIM als Weg zur automatischen Fabrik, als Weg zur Integration aller
rechnerunterstützten Funktionen in einem Unternehmen, ließ viele Fragen zur
Durchführbarkeit offen, die auch generell an eine weitere Steigerung der technischen
Machbarkeit als sinnvollen Weg zum Erfolg zweifeln ließen [Warn-95].Das gegenwärtige
deterministische Weltbild mit bekannten oder erkennbaren Zusammenhängen zwischen
Ursache und Wirkung ist nicht ausreichend, da es nur für abgegrenzte Teilbereiche der
Realität gilt. Physiker und Mathematiker akzeptieren bereits, dass es schier unmöglich ist, ein
System mit vielen Elementen, die mehrfache, häufig nichtlineare Beziehungen untereinander
haben, zu erfassen und zu berechnen. Wahrscheinlichkeiten, Näherungen und Unschärfen sind
probate Mittel, um Ordnung in das Chaos zu bringen.
Ausgehend von dieser Realität ist ein Umdenken in der Unternehmensorganisation
erforderlich, denn der bisherige Reifegrad der Produktion lässt bei hohem Aufwand wenig
Steigerung im Nutzen erkennen.
Die Zielrichtungen neuer Organisationsansätze sind (in Schlagworten):
strategische Allianzen, Reduzierung der Komplexität, Konzentration auf Kerngebiete,
Senkung der Fertigungstiefe, Gemeinkostenwertanalyse, Segmentierung, Bildung von
Fertigungszellen, Gruppenarbeit, u.a..
Wege dahin werden mit diesen Ansätzen beschritten:

Kaizen ( oder im Deutschen „ Kontinuierlicher Verbesserungsprozess (KVP)“)
Durch kleine, innovative Verbesserungen werden ohne große Investitionen Fortschritte in
der Produktionsorganisation erreicht.

Lean Production, Lean Management
Die Organisation wird verschlankt, indem man sich auf Kernprozesse konzentriert.

Business Process Reengineering
Der Einsatz von IT zur Automatisierung der Geschäftsprozesse setzt zunächst Analyse
aller Strukturen und Abläufe voraus. Aus der diesbezüglichen Vorgehensweise hat sich
die Methode des „ Business Process Reengineering“ verselbstständigt.

Total Quality Management (TQM)
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Sämtliche Ziele des Unternehmens werden unter dem Aspekt der maximalen
Qualitätssicherung angegangen.

Virtuelles Unternehmen
Juristisch selbständige Unternehmen schließen sich für die Dauer der erledigung eines
Auftrages zusammen.

Fraktale Fabrik
Begriffserklärung für Fraktale:
Fraktale sind Organismen
Selbstoptimierung
und
Gebilde,
die
sich
durch
Selbstorganisation,
und Dynamik auszeichnen.
In diesem Sinne wird ein Unternehmen in Fraktale unterteilt, die in aller Konsequenz die
Verantwortung der Prozesse innerhalb ihres Fraktals selbst tragen und die auch die
Beziehungen zu anderen Einheiten ( Fraktalen oder Lieferunternehmen) regeln.
Marktwirtschaft soll nun nach diesem Prinzip funktionieren. Das heißt, Selbstorganisation
und Selbstoptimierung in der Produktion innerhalb kleiner, schneller Regelkreise wird
angestrebt.
Stellgröße
(Startinformation)
Regelstrecke
Entwurfsprozeß
Regelgrößen
(Produktdaten)
Stelleinrichtung
Partialmodell
Steuergröße
(Nachrichten)
Regler
PDV-Algorithmen
Qualitätsanforderungen
Bild 2.7: Regelkreis
Kritik zur bisherigen Organisation von Produktionsunternehmen:
Arbeitsteilung und strenge Funktionsorientierung im Unternehmen haben
Dienstleistungsbewusstsein abhanden kommen lassen. Für viele Mitarbeiter sind die
Beziehungen ihres Unternehmens nach außen nicht relevant.
Gebraucht wird dringend die direkte Kommunikation auf der horizontalen
Leitungsebene!
Fraktale kommunizieren direkt mit Fraktalen der Zulieferer und Abnehmer. Sie
können weltweit verteilt sein. Durch Selbstorganisation wählen sie ihre Methoden und
Techniken. Der einzelne Mitarbeiter wird somit mehr gefordert. Zielsetzungen,
Abstimmungen und Anpassungen erfolgen über Netzwerke.
13
Das Bilden und Managen solcher Netzwerke zur Information und
Kommunikation ist die personelle, organisatorische und technische
Herausforderung der Zukunft.
Zusammenfassung:
Das Fraktale Unternehmen ist ein offenes System, das aus selbständig agierenden und
in ihrer Zielausrichtung selbständigen Einheiten - den Fraktalen - besteht.
14
3. Stand der Technik zum Einsatz von Hard- und Softwareprodukten für die
rechnerunterstützte Produktion
3.1. Trendeinschätzung
Das wirtschaftliche Umfeld für den Einsatz von Computertechniken im Rahmen einer
rechnerunterstützten Produktion (cIm) oder rechnerunterstützten Industrie (CAI) war in den
90er Jahren durch einen Verdrängungswettbewerb vor allem der europäischen (insbesondere
deutschen) Industrie mit Japan und den USA gekennzeichnet [Ober-92] (Bild 3.1).
Dabei ist ein Wandel vom Verkäufermarkt zum Käufermarkt festzustellen, der den
Lebenszyklus der Produkte drastisch verkürzt und somit zu Innovationen in der Entwicklung
und Fertigung der Produkte zwingt. Das Ausnutzen von Marktnischen und ein rasches
Reagieren auf Kundenwünsche ist von strategischer Bedeutung für die Unternehmen. Darüber
hinaus ist ein starker Trend zur Globalisierung der Weltwirtschaft zu verzeichnen, der ohne
entsprechende Unterstützung durch modernste Informationstechniken nicht realisierbar ist.
Unter diesen Randbedingungen lohnt ein Blick auf das technische Umfeld für die Produktion.
Hierbei ist generell einzuschätzen, dass die rasche Entwicklung der Mikroelektronik nicht nur
die Produkte, sondern auch die Produktionstechnik beeinflusst hat (Bild 3.2, [Ober-92]).
Fertigungseinrichtungen sind intelligent geworden und zeichnen sich durch Eigenschaften wie
Programmierbarkeit,
digitale Ansteuerbarkeit und
Kommunikationsfähigkeit
aus (z.B. NC-Maschinen, Roboter, rechnergesteuerte Lager- und Transportsysteme). Mittelbar
hat der Mikroprozessor aber auch die Informationsverarbeitung beeinflusst und damit
leistungsfähige Workstations, graphische Arbeitsplätze und lokale Netze ermöglicht.
In der Produktion selbst werden neue organisatorische Ansätze wie
Just-in-Time-Produktion,
Continuous-Flow-Managment,
Lean Production,
fraktale Fabrik eingeführt.
Dabei steht das Bemühen um niedrige Kapitalbindung bei gleichzeitig flexibler Fertigung im
Vordergrund. Betrachtet man diese Situation mit den Augen eines Betriebswirtes, so geht es
einfach und allein darum, den Unternehmenserfolg dadurch zu sichern, dass die Gewinne
maximiert werden.
15
Unternehmens-Erfolg
BETRIEBSERGEBNIS
Kosten
Erlöse
Gewinn
Bild 3.3: Unternehmenserfolg nach [Ober-92]
Diese ganzheitlich ökonomische Betrachtungsweise vermittelt jedoch weder eine
Kostenstruktur noch ein Rezept für die Kostensenkung. Dies setzt eine tiefgehende Analyse
voraus. Diese Analyse setzen wir bei den in Kapitel 2 beschriebenen Produktionsbereichen an
(Bild 3.4).
Marketing und
Vertrieb
Unternehmensplanung
Entwicklung u. Konstruktion
CIM - Computer Integrated Manufactoring
CIM - Computer Integrated Manufacturing
CAD - Computer Aided Design
CAE - Computer Aided Engineering
CAI - Computer Assisted Industry
CIMComputer
Integrated
Manufacturing
Produktionsplanung u. -steuerung
Arbeitsplanung
CIM Computer
Integrated
Manufactoring
CAP Computer Aided
Planing
CAA Computer Aided
Assembling
CIM - Computer Integrated Manufactoring
CAI
Computer
Assisted Industry
PPS - Produktionsplanung und -steuerung
CAP - Computer Aided Planing
Betriebsmittelplanung
CIM CAI Computer Aided
Inspection
CAD Computer Aided
Design
CAR Computer Aided
Robotics
Produktionsausführung
CIM - Computer Integrated Manufactoring
CAR - Computer Aided Robotics
CAI - Comuter Aided Inspection
CAM - Computer Aided Manufactoring
CAA - Computer Aided Assembling
Qualitätssicherung
CIM Computer
Integrated
Manufacturing
CAQ Computer Aided
Quality Assurance
CAI Computer Aided
Inspection
CAM Computer Aided
Manufacturing
CAT Computer Aided
Testing
Bild 3.4: Organisatorische Struktur von Produktionsbereichen nach [Ande-93]
Zunächst untersuchen wir den Abschnitt des Produktionslebenszyklus, der der Vorbereitung
des Produktes dient. Hierzu gehören
Produktplanung,
Konstruktion,
Arbeitsplanung,
Prototypbau,
Produkt- und Prozessversuch sowie
die planenden Teile der Fertigungssteuerung.
16
„Der Erfolg und die wesentlich leistungsfähigere Produktionsvorbereitung der japanischen
Unternehmen offenbaren die Defizite in europäischen Unternehmen und erzwingen ein
Umdenken in der Produktionsvorbereitung. Der Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit
europäischer Unternehmen in der Zukunft wird wesentlich von deren Fähigkeit zur
Leistungssteigerung in der Produktionsvorbereitung abhängen.“ [Krau-92]
erreichbarer Nutzen bei
100 %iger Anwendung
CAD CAP
CAM
SUM
bis 1990 durchschnittlich
erreichbarer Nutzen
CAD CAP
CAM SUM
1,3
0,9
7,4
9,6
0,66
0,36
0,25
3,5
indirekter Nutzen
4,0
(funktionsübergreifend
1,1
0,8
5,8
2,0
0,64
0,3
3,0
Art des Nutzens
direkter Nutzen
)
indirekter Nutzen
(Kapazität)
0
2,5
8,0
10,5
0
1,5
4,6
6,1
Summe des
4,0
3,6
8,8
16,4
2,0
2,2
4,9
9,1
2,5
7,4
12,6
indirekten Nutzens
Gesamtnutzen *
5,3
4,5
16,2
26,0
2,66
Angaben in % des Gesamtnutzens
Bild 3.5: Vergleich des direkten und indirekten Nutzens [Eign-91]
Bisherige Konzepte zum Rechnereinsatz in der Produktionsvorbereitung gingen
vordergründig davon aus, die in dieser Phase der Produktentstehung anfallenden
(verursachten) Kosten zu reduzieren (Bild 3.5).
Jetzige Strategien zielen darauf ab, neben einer Reduzierung der verursachten Kosten
den Nachweis der Ertragsabhängigkeit von den Produktanlaufzeiten (Bild 3.6, [Eign-91]
2.3-1) und
den Nachweis der Reduktion der festgelegten bzw. für die nachfolgenden Bereiche
geplanten Kosten (Bild 3.7, [Eign-91] 2.3-2) zu führen. (Bild 3.8/Bild 3.9 [Eign-91]).
Auf die Produktionsvorbereitung (oder auch Produktanlauf) bezogen, heißt dies:
Reduktion der Produktanlaufzeit,
Reduktion der verursachten und festgelegten Kosten,
fertigungs-, montage- und planungsgerechte Produktstruktur sowie
Erhöhung der Produktqualität [Eign-91].
17
Optimierung
Optimierung
Produktanlauf
(Time to market)
Lieferbereitschaft
(Time to manufacture)
M
e
t
h
o
d
e
n
- Simultaneous Engineering
- Projektmanagement
- Gruppentechnik
- Optimierung Hilfsbetriebe
(BMB/WZB, Musterbau)
- Ablauforganisation
- Nummernsystem
- Klassifizierung
- Dokumentenverarbeitung
- Freigabe -/Änderungswesen
- Produktstrukturen
- Fertigungs-/montage-/
planungsgerechte
Produktstruktur
- "Make or buy" - Konzept
- Planungsmethoden
(BOA, OPT, JIT, FZ)
- Materialflußlogistik
- Fertigungs-/Montagetechnik
S
y
s
t
e
m
e
- CAD
- CAE
- CAM (BMB, WZB)
- PMS
- PPS (BMB, WZB)
- TIS/EDB
- CAM
- PPS
- WST
- BDE
- CAQ
Legende:
BMB = Betriebsmittelbau
WZB = Werkzeugbau
BOA = Belastungsorientierte Auftragsfreigabe
JIT = Just in time
FZ = Fortschrittszahlen-Konzept
Bild 3.8: Generelle Zielsetzung von CIM nach [Eign-91]
Weiterhin sollte die Leistungsfähigkeit der Produktionsvorbereitung mit folgenden Kriterien
messbar oder bewertbar sein :
Produktionsvorbereitungszeit,
Produktqualität,
Produktkosten,
Kosten der Produktionsvorbereitung.
3.2. Die CAx-Techniken
Die „Computer Aided“-Techniken sollen insbesondere den Ingenieur in seiner vielseitigen
Arbeit unterstützen. Gemäß den bereits aufgeführten Produktionsbereichen haben alle
Systeme eine spezielle Stoßrichtung in ihrer Anwendung. Die Systeme unterstützen
demzufolge mehr oder weniger
die konstruktiven Ingenieurmethoden im Entwicklungs- und Konstruktionsprozess
(CAE,CAD),
planerischen Ingenieurmethoden in der Betriebsmittel- und Arbeitsplanung (CAP,PPS),
die operativen Ingenieurmethoden der Steuerung des Fertigungsprozesses (CAM, PPS,
WOP, BDE, CAQ) sowie
18
die systemintegrierenden Ingenieurmethoden über das gesamte Unternehmen (CIM,
CAI) [Abel-90]).
Selbstverständlich besteht zwischen all diesen Systemen eine mehr oder weniger intensive
Kopplung (Bild 3.10, [Sche-90b]).
Nachfolgend werden die einzelnen Systeme besprochen.
3.2.1. Rechneruntertützte Konstruktion (CAD)
3.2.1.1. Die Konstruktionsmethoden
Bevor eine Rechnerunterstützung greifen kann, müssen die Methodik des zu unterstützenden
Prozesses und damit auch die daraus abgeleiteten Anforderungen an einen Rechnereinsatz klar
sein. Zunächst besteht erst einmal Übereinstimmung darin, dass „der Entwicklungs- und
Konstruktionsprozess ein interaktiver, stets über mehrere Phasen detaillierender
Lösungsfindungs- und Dokumentationsprozess“ [Abel-90] ist.
Besonders in den Schritten der Lösungsfindung erbringt das Konstruieren intellektuelle
Leistungen.
Konstruieren:
Ein vorwiegend schöpferischer Vorgang, der auf Wissen und Erfahrung aufbaut, um
vorausdenkend eine optimale Lösung zu schaffen.
Ergebnis:
Ein funktioneller und struktureller Aufbau des zu schöpfenden Systems einschließlich der
Erstellung fertigungsreifer Unterlagen.
Die Vorgehensweise des Konstruierens kann systematisiert werden. Die einzelnen Teilschritte
werden als Phasen des Systems bezeichnet. Analog zum Softwareentwicklungsprozess
entsteht ein Problemlösungszyklus, der die Phasen
Problemanalyse,
Problemformulierung,
Systemanalyse und Synthese und
Bewertung und Entscheidung beinhaltet.
Diese Phasen werden interaktiv durchlaufen. Die ganze Problematik findet sich in den VDIRichtlinien 2221-2223 wieder. Konkret auf den KonstruktionsProzess bezogen spricht man
von den Phasen
Planen,
Konzipieren,
Entwerfen und
Ausarbeiten (Bild 3.11)
19
Konstruktionsauftrag
Planungsphase
Konzeptphase
Klärung und Präzisierung
der Aufgabe
Anforderungsliste
Ermittlung der notwendigen
Funktionen und Strukturen
Funktionsstruktur
Aufstellung von Lösungsprinzipien
und deren Bewertung
Prinziplösungen
Gliederung in
realisierbare Strukturen
Lösungsstrukturen
Gestaltung der einzelnen
Strukturen
Vorentwürfe
Gestaltung des Gesamtprodukts
Gesamtentwürfe
Ausarbeitung der Fertigungsund Dokumentationsunterlagen
Fertigungsdaten
Entwurfsphase
Ausarbeitungsphase
Fertigungsauftrag
Bild 3.11: Phasen und Ergebnisse des Konstruktionsprozesses [Abel-90]
Hierbei wird durchgehend von dem Zusammenhang Funktion, Wirkprinzip und Gestaltung
ausgegangen (Bild 3.12, [Ruge-89]).
Merkmale der Phasen:
Planung
Aufgabenstellung analysieren und präzisieren, um eine Anforderungsliste zu dokumentieren.
Mittels Wertanalyse werden sowohl die Ziele, Kosten, Abläufe und Auswirkungen auf den
Entwicklungsprozess, aber auch auf den Gesamtauftrag untersucht (siehe Bild 3.7).
Konzipierung
Unabhängig von den einzelnen Lösungsmitteln (Verfahren, Techniken) sind die Funktionen
und Strukturen der Gesamtaufgabe zu definieren und zu analysieren. Lösungsprinzipien
werden herausgearbeitet.
Entwurf
Teillösungen werden entsprechend den gefundenen Strukturen maßgerecht gestaltet und durch
Versuche oder Berechnungen optimiert. Ergebnis ist ein Gesamtentwurf.
Ausarbeitung
Konstruktionsunterlagen wie Zeichnungen und Stücklisten werden erstellt.
Bild 3.13 vermittelt einen Eindruck über die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen
Phasen des Entstehungsprozesses. Es versteht sich allzu gut, dass dieser notwendige Rückgriff
auf Informationen möglichst eine effektive Rechnerunterstützung voraussetzt. Wie jeder
andere Prozess durchläuft auch der Konstruktionsprozess eine Entwicklung, die im
wesentlichen von den verfügbaren Lösungsmitteln abhängt. Der Vergleich der
Konstruktionsphasen nach den VDI-Richtlinien 2210 und 2222 in Bild 3.14 zeigt das
Ergebnis.
20
techn. Lösungskonzept
Phasen der
konventionellen
Konstruktion
Phasen der
rechnerunterstützten
Konstruktion
Planen
Funktionsfindung
Prinziperarbeitung
Funktionsstruktur
Prinzipstruktur
maßstäblicher
Entwurf
Fertigungsunterlagen
Entwerfen
Ausarbeiten
Gestaltung
Detaillierung
Entwurf
Fertigungsunterlagen
Bild 3.14: Gegenüberstellung der Konstruktionsphasen nach [Ande-93]
Setzt man nun schon einmal den Rechnereinsatz zur Unterstützung des
Konstruktionsentwicklungsprozesses (KEP) voraus, so lassen sich für die Entwicklung und
den Einsatz von CAD-Systemen drei bestimmende Eigenschaften ableiten.
1. Die Produktentwicklung und -konstruktion erfolgt sukzessive von der abstrakten
Funktionsbeschreibung eines Produktes, immer konkreter werdend bis hin zur
vollständigen Dokumentation der technischen Produktlösung.
2. Nach jeder Konstruktionsphase erfolgt die Darstellung und Dokumentation der
Entwicklungsund
Konstruktionsergebnisse.
Diese
stellen
wiederum
die
Eingangsinformationsmenge dar, auf der die nachfolgende Konstruktionsphase aufsetzt.
Dies bedeutet, die Ergebnisse der vorangegangenen Konstruktionsphase sind implizit oder
explizit in den Darstellungen der Produktlösung nachfolgender Konstruktionsphasen
enthalten.
In jeder Konstruktionsphase werden Informationsquellen genutzt, die zur Herleitung der
Entwicklung der technischen Produktlösung notwendig sind sowie die Randbedingungen zu
deren konstruktiver Ausführung darstellen. Im Konstruktionsprozess werden verschiedene
Arbeitsmethoden zur Erstellung eines Produktes angewendet:
die Generierungsmethode,
die Regenerierungsmethode,
die Variantenmethode.
Generierungsmethode: Die Technische Lösung wird vollständig neu konzipiert und
ausgearbeitet. Es ist noch kein Vorbild vorhanden. Beispiel: Neukonstruktion (15%)
Regenerierungsmethode: Geht von einer bereits existierender, bekannter Lösung aus.
Vorhandene Lösungen werden wieder verwendet und gegebenenfalls an Randbedingungen
angepasst. Beispiel: Prinzipkonstruktion (55%), Anpassungskonstruktion (5%)
Variantenmethode: Setzt Funktionsstruktur, Lösungsprinzip, festgelegte Anordnung von
Elementen oder Abläufen voraus. Variationen sind im Rahmen von dimensionierenden
Parametern erlaubt. Beispiel: Variantenkonstruktion (25%) (Bild 3.15)
21
KONSTRUKTIONSARTEN
KONSTRUKTIONSPHASEN
FunktionsPrinzipGestaltung
findung
erarbeitung
Gruppenbegriffe
Detaillierung
ANFORDERUNGEN
AN DIE
RECHNERUNTERSTÜTZUNG
Neukonstruktion
Funktionen zur Unterstützung
der Konstruktionsmethoden
in den Konstruktionsphasen
Anpassungskonstruktion
- Verschlüsselung von techn.
Problemlösungen
- Suchen von ähnlichen Lösungen
- Finden ähnlicher oder sich
wiederholender Lösungen
- Funktionen zur Änderung von
Lösungen
Variantenkonstruktion
Abbilden von Varianten.
logiken
Bild 3.15: Zuordnung von Konstruktionsarten zu Konstruktionsphasen nach [Ande-93]
Dieser beschriebene KEP ist durch Tätigkeitsfolgen gekennzeichnet, die sich aus dem
iterativen Entscheidungsprozess ableiten. Aufgabenanalyse, Informationsfindung und
Synthese stellen diese Folge dar. Durch notwendige Korrekturen wird die Iteration
erforderlich. Die Sequenz der Tätigkeitsschritte lautet: Informieren, Lösung finden, Lösung
darstellen, Ergebnis bewerten, Entscheiden (Bild 3.16).
Problem
n
Tätigkeitsschritte
im Problemlösungsprozeß
Arbeitsinhalte
Unterstützung durch
Rechnersysteme
Konfrontieren
- Klären d. Aufgabe
- Bestimmung des
Wesenskerns der
Aufgabe
- Abstrahieren der
Aufgabe
Lösung
finden
Lösung
darstellen
- Informationsbeschaffung durch
- intuitive und
- diskursive Methoden
- Informationsverarbeitung
durch
- Variation und
- Kombination
Expertensysteme
Formale, analoge
bildliche Lösungsdarstellung unterschiedlicher
Konkretisierungsstufen
Lösung
bewerten
Entscheiden
- Berechnung
- Simulation
- technischwirtschaftliche
Bewertung
Problem
n+1
CAD-Systeme
Berechnungs- und
Simulationsprogramme
Bild 3.16: Tätigkeitsschritte im Konstruktionsprozess nach [Ande-93]
Neben dem technischen Wissen sind noch weitere Einflussgrößen im Konstruktionsprozess zu
berücksichtigen. Diese haben ihren Ursprung in
Gesetzen, Richtlinien, Normen, Empfehlungen,
Empfinden der Öffentlichkeit, Umweltbewusstsein,
Kundenanforderungen.
Zur Unterstützung des KEP haben sich für die einzelnen Phasen des Entwicklungsprozesses
auch einzelne Klassen von EDV-Systemen herausgebildet, die meistens keine gemeinsame
22
Modellbasis haben. Der Informationsaustausch muss über geeignete Schnittstellen erfolgen.
(Expertensysteme,
CAD-Systeme,
EDM-Systeme,
Simulationsmethoden,
Dokumentationsprobleme)
3.2.1.2. Anforderungen an die EDV-Systeme im KEP
Die Anforderungen sind phasenabhängig und werden die Funktionen und verfügbaren
Methoden
Funktionsfindung,
Prinziperarbeitung,
Gestaltung (Entwurf) und
Detaillierung (Ausarbeitung)
unterstützen.
Vieles hängt u.a. auch davon ab, inwieweit die Informationsquellen und -senken als
weiterverarbeitbare Datenbestände formalisierbar sind.
Funktionsfindungsphase benötigt
Methoden zur Herleitung und Darstellung von Funktionsstrukturen (Dazu eignen sich
Lösungskataloge und grafische Darstellungsverfahren.),
Ordnungssysteme zur Merkmalsbeschreibung von Teilfunktionen und Funktionen, um
darüber den Zugriff zu sichern (Merkmalsleisten),
Regeln zur Bewertung der Funktionen als Algorithmen oder deskriptive Regelwerke von
Expertensystemen (Bild 3.17).
Methoden
Funktion Funktionswiederholfindun
g
- Funktionsanalyse bzw.
Gliederung
- Funktionsdarstellung
- Funktionsbewertung
Datenbestände
- Ordnungssystem
(Zugriffsmerkmale)
- Lösungskataloge
(Funktionsstrukturen)
- Funktionselemente und strukturen
- Modellierungsregeln
-2D-Darstellungsgraphik
mit funktionaler
Bedeutung
- Feste Bewertungsregeln
(Algorithmen oder
KI+Inferenzmaschine)
Bild
3.17:
Methoden,
Datenbestände
Funktionsfindungsphase nach [Ande-93]
und
EDV-Systeme
- Datenbanken
- Merkmalsverarbeitungsysteme
- Bibliotheken
- Graphische
Darstellungssysteme
- Entscheidungstabellensysteme
- Expertensysteme
Rechnerunterstützung
in
der
Prinzipbearbeitungsphase benötigt
Methoden zur Zuordnung physikalischer Wirkprinzipien zu Funktionen oder Teilfunktionen
(z.B. Wiederholprinzipfindung, Prinzipzuordnung),
mathematische Ersatzmodelle zur Auslegung, Überprüfung und Variation (Bild 3.18).
23
Prinzip
Methoden
Wiederholprinzipfindung
- Prinzipzuordnung
- Prinzipkombination
- Mathematische Ersatzmodelle zur Kombination
und zur Bewertung
bilden
- Auslegungs- und Bewertungsverfahren
- Prinzipsimulation
( z.B. Kinematik)
- Kostenschätzung
Datenbestände
- Ordnungssystem
- Prinzipelemente und strukturen
- Modellierungsregeln
(Kombinationsregeln,
Substitutionsregeln)
- 2D/3DDarstellungsgraphik
mit Prinzipzusammenhang
- Regeln zur Bildung
mathem. Ersatzmodelle
- Topologie (grober
Geometrie u.
von Wirkflächen)
- Kostenfaktoren
Bild
3.18:
Methoden,
Datenbestände
Prinziperarbeitungsphase nach [Ande-93]
und
EDV-Systeme
- Datenbanken
Merkmalsverarbeitungssy
steme
- Bibliotheken
- Graph. Darstellungssysteme
- Entscheidungstabellensysteme
- Expertensysteme
Berechnungssysteme/Aus
legungssysteme
- Simulationssysteme
Rechnerunterstützung
in
der
Gestaltungsphase benötigt
Methoden zum Entwurf der technischen Produktlösung (Dazu können Lösungskataloge und
zum Entwurf der geometrischen Gestaltung CAD-Systeme eingesetzt werden.),
Bewertung des Entwurfes durch Nachrechnung (FEM, Simulation) (Bild 3.19).
Gestalt
Methoden
- Wiederholteilfindung
(topologische kompl.
Einzelteile)
- Geometrisch
/topologische
Modellierung
- Normteilverwendung
- Variantenkonstruktion
- Zeichnungserstellung
- Auslegungs- und Bewertungsverfahren
(FEM,...)
- Simulation
- Technologiedefinition
grob
- Kostenoptimierung
Datenbestände
- Ordnungssysteme
- Geometrisch/topologische
Gestaltelemente u.
Strukturen
- Modellierungsregeln
- Normgerechte 2D/3DDarstellungsgraphik
(Bemaßung, Isometrie,
Texte, ...)
- Technologische Modelle
(Toleranzen,
Formelemente mit techn.
Bedeutung)
- Parametrische Modelle
anwendungspez. Modelle
(meist
gestaltsapproximierend
+ Octree, FEM, ...)
- Normteilkataloge
- Kalkulationsdaten
24
EDV-Systeme
- Datenbanken
Merkmalsverarbeitungssysteme
- Bibliotheken
- CAD-Systeme
- CAE-Systeme (z.B.
FEM)
- Entscheidungstabellensysteme
- Expertensysteme
Bild 3.19: Methoden, Datenbestände und Rechnerunterstützung in der Gestaltungsphase nach
[Ande-93]
Detaillierungsphase benötigt
Methoden zur Erstellung der Ausführungsunterlagen,
dazu werden Regelwerke, Tabellenwerte, Kataloge und Vorlagen (Zeichnungen) genutzt,
CAD-Systeme und Merkmalverarbeitungssysteme kommen zum Einsatz. Analyse- und
Simulationsmethoden stehen ergänzend zur Verfügung (Bild 3.20).
Detaillierung
Methoden
- Wiederholteilfindung
(Details)
- Detaillierung
(Optimierung
von Gestaltungszonen)
- Detailbemaßung
- Technologiedefinition
fein
Datenbestände
- Ordnungssysteme
- Datenmodelle
entsprechend
obiger Phasen
- Detaillierungsregeln
(fertigungs-, montage-,
korrosionsgerecht, ...)
- Detaillierungspezifische
Modellinhalte
(Oberflächeneigenschafte (Einzelheiten,
n)
assoziative Schraffur)
- Stücklistenerstellung
- Tabellen (Stücklisten)
- Auslegungs- u.
- Kalkulationsdaten
Bewertungsverfahren (incl. Kosten)
- Kostenoptimierung
EDV-Systeme
- Datenbanken
Merkmalsverarbeitungssysteme
- Bibliotheken
- CAD-Systeme
- Entscheidungstabellensysteme
- Analyse- und
Simualtionssysteme
Bild 3.20: Methoden, Datenbestände und Rechnerunterstützung in der Detaillierungsphase
nach [Ande-93]
3.2.1.3. Einsatz von CAD-Systemen in der rechnerintegrierten Produktion
CAD-Systeme werden in verschiedenen Bereichen der rechnerintegrierten Produktion
eingesetzt (siehe Bild 3.2). Ihren Einsatzschwerpunkt finden sie jedoch vor allem im
Konstruktionsbereich.
Dies
soll
jedoch
ausdrücklich
auch
den
Betriebsmittelkonstruktionsbereich mit einschließen (Entwurf von Werkzeugen,
Spannvorrichtungen u.a.). Geprägt sind CAD-Systeme dadurch, dass sie
Bauteile geometrisch und zeichnerisch beschreiben können,
diese rechnerintern darstellen und verarbeiten können.
Durch eine grafisch interaktive Gestaltung können mit Hilfe von CAD-Systemen
Bauteilgeometrien sukzessiv aufgebaut werden.
CAD-Systeme können in einer Vielzahl unterschiedlicher Branchen eingesetzt werden (Bild
3.21).
25
47
45
40
35
30
25
17
20
13
8
5
Elektronik
Elektrotechnik
Architektur
0
4
Karthographie
7
4
Anlagenbau
10
Sonstige
15
mechanische
Konstruktion
Branchenanteil CAD-Arbeitsplätze in %
50
Bild 3.21: Aufteilung der Gesamtanzahl aller CAD-Systeme auf unterschiedliche
Branchen nach [Abel-95]
Zur Beurteilung von CAD-Systemen können sowohl hardware- als auch softwarespezifische
Merkmale herangezogen werden.
Zu den Hardwaremerkmale gehören:
Konfiguration des Arbeitsplatzes - grafischer Bildschirm, Eingabegeräte, alphanumerischer
Bildschirm, ...
spezielle Funktionsprozessoren - Grafikprozessor
Erweiterbarkeit des Hardwaresystems - Speichererweiterung
weitere techn.-wiss. Anwendungen - Sprachen auf dem Rechner
Kopplung zu anderen Rechnersystemen - Netz
Basispreis
Zu den Softwaremerkmalen gehören:
Einsatzgebiet - z.B. mechan. Konstruktion
weitere Einsatzgebiete - z.B. Anlagenbau
Dialogführung - Bildschirm, Funktionstasten
Beschreibung/Modell - 2D/3D-Modell
analytische Elemente - Kurven, Flächen, Volumina
nichtanalytische Elemente - Kurven, Flächen (z.B. Splines)
Übergangselemente - Radius, Fase, Überstand
Verknüpfungsoperationen - für Kurven, Flächen, Volumina
invariante Benutzerelemente - z.B. Makros
automatischer Schnittgenerator - z.B. beliebig im Volumenmodell
Schraffur - z.B. offene Konturen
Bemaßung - DIN, ISO, ANSI
verdeckte Kanten
Gruppierung von Einzelbildern - z.B. Ebenentechnik
Abspeicherung nichtgrafischer Attribute
26
parametrisierte Variantenkonstruktion
grafische Programmiersprache - mit Schnittstellen zur Datenbank, externe Programme
aufrufbar
technische Berechnungen - z.B. FEM
Stücklistenerstellung
Arbeitsplanung
NC-Teilprogrammierung
Kopplung an PPS-Systeme
Kopplung zu anderen Softwaresystemen - IGES, STEP, VDAFS
sonstige Leistungen
Tendenzen in der CAD-Entwicklung (Auswahl):
3D-Systeme, Feature-Technik, parametrisches Konstruieren, Entwürfe in 3D bis hin zu
fotorealistischen Darstellungen, Erweiterungsmöglichkeiten mittels Programmiersprachen,
Aufbau von Bibliotheken, Einbindung von EDM-Funktionalität, neue Systemarchitekturen
(CAD-Referenzmodell, Bild 3.21a), konfigurierbare Systeme, Erweiterung durch
wissensbasierte Systeme, ...
Beispiele:
AutoCAD (Autodesk München), BRAVO (Applicon Rüsselsheim), CADAM/CATIA
(IBM Stuttgart), EUCLID (Matra Datavision München), EUKLID (FIDES Zürich bzw.
Strässle Stuttgard), ICEM (Control Data Frankfurt), KONSYS (Strässle Stuttgart), ME 30
(HP Ratingen), MEDUSA (Computervision Wiesbaden), PRO/ENGINEER (Parametric
München), Solid Designer (HP Ratingen), ...
Ein Merkmal soll einmal hervorgehoben werden - das geometrische Modell.
In Abhängigkeit von den Parametern Dimension und mathematische Beschreibungsart können
Geometrieelement-Klassen gebildet werden (Bild 3.22 , [Ande-93] 2-15):
Punkt,
Linie,
Fläche,
Volumen.
Darüber hinaus können geometrische Modelle nach der Dimension in
2D-Modelle,
2½D-Modelle,
3D-Modelle,
und nach den Abbildungsmerkmalen in
generative Modelle und
akkumulative Modelle
eingeteilt werden (Bild 3.23 - Bild 3.32).
Modellierungsarten:
1.
Drahtmodell/Gittermodell/Kantenmodell
Eigenschaften: Körperkanten werden durch Punkte und Linien abgebildet. Dies ist 2- und 3dimensional möglich.
27
Vorteile:
einfache und leicht beschreibbare Geometrietypen,
in der Vorgehensweise nahe konventioneller Konstruktionsweise,
anfallende Datenmengen und Speicherplatzbedarf gering,
kurze Antwortzeiten.
Grenzen:
Teile mit Freiformflächen nur bedingt beschreibbar,
„naturgetreue“ Darstellung des Teils nicht möglich,
als Basis für Weiterverarbeitung (z.B. NC-Bearbeitung) nur bedingt oder gar nicht
verwendbar.
Geometrietypen:
Punkt (mehrere Erzeugungsarten möglich),
Linie (Bild 3.33 , [Jäge-90] 2.3-1,2.3-2),
Kreis, Kegelschnitte (Ellipse, Parabel, Hyperbel) (Bild 3.34 , [Jäge-90]),
Freiformkurven (Gestalt wird durch definierende Punkte vorgegeben, Bezier-Kurven,
B-Splines, NURBS (Non Uniform Rational B-Splines)),
Polygonkurve (als Konturzug),
2D- Primitiva („regions“) (Bild 3.35 , [Jäge-90])
Eine Region ist als parametrisches Primitivum (Kreis, Ellipse, Poligon einschl. Rechteck)
durch Eingabe entsprechender Kennwerte oder direkt durch Umwandlung der als
geschlossene Kontur vorliegenden Polygonkurve zu erstellen. Boolsche Operationen
(Addition, Subtraktion, Schnittmengenbildung) sind anwendbar.
Darstellung:
als Kanten (ausblenden verdeckter Kanten nur bedingt möglich),
Schnitte liefern nur Punktmengen.
2.
Flächenmodell
Eigenschaften: Die Modellkanten und die Gestalt der eingeschlossenen Oberflächen werden
definiert.
Vorteile:
eindeutige Beschreibung der Konstruktion,
Berechnungen sind anschließbar,
naturgetreue Darstellung am Bildschirm möglich,
Durchgängigkeit zur weiteren Verarbeitung (CAP, NC).
Nachteile gegenüber Drahtmodell:
Aufwand zur vollständigen Modellierung höher,
größere Datenmengen, längere Antwortzeiten bei flächenspezifischen Operationen,
zusätzliche Schritte zur Erzeugung einer Werkstattzeichnung erforderlich.
Geometrietypen:
Regelfläche (surface ruled)
Zwei beliebig im Raum liegende Begrenzungselemente werden geradlinig verbunden.
ebene Fläche (surface plane)
Die ebene Fläche wird durch drei im Raum liegende Punkte definiert.
Zylinderfläche (surface cylinder)
28
Leitelement dieses Flächentyps ist ein Kreis oder ein Teil eines Kreises, sodann vektorielle
Verschiebung vom Anfangs- zum Endpunkt.
Drehfläche (surface of revolution)
Eine beliebige Kontur wird um eine Linie im Raum gedreht.
Spline-, B-Spline- oder Bezier- Fläche
Die entstehende Fläche läuft durch die vorgegebenen Splines oder Punkte.
sonstige Freiformflächen
Beispiel: Ausrundungsfläche (surface fillet), Hautfläche (skin surface)
Offsetfläche
Eine Parallelfläche wird mit konstantem Abstand zur Erstfläche erzeugt (Definition der
Wandstärke eines Profils) (Bild 3.36-3.37, [Jäge-90] 2.3-8 - 2.3-14).
Darstellung:
Flächen durch Linien visualisiert,
automatisches Schattieren und
automatisches Ausblenden verdeckter Kanten.
3.
Volumenmodell
Eigenschaften: Die Modellierung durch Volumina lässt die Definition von Körpern zu.
Volumenmodelle werden in der Regel aus einer Reihe von Primitivkörpern kombiniert.
Vorteile:
einfache Modellierung mit Hilfe von Primitivkörpern,
höchster Informationsgehalt aller Modellierungsarten sowie
automatische Ableitung von Draht-/Flächenmodellen.
Nachteile:
Modellierung erfordert Umdenken zur konventionellen Konstruktion,
Konstruktion mit komplexen Flächen nur eingeschränkt möglich,
hoher Berechnungsaufwand für Modellierung, hohe Rechnerleistung.
Geometrietypen:
Parametrische Primitiva
Block
(box)
Keil
(wedge)
Kugel
(sphere)
Zylinder (cylinder)
Kegel
(cone)
prozedurale Primitiva
Es wird auf bereits existierende Geometrien zurückgegriffen (Region, Poligonkurven).
Extrusionskörper
Drehkörper
Torus
Rohr
Hautkörper
Boolsche Verknüpfungen:
(solid of extrusion)
(solid of revolution)
(tube)
(skin solid) (Bild 3.38 , [Jäge-90] 2.3-15/16)
29
Im Volumenmodell sind die Verknüpfungen Vereinigung, Differenz und Schnittmenge
erlaubt. Primitive werden zu einem neuen Gebilde zusammengefasst (Bild 3.39, [Jäge-90]
2.3-17/18).
Eine weitere Möglichkeit eines räumlichen Modellierverfahrens ist die Zellzerlegung, d.h. der
Körper wird in eine endliche Zahl von Raumzellen aufgeteilt (z.B. Octree-Methode: Zerlegen
des Körpers in 8 gleiche Teile. Angewendet wird dieses Modellierverfahren z.B. bei FEM.
Eigenschaften:
beliebig genaue Approximation,
hoher Rechenaufwand,
einfache Mengenoperationen.
Zur rechnerinternen Darstellung von Volumenmodellen benutzt man die Boundary
Representation Methode (B-Rep.), wobei der Körper durch seine Begrenzungsflächen
beschrieben wird. Diese Methode gestattet eine schnelle Visualisierung (Bild 3.39a).
Als Alternative steht als Datenstruktur ein binärer Baum zur Verfügung (Bild 3.39b), der in
seinen Knoten Boolsche Operationen oder Transformationen enthält (Constructive Solid
Geometry, CSG).
Eine Verknüpfung beider Ansätze in einem Hybridmodell vereinigt die Vorteile beider
Ansätze.
3.2.2. Rechnergestützte Fertigungsplanung (CAP)
3.2.2.1 Einordnung und Aufgaben der Fertigungsplanung
Die Phase zwischen Konstruktion und Fertigung während des Produktentstehungsprozesses
wird durch die Arbeitsvorbereitung ausgefüllt. Die Arbeitsvorbereitung gliedert sich
schwerpunktmäßig in
die Fertigungsplanung (Arbeitsplanung),
die Fertigungssteuerung (Arbeitssteuerung) und
die Arbeitsüberwachung (Bild 3.40).
30
Arbeitsvorbereitung
Ist die Gesamtheit aller Maßnahmen
mit dem Ziel, ein Optimum aus Aufwand
und Arbeitsergebnis zu erreichen.
Arbeitsplanung
Arbeitssteuerung
Arbeitsüberwachung
Sie umfaßt alle einmalig auftretenden Planungsmaßnahmen und
sichert durch systematische Überlegungen und Festlegungen die
Vorraussetzungen zum rationellen
u. wirtschaftlichen Arbeitsablauf.
Sie umfaßt alle Steuerungs- und
Regelungsmaßnahmen, die zur
Durchsetzung des durch die
Arbeitsplanung festgelegten
sachlichen und zeitlichen
Arbeitsablaufes dienen.
Sie umfaßt alle Soll-Ist-Vergleiche
mit dem Ziel, auftretende Mängel,
Fehler und Schwachstellen festzu
stellen, und ihre Regelung bzw.
Behebung den zuständigen Verantwortlichen zu melden.
Bild 3.40: Beschreibung und Gliederung der Arbeitsvorbereitung [Rötz-91]
Wird die Fertigungsplanung rechnerunterstützt durchgeführt, spricht man von Computer
Aided Planning (CAP).
Innerhalb der Fertigungsplanung wird dabei untersucht, „aus welchem Material, nach
welchem Verfahren, mit welchen Fertigungsmitteln und in welchem Zeitraum ein Teil
hergestellt werden kann“.
Als Hilfsmittel werden dazu die in der Konstruktion erstellten Zeichnungen und Stücklisten
sowie die in der Fertigung zur Verfügung stehenden Fertigungsmittel, die Fertigungsmethoden
und -verfahren verwendet. Somit ist die Fertigungsplanung eine wichtige Schnittstelle
zwischen Konstruktion und Produktion (Bild 3.41).
Der Prozess der Arbeitsplanung kann in Abhängigkeit verschiedener charakteristischer
Merkmale wie folgt klassifiziert werden:
a) nach der Fertigung in
 Arbeitsplanung für konventionelle Bearbeitung sowie
 Arbeitsplanung für NC-, CNC-Bearbeitung (Bild 3.42, [Jäge-90]),
b) nach der Entwurfsmethode in
 Anpassungsplanung (Wiederholplanung, Regenerierungsprinzip),
 Ähnlichkeitsplanung (Variantenprinzip),
 Neuplanung (Generierungsprinzip).

31
Produktionsbereiche
Konstruktion
... umfaßt alle einmalig auftretenden Planungsmaßnahmen,
welcheunter ständiger Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit
die fertigungsgerechte Herstellung eines Erzeugnisses sichern.
Beispiele:
- Erstellung der Fertigungsstückliste
- Materialplanung
- Planung der Arbeitsvorgänge
- Fertigungsmittelplanung
Arbeitsvorbereitung
- Vorgabezeitermittlung
- NC-Programmierung
- Kostenplanung
- Methoden u. Investitionsplanung
Arbeitsplanung
Arbeitssteuerung
... umfaßt alle Maßnahmen, die für eine der Arbeitsplanung entsprechende Auftragsabwicklung erforderlich sind
Fertigung
Montage
Beispiele:
- Bedarfsermittlung für Baugruppen
und Einzelteile
- Nettobedarfsermittlung
- Einsteuertermine für Eigenfertigung
- Materialdisposition
- Maschinenbelegung
- Terminfeinplanung
- Kapazitätsabgleich
Bild 3.41: Definition und Aufgabenbeispiele zur Arbeitsvorbereitung nach [Ever-89]
3.2.2.2.
Stand, Probleme und Tendenzen der rechnergestützten Realisierung
Der Stand der Rechnerunterstützung ist noch „entwicklungsbedürftig“. Ein Grund für diese
Entwicklungslücke besteht in der bisher nicht passfähigen Kommunikation zwischen
Konstruktion (Weitergabe von geometrischen und technologischen Informationen) und
Arbeitsplanung [Züst-90].
Bisher in der Praxis eingesetzte Systeme kann man entsprechend der Methodik zur
Arbeitsplanung in
Verwaltungssysteme (Wiederholplanung, Variantenplanung) und
Generierungssysteme (Neuplanung)
einteilen.
Verwaltungssysteme
Sie sind meistens Komponenten eines PPS-Systems. Ein Klassifizierungsmerkmal dient zur
Suche nach ähnlichen Arbeitsplänen. Eine Aktualisierung ist möglich. Da keine Mechanismen
zur Arbeitsplangenerierung vorhanden sind, erfüllen sie nicht die Anforderungen an ein CAPSystem (Bild 3.42a).
Variantenverfahren: Das Variantenverfahren verwendet die Klassifikation und Codierung von
Teilen als Ausgangsbasis für den Arbeitsplanungsprozess. Wenn ein Plan für die Fertigung
eines neuen Produktes erstellt werden muss, wird ein vorhandener Standardplan für ein
ähnliches Produkt abgerufen und hinsichtlich der neuen Produktdaten modifiziert. Bei diesem
Plan kann es sich um ein nicht parametrisiertes Modell eines Teils handeln, in das der
Benutzer nur noch die Parameter des zu beschreibenden Teils einfügen muss. Dieses
Verfahren bietet sich an, wenn zwischen einzelnen Produkten große Ähnlichkeiten bestehen
[ReNS-94].
32
Datei mit der Zusammenstellung der Teilefamilie
Teileklassifizierungs-Code
Auftrag
Suche nach
Teilefamilie
TeileklassifizierungsCode
Standardarbeitsplan
Abrufen von
StandardArbeitsplänen
Arbeitsgangplanungsdatei
Abrufen bzw.
Editieren des Bearbeitungsplans
Arbeitsplan
Verarbeitung
von
Arbeitselementen
Arbeitsplan
Arbeitsplanformatierung
Bild 3.42a: Variantenverfahren: CAPP-System [ReNS-94]
Generierungssysteme
Der Fertigungsplaner gibt in das System auftrags- und werkstückspezifische Daten und je
nach Automatisierungsgrad fertigungstechnische sowie technologische Daten ein. Der
Rechner ermittelt nach einer Planungskopie die arbeitsplanspezifischen Daten. Je nach
Planungslogik handelt es sich um
konventionell programmierte Systeme,
technologieorientierte Systeme,
Systeme auf der Basis von Entscheidungstabellen und
Systeme auf der Basis von Expertensystemen [Roth-91] (Bild 3.42b).
Generatives Verfahren: Demgegenüber verwendet das generative Verfahren bei der
Arbeitsplanung keinen gespeicherten Standardplan. Zum Erstellen eines Plans verwendet das
System Informationen bezüglich der Teilegeometrie, Bearbeitungs- bzw. Montagedaten,
Informationen über Maschinen (einschließlich Robotern) und deren Parameter sowie Regeln
zur Arbeitsplanung. Zur Zeit steht noch kein generatives Arbeitsplanungssystem im
eigentlichen Sinn zur Verfügung [ReNS-94].
33
entweder
merkmalbasierte
Konstruktionsdaten
oder normales Modellierungssystem mit einem
Modul zum Heraussuchen der Merkmale
Merkmale inkl.
Positionsangabe
(Ort u.Ausrichtung)
FertigungsprozeßWissensbasis
Auswahl des
Fertigungsprozesses
RohmaterialDatenbank
Auswahl des
Rohmaterials
SpannmittelWissenbasis
Aufspannverfahren
WerkzeugWissensbasis
Auswahl der
Werkzeuge
DB mit Bearbeitungsparametern
Modul zur
Planung des
Schneidewegs
Schnittparameter
Schneideweg
NC-Maschnine
Bild 3.42b: Generatives Verfahren nach [ReNS-94]
Eine Klassifizierung nach Eversheim vermittelt Bild 3.43.
In Abhängigkeit von der Komplexität der Planungsaufgabe unterscheidet man weiterhin in
einfache und komplexe Planungsaufgaben.
Einfach sind Planungsaufgaben immer dann, wenn ihre Lösungen in allen Schritten
vorbestimmt werden können und dann zu Routinearbeiten werden. Hierfür bietet sich
besonders ein EDV-Einsatz an (z.B. automatische Arbeitsplanerstellung oder NCProgrammentwicklung) (Bild 3.44).
Bei komplexen Planungsaufgaben sind die Algorithmen nur bedingt eindeutig zu formulieren.
Rechner können Teilschritte unterstützen. Das Zusammenwirken der Prozesse der Arbeitsvorbereitung zeigt uns Bild 3.45 [Rötz-91].
Eine Zusammenfassung über die Integration der Arbeitsvorbereitung im gesamten
unternehmerischen Prozess sowie eine Übersicht der Detailaufgaben der Arbeitsvorbereitung
beinhaltet Bild 3.46 [Rötz-91].
34
Rechnereinsatz im
Planungsbereich bei:
Rechnereinsatz im
Planungsbereich bei:
Kleinserie
Große Serie
Planungssituation
Planungssituation
breites Typenspektrum
großer Datenumfang
kleines Typenspektrum
geringe Datenmengen
Vielzahl von Arbeits- u.
Zeitelementen
Überschaubare Anzahl von
Arbeits- und Zeitelementen
hoher personeller
Routine-Planungsaufwand
relativ kleiner RoutinePlanungsaufwand
kurze Veränderungsrate
geringe Veränderungsrate
Daraus läßt sich herleiten:
Daraus läßt sich herleiten:
Rechnereinsatz
lohnt sich
Rechnereinsat
von Fall zu Fall
Bild 3.44: Rechnereinsatz im Planungsbereich bei Klein- und Großserienfertigung [Rötz-91]
Der Stand der Rechnerunterstützung für die Arbeitsplanung lässt sich kurz umreißen:
1. Marktreife CAP Systeme sind isolierte Entwicklungen, die schwer in ein
Unternehmenskonzept zu integrieren sind.
2. Forschungen konzentrieren sich auf Teilprobleme der Planung, wie Teilarbeitsgangfolge,
Werkzeugauswahl, Schnittwerte oder Fertigungsverfahren.
3. Hoher Implementierungs- und Einführungsaufwand ist vorhanden [Ever-89].
4. Produktionsmittel (Maschinen, Werkzeuge, Spannmittel) sind starr eingebunden.
5. Expertensysteme werden entwickelt, um eine dynamische Generierung von Arbeitsplänen
zu bewerkstelligen [BuWL-89] [EvCl-89] [MeHo-92] [Krau-92].
Als zukünftige Entwicklungslinien werden angekündigt:
1. direkte Übernahme von Produktdaten aus CAD,
2. Schaffung eines gemeinsamen Datenmodells CAD/CAP,
3. Entwicklung von Systemfunktionen und Systemstruktur (Bild 3.47).
Erfassung neuer
Einsatzbereiche
Methodenorientierte
Gestaltung der Systeme
Einsatz von KIMethoden
CAP
Entwicklungstendenzen
Arbeitsplanerstellung
Integration mit der
NC-Programmierung
EDV-gestützte Steuerung
des Auftragsdurchlaufes
35
Integration mit CAD
Einsatz von Datenbanken
CAD/CAP-Datenmodell
Bild 3.47: Entwicklungstendenzen bei rechnerunterstützten Arbeitsplanerstellungssystemen nach [EvCL-89]
Beispiele für CAP-Systeme:
CAPP-System (Computer-Automated Process Planing)
Als Forschungsprojekt im Rahmen CAM-I von Mc Donnell Douglas Automation Comp.
entwickelt, in ANSI-Fortran geschrieben, Datenbanklösung mit Abfragelogik und
interaktivem Editor, Variantenarbeitsplanungssystem.
AUTAP (Automatisches Arbeitsplanungssystem)
Von TH Aachen entwickelt, generativ auf Entscheidungstabellen basierend, für
rotationssymmetrische und Blechteile, baut auf CSG-Struktur auf, Arbeitsgangfolge,
Maschinen-, Werkzeug-, Material-, Spannvorrichtungsauswahl wird vorgenommen, NCProgramme möglich.
INFID (Integrated Fixture Design)
Von den Instituten IFQ und ITI der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg entwickelt, u.a.
ermöglicht das Modul das Komponieren von Baukastenvorrichtungen aus 3D-Normalien und
Lösungskatalogen (Bild 3.47a, [PKSM-95]).
Weitere CAP-Systeme siehe Marktübersichten oder Zusammenstellungen (Bild 3.47b, [Remb90]).
3.2.3. Rechnerunterstützte Fertigung (CAM)
3.2.3.1. Einordnung und Aufgabenstellung
Mit CAM sind alle Aktivitäten in einem Industriebetrieb angesprochen, die den
Herstellungsprozess von Gütern direkt betreffen. Dazu zählen insbesondere die Vorgänge
Fertigen,
Handhaben,
Transportieren und
Lagern.
Zweck der Fertigung: aus einfachen Ausgangsstoffen (Material, Halbzeuge, Normteile,...)
komplexere und hochwertigere Endprodukte erzeugen.
Zielrichtung des Einsatzes von Computern: Automatisierung und Rationalisierung der
Fertigung bei gleichem oder höherem Qualitätsniveau der Erzeugnisse.
In der Fertigung wirken Menschen, Maschinen und Betriebsmittel im Produktionsprozess
zusammen. Gute Einsatzfelder für Computer sind die Fertigung auf Werkzeugmaschinen oder
anderen Fertigungsanlagen. Weniger ist noch die Montage geeignet.
In die Fertigung führen
Materialströme und
Informationsströme.
Informationsströme bestehen aus
Vorschriften zur Herstellung und Montage von Einzelteilen, Baugruppen und
Enderzeugnissen (Zeichnungen, Stücklisten, Arbeitspläne, NC- und CNC-Steuerprogramme)
und
36
auftragsgebundenen Informationen, die mit der Planung, Überwachung und Sicherstellung
von Terminen und Fertigungskapazitäten sowie der Disposition und Bereitstellung des
Ausgangsmaterials zu tun haben (überwiegend im PPS-Bereich bearbeitet).
Aufgaben im CAM-Bereich:
termingerechtes Erfassen,
Herantransportieren an die verschiedenen Arbeitsplätze,
Handhaben an Arbeitsplätzen,
Zwischenlagern,
Bearbeiten und
Abtransportieren.
Diese Funktionen beziehen sich nicht nur auf das Bereitstellen und Bearbeiten des Materials,
sondern auch auf das Bereitstellen von Werkzeugen, Vorrichtungen, Transporteinrichtungen,
Ver- und Entsorgungseinrichtungen.
Aus dem Fertigungsbereich heraus fließen ebenfalls Informationsströme, die über ein
rechnergestütztes Rückmeldesystem (BDE-Betriebsdatenerfassung) organisiert werden. Zu
den Daten der Rückmeldung gehören:
Auftragsdaten (Fertigungssteuerung),
Maschinendaten (Nutzung),
Personaldaten (Entlohnung),
Qualitätsdaten (Ausschuss),
Prozessdaten (Diagnose) und
Materialdaten (Bestandsführung).
3.2.3.2. Rechnereinsatz im CAM-Bereich
Der CAM-Bereich soll noch einmal grob hinsichtlich des Rechnereinsatzes in die Wirkfelder
1. Fertigungsautomatisierung und
2. computergestützte Fertigungsorganisation
unterteilt werden [Sche-90b].
zu 1.
Einsatz von Rechentechnik in der Fertigungsautomatisierung
in Werkzeugmaschinen
NC- Maschinen
(NC - Numerical Control, Bild 3.48, [Sche-90b] B1 20a,b,c)
Das Programm wird über Lochstreifen in die Maschine eingegeben. Die Steuerung selbst
ist gut verdrahtet. Die Änderung der Steuerung ist nur schwer möglich. Die Änderung des
Programms erfolgt über einen neuen Lochstreifen.
CNC- Maschinen
(CNC - Computerized Numerical Control)
An der Maschine wird ein Kleinrechner (Mikroprozessor) eingesetzt, der die Aufgaben der
numerischen Steuerung übernimmt. Programmeingaben sind direkt an der Maschine
37
möglich und somit sind leichte Änderung machbar. Die Eingabe erfolgt auch über
Lochstreifen, dann ist das Programm jedoch im Speicher verfügbar.
DNC- Systeme
(DNC - Direct Numerical Control)
Mehrere NC- und CNC-Maschinen werden mit Rechner verbunden, der die einzelnen
Steuerprogramme verwaltet und zeitgerecht an die Maschine verteilt. Eine
Programmierung an diesem zentralen Rechner möglich. Der DNC-Rechner ist auch für
Auswertungs- und Erfassungsfunktionen nutzbar (Bild 3.49, [Jäge-90] 6.3-2).
in Robotern
Bei der automatischen Steuerung von Handhabungsgeräten und Robotern treten ähnliche
Probleme auf wie bei der Werkzeugmaschinensteuerung. Eine Besonderheit bildet die
Programmierung. Neben der Nutzung von Programmiersprachen ist die so genannte PlayBack- und Teach-In-Programmierung (On-line-Programmierung) möglich.
Play-Back-Programmierung
Der Roboter wird durch manuelles Führen seines Werkzeugträgers oder Greifers
bewegt. Die ausgeführte Bewegung wird gespeichert und in ein Anwenderprogramm zur
Steuerung des Roboters umgesetzt, das anschließend beliebig oft abrufbar ist.
Teach-In-Programmierung
Eine Bewegung wird durch eine Folge von Schalter- und Tastenbetätigungen ausgeführt,
die dann ebenfalls gespeichert wird und zum Abruf bereitsteht.
Eine Off-line-Programmierung ist immer dann angeraten, wenn umfangreiche Daten aus
vorgelagerten Prozessen (z.B. Geometriedaten aus CAD) übernommen werden sollen
(Bild 3.50 , [Jäge-90] 6.4-2).
Roboter sind mit Sensortechniken ausgerüstet, um Eigenschaften von Werkstücken und
Werkzeugen zu erfassen und darauf zu reagieren. Das erfordert die Implementierung
von Logik bis hin zur Nutzung von Expertensystemen.
in Lagersystemen
Automatische Fertigungsprozesse erfordern auch eine Automatisierung der Bereitstellung
von Werkzeugen, Werkstücken und Maschinen. Dazu werden zunehmend automatisierte
Lagersysteme eingesetzt. Ihre Aufgabe besteht darin, einzelne Lagerbehälter oder Flächen
zu verwalten und die Ein- und Auslagerungen zu steuern. Hierbei kommen dedizierte
Steuersysteme zum Einsatz, die im Real-Time-Modus arbeiten (Prozessrechnereinsatz).
in Transportsystemen
Zur Automatisierung von Transportsystemen werden die so genannten fahrerlosen
Transportsysteme (FTS) eingesetzt. Sie werden auf Induktionsschleifen, die die
Transportwege festlegen, geführt. Zur Steuerung werden Positionsdaten der Fahrzeuge,
Herkunfts- und Zielort sowie Mengendaten benötigt.
zu 2.
Computergestützte Organisationsformen
Durch die Kombination verschiedener computergestützter Systeme in der Fertigung haben
sich neue Organisationsformen herausgebildet. Als Bindeglied dient die Tendenz zur
stärkeren Integration von Funktionen.
Bearbeitungszentren
38
Ein Bearbeitungszentrum ist eine Maschine, die über eine NC-Steuerung und einen
automatischen Werkzeugwechsel verfügt, so dass die Ausführung von mehreren
Arbeitsoperationen in einer Aufspannung möglich wird (z.B. Bohren, Fräsen).
Einsatz: in der Klein- und Mittelserienfertigung
Flexible Fertigungszellen
Bestehen aus automatisierten Maschinen, einem Pufferlagersystem für Werkstücke und
einer automatischen Spann- und Beladestation. Zusätzlich gibt es computergestützte
Funktionen zur
Werkzeugbruchkontrolle,
Werkzeugverschleißmessung,
automatische Standzeitüberwachung der Werkzeuge u.a. können zur Verfügung stehen.
Einsatz: Bearbeitung ähnlicher Werkstücke über einen längeren Zeitraum.
Flexible Fertigungssysteme
Flexible Fertigungssysteme bestehen aus:
Bearbeitungssystem,
Materialflusssystem und
Informationsflusssystem
die untereinander verbunden sind. Die gesamte Steuerung wird vom Computer
übernommen (Bild 3.51, [Sche-90b] 1.21).
Einsatz: Durchführung verschiedener Fertigungsaufgaben in verschiedener Reihenfolge
ohne größere Umrüstverluste.
Fertigungs- und Montageinseln
Kriterium: alle zu einer Fertigung in der Insel benötigten Ressourcen sind intern vorhanden
und werden durch weitgehend autonome Planungs- und Steuerungsfunktionen bedient.
Flexible Transferstraßen
Kriterium: schnelle Umrüstbarkeit des Systems mit Anpassung an wechselnde
Fertigungsaufträge.
Betriebsdatenerfassung (BDE)
In jeder Betriebsorganisation stellt das Rückmeldesystem aus dem Betrieb besondere
Anforderungen.
Früher:
Belegrückfluss dauerte Stunden oder Tage.
Schlussfolgerung: automatisierte Fertigung benötigt ständig On-line-Informationen aus
dem Betriebsgeschehen.
Jetzt:
automatisierte BDE als integrierter Bestandteil des gesamtheitlichen
EDV-Konzeptes.
Felder der BDE sind:
+ Auftragsdaten
Der Bearbeitungsfortgang des Auftrages wird kontrolliert.
+ Zeitwirtschaft
Eine Zeitkontrolle ist bis hin zum Arbeitsplatz möglich. Dadurch werden z.B. sowohl die
auftragsbezogenen Fertigungskosten als auch die Entlohnung des Bedieners berechenbar.
+ Materialdaten
+ Fehlteile,
39
d.h. Teile, die zur geforderten Zeit nicht verfügbar sind, verursachen kostenbeeinflussende
Störungen der Betriebsorganisation. Mit Hilfe einer modernen BDE ist eine termin- und
mengengerechte Planung der Materialien möglich (Just-In-Time). Der aktuelle Stand ist
ständig unter Kontrolle.
Maschinendatenerfassung
Die Verfügbarkeit der vorhandenen Maschinenkapazitäten ist ein wesentliches Kriterium
für die Wirtschaftlichkeit. Stillstandsmeldungen können gemeldet und bewertet werden.
Diagnose
Nimmt man sämtliche Informationen, die im FertigungsProzess erfaßt werden, als
Datenbasis, so können darauf aufbauend nicht nur Steuerungen entwickelt werden,
sondern man kann auch aus dem „Verhalten“ der einzelnen Bestandteile des
Wirkungsfeldes der Fertigung Rückschlüsse über Verschleiß, Fehleranfälligkeit,
Zuverlässigkeit usw. ziehen und entsprechende vorbeugende Maßnahmen einleiten.
3.2.4. Rechnerunterstützte Qualitätssicherung (CAQ)
3.2.4.1. Qualitätssicherung- Eine Aufgabe mit zunehmender Bedeutung
Die Qualität der Produkte ist der Garant für den Erfolg auf den Märkten.
Der Grundsatz „Je höher die Qualität der Produkte, desto höher der Gewinn des
Unternehmens“ [LuNe-86] ist statistisch gesichert.
Deshalb: Qualitätssicherung als Unternehmensgrundsatz oder -leitlinie als Strategieziel.
Entwicklungsanforderung: Computer Aided Quality Assurance (CAQ)
Vor der Entwicklung und Einführung steht, wie bei allen Systemen, die Analyse des
Wirkungsfeldes. Dieses Wirkungsfeld erstreckt sich sowohl auf die CAD- als auch auf CAMProzesse. Bereits in der Entwicklung sind die Qualitätsmerkmale zu bestimmen.
Was ist Qualität ?
Qualität liegt vor, wenn die vereinbarten Qualitätsmerkmale in ihren Werten die
vorgegebenen Grenzen einhalten, d.h. wenn also die Qualitätsanforderungen erfüllt sind.
Wie werden die Qualitätsmerkmale ermittelt (3 Möglichkeiten)?
1. Zielwerte aus Konstruktion und Erprobung,
2. Zielwerte bzgl. Qualität und Zuverlässigkeit aus dem am Produkt mess- und
beurteilbaren Eigenschaften,
3. Werte, die aus Erfahrungen mit vergleichbaren Produkten gewonnen wurden.
Einen Ausschnitt aus der Problemanalyse in Bezug auf die EDV-Einsatzmöglichkeiten zeigt
Bild 3.52 ([Jäge-90] 7.2-1).
Probleme bei der Umsetzung in rechnerunterstützte Arbeitsweisen bestehen wie folgt:
Qualitätssicherung in den Betrieben heißt heute noch Überwachung der laufenden
Fertigung, d.h. Tagesgeschäft,
Prüfplanung, statistische Auswertungen, gezielte Qualitätsprogramme sind aus
Kapazitätsgründen noch hintenangestellt,
darüber hinaus sind die Methoden der Qualitätstechnik in der Einzel- und
Kleinserienfertigung nur bedingt anwendbar.
40
Im Vorfeld des EDV-Einsatzes zur Qualitätssicherung ist es erforderlich, den Bezug der
Probleme zur EDV zu klären.
Es bestehen drei Möglichkeiten:
1. Eine Reihe von Problemen berühren den möglichen EDV-Einsatz nicht. Hier sind rein
organisatorische Lösungen zur Abhilfe zu finden. So kann z.B. das notwendige Know-how
mangels ausgebildeter Prüfer fehlen.
2. Andere Problempunkte stehen einem sinnvollen EDV-Einsatz zunächst entgegen. Für DVgestützte Fehleranalysen müssen z.B. Codes für die Fehlerursachen und -arten vorhanden
sein.
3. Viele Probleme werden durch den EDV-Einsatz positiv beeinflusst oder ganz gelöst, z.B.
die Aktualität der Qualitätsinformationen. Diese Beziehungen zwischen Problemursachen,
Auswirkungen und DV-Bezug können in einer Matrix bewertet werden (Bild 3.53, [Jäge90] 7.2-2).
Bei der Einführung von CAQ-Systemen kann man generell zwei Wege beschreiten:
Eigenentwicklung
Setzt Prozess- und EDV-Erfahrungen voraus. Ist relativ aufwendig. Bei Erfolg jedoch sehr
effizient, da das eigene Know-how komplett verarbeitet werden kann.
Verwendung von Standardsystemen
Hierbei ist ein mehr oder weniger hoher Ausgangsaufwand zu betreiben.
3.2.4.2. Aufbau von CAQ-Systemen
Optimierte Qualitätssicherung erfordert ein integriertes Qualitätssicherungssystem, das
Qualitätsplanung,
Qualitätsprüfung und
Qualitätslenkung
über alle Unternehmensbereiche und über den gesamten Produktentstehungszyklus in ein
einheitliches Konzept einbindet. Das Kernstück eines solchen CAQ-Systems ist ein
Informations- und Steuerungssystem, das alle relevanten Qualitätsdaten eines Betriebes
verwaltet. Die Funktion eines CAQ-Systems verdeutlicht Bild 3.54 ([Jäge-90] 7.3-1).
Die funktionale Basis für ein CAQ-System ist der Prüfplan. Dieser enthält Angaben zur
- Teiledefinition (um welches Teil handelt es sich),
Hersteller/Fertigungsstätte (von wem wird es gefertigt),
alle qualitätsrelevanten Merkmale für dieses Teil und
pro Merkmal:
das Prüfmittel (die Prüfmittelgattung),
die Stichprobengröße (bzw. Stichprobentabelle),
die Art der Beurteilung (qualitativ und quantitativ),
Sollwerte und Toleranzen (Bild 3.55) [Remb-90].
Der generell hohe Informationsbedarf und -austausch in der Fertigung führt zu einem
Hardwarekonzept, das durch eine Dezentralisierung von Automatisierungssystemen mit
spezifischen Aufgaben gekennzeichnet ist. Diese sind in eine übergreifende Rechnerhierarchie
einzubinden. Die Vorteile dieses Konzeptes sind:
hoher Systemdurchsatz,
41
jede Ebene arbeitet in erster Linie mit den Daten, die auf dieser Ebene wichtig sind,
keine Überlagerung mit Funktionen und Daten anderer Anwendungssysteme und
Ebenen,
durch möglichst autarke Rechner hohe Betriebssicherheit (SCP-Statistische
Prozessregelung) (Bild 3.56)
Planungsebene
Zentral-Rechner
PPS
Kommerzielle DV
Leitebene
CAQ-Leitrechner
Prüfplanung
Qualitätssenkung
Prozeßebene
Prüfausführung
PrüfSystem
PC
PrüfSystem
andere
Bereiche
SPC
System
Bild 3.56: CAQ im Mehrebenen-Rechnerkonzept nach [Jäge-90]
Besonderheiten bei der Qualitätssicherung sind durch diese Randbedingungen gegeben:
Trend zur Prüfung vor Ort,
Trend zur messenden Prüfung und Verarbeitung der Messdaten,
Trend zur automatischen Prüfung mit verstärktem Einsatz von Prüf- und Testsystemen,
wachsendes Aufkommen von Qualitätsdaten,
offene Schnittstelle zum PPS-System.
3.2.5. Produktionsplanung und -steuerung (PPS)
3.2.5.1. Aufgaben und Stellung des PPS im Unternehmen
Produktionsplanung und -Steuerungssystem - als mittleres integriertes Element in einer
rechnergestützten strukturierten Fabrikorganisation oder als gleichberechtigte CIMKomponente ?
Betrachtet man die Aufgabe eines Betriebes als ein Einheit, die einen von außerhalb
herangetragenen Bedarf (einen Auftrag) anzunehmen und diesen Bedarf durch die Herstellung
und Lieferung eines Produktes zu befriedigen hat, so stellt ein PPS-System eine zentrale
Einheit nach Bild 3.57 dar, die die Kundenaufträge entgegennimmt und in Zusammenarbeit
mit den anderen CIM-Komponenten bzw. durch Steuerung für eine termingerechte
Lieferung des Produktes zu sorgen hat.
42
Unternehmensplanung
CAD
CAP
CAQ
Bedarf
Auftrag
PPS
Lieferung
CAM
Bild 3.57: Produktionsplanungs- u. -steuerungssystem PPS als integriertes Element
im cIm-Konzept nach [Jäge-90]
Aufgabe des PPS
Die Produktion im Sinne der Unternehmensziele zu lenken und jederzeit den aktuellen Stand
der Produktion durchsichtig machen. Organisatorisch festgelegte Vorgehensweisen sollen
weitgehend automatisch ablaufen, Alternativen sollen zur Entscheidung angeboten werden
und gestellte Aufgaben sollen in ihrer Erfüllung verfolgt werden können.
Ausgehend von dieser Aufgabenstellung kommt dem PPS tatsächlich eine Schlüsselrolle zu.
Geht man jedoch vom heutigen Stand der Technik aus, so kann man die Aufgabenziele eines
PPS-Systems wie folgt umreißen:
Das PPS-System verwaltet Arbeitspläne und Stücklisten, Werkzeug- und
Kapazitätsstammdaten. Ferner ermittelt das System Solltermine aufgrund der Kapazitäts-,
Material- und Werkzeugsituation. Es überwacht Aufträge unabhängig vom
Fertigungstermin. Das heißt, PPS-Funktionen sind die auftragsbezogenen Funktionen der
Arbeitsvorbereitung (Bild 3.58, [Rötz-91] 4-5)
Der Informationsaustausch mit den anderen CIM-Komponenten erfolgt zumeist noch über
einen Datenträger und lässt die Funktion der „Integrationsdrehscheibe PPS“ noch nicht
erkennen.
43
Kundenauftragsbearbeitung
Fertigungsauftragsbearbeitung
Stücklisten- und
Arbeitsplanverwaltung
Finanz- und Betriebsbuchhaltung
(interne Betriebsabrechnung)
Produktionsund Materialplanung
Fertigungssteuerung
Lohn- u. Gehaltsabrechnung
PPS-System
Termin- u. Kapazitätsplanung
(Terminierung)
Bestandsführung
und Disposition
Kalkulation
Einkauf
Bild 3.58: Anwendung des PPS-Systems für die Fertigungsindustrie nach [Rötz-91]
Produktionsplanung
Planungsmethodisch gibt es
Sukzessivplanung
Primärbedarfsplanung (Produktionsprogrammplanung),
Materialwirtschaft (Mengenplanung),
Zeitwirtschaft (Termin- und Kapazitätsplanung),
Auftragsfreigabe (Auftragsveranlassung) oder
Simultanplanung
Hierbei wird nicht in Zeit- und Materialwirtschaft unterschieden, sondern integriert
geplant.
Produktionssteuerung
Betriebsdatenverarbeitung
überwacht die ausgelösten Fertigungsaufträge,
Fertigungssteuerung
bestimmt kostengünstige Fertigungsfolgen für die Arbeitsgänge der freigegebenen
Fertigungsaufträge. Verfahren zur Fertigungssteuerung sind Schiebekonzept, JIT-Konzept,
Fortschrittzahlenkonzept, OPT-Konzept, Belastungsorientierte Freigabe.
3.2.5.2. Die Elemente eines PPS-Systems und deren Aufgaben
Stücklistenwesen
Das zentrale Element eines Informationssystems in einem fertigenden Unternehmen ist die
Stückliste. Sie enthält die
Mengen aller Baugruppen,
Teile,
Rohstoffe sowie
44
weitere Stammdaten von Erzeugnissen, Baugruppen, Teilen.
Stücklisten durchlaufen im Produktentstehungsprozess einen Wandel. Die Konstruktion
erstellt z.B. eine Basisstückliste, die von der Arbeitsvorbereitung in eine Fertigungsstückliste
überführt wird. Stücklisten sind z.B.
Übersichts- oder Mengenstückliste (Auflistung aller Teile),
Strukturstückliste (gibt Struktur eines Erzeugnisses an),
Baukastenstückliste (Struktur einer Baugruppe nach Funktion oder Montage),
Variantenstückliste (enthält Stücklisten ähnlicher Ausführungen).
Zur Umwandlung der Basisstückliste in eine andere Form stehen Stücklistengeneratoren zur
Verfügung. Das PPS-System verwaltet diese Stücklisten.
Als Verwaltungsfunktionen stehen an:
Anlegen/Ändern,
Löschen,
Kopieren,
Drucken.
Arbeitsplanverwaltung
Arbeitspläne werden in CAP-Systemen erstellt. Die Struktur beinhaltet im wesentlichen die
zur Fertigung notwendigen Informationen (Bild 3.59):
Werkstoffe, Werkstoffabmessungen,
Reihenfolge und Art der Arbeitsgänge,
Maschinen,
Werkzeuge und Vorrichtungen,
Kostenstelle,
Lohngruppe,
Zeitbedarf je Arbeitsgang.
Arbeitsplan
Benennung: Deckel
Werkstoff:
Zeichnungs-Nr.: 45-6159
ArbeitsplanNr.:103012
Rohteil GG 22 Auftragsmenge: 3000
Folge Kosten Arbeitsgang
-stelle
Maschine
1
Drehmaschin Vierbackenfutter 7
e
Innendrehmeißel
155
Innendrehen
Werkzeug
Vorrichtung
Ausstellung: 15.9.89
Stirnfläche
plandrehen
2
156
158
tr
(min)
te
(min)
48
7,8
42
3,0
72
3,0
Drehmeißel
4 Löcher bohren Bohrmaschin Bohrvorrichtung 6
e
Bohrer
und senken
3
Lohngruppe
Senker
2 Flächen fräsen Fräsmaschine Fräsvorrichtung 6
Fräser
Bild 3.59: Arbeitsplan zur Span abhebenden Bearbeitung eines Produktes [Rötz-91]
45
Die Informationen zu einem Arbeitsplan werden geordnet in
Kopfdaten (AP-Nr, Teile-Nr, Z-Nr, Benennung, Plantyp, Werkstoffart, Änderungsstand-Nr.,
Messgrößenbereich, Durchlaufzeit, Freigabekennzeichen, Arbeitsplaner bzw. Sachbearbeiter),
Arbeitsvorgangsdaten
(Vorgangs-Nr,
Arbeitsplatz,
Vorgabezeiten,
Lohngruppe,
Beschreibung, Vorgangsart, Liegezeit).
Als Funktionen hat das PPS zu unterstützen:
Anzeigen, Erstellen, Verwalten von Arbeitsplänen,
Anzeigen, Erstellen, Verwalten von Arbeitsgängen,
Transaktionsübersicht über alle Arbeitsvorgänge,
Kopieren, Umnummerieren von AP, AG,
Anzeigen (Abfragen) zum Arbeitsplan, Materialverwendung Werkzeugverwendung,
Arbeitsplatzverwendung.
Im Rahmen der Nutzung innerhalb der Arbeitsplanung kann auch eine
Betriebsmittelverwaltung (Werkzeuge, Vorrichtungen) aufgebaut werden.
Produktionsplanung
Aufgabe der Produktionsplanung: Vorgabe der Produktionsmenge der Enderzeugnisse für
einen bestimmten Zeitraum.
Vorgehensweise:
Online-Eingabe von Produktionsplanungsdaten, Bedarfsvorhersagen, Lieferplänen und
Auftragsbeständen,
Festlegung der Variantengliederung der Endergebnisse,
Erstellung des vorläufigen und endgültigen Produktionsplanes, bezogen auf Menge und
Wertausbringung
Durchführung von Online-Simulationen verschiedener Produktionspläne (Bild 3.60, [Rötz-91]
4-17)
Materialbedarfsplanung und Materialwirtschaft
Aufgabe der Materialbedarfsplanung: Festlegungen zum Material in Stoff, Menge, Termin
Kriterium: optimale (kostengünstige) Bestellungen ermitteln, Lieferbereitschaft sicherstellen
Dazu gehören:
Lagerbestandsführung,
Bedarfsrechnung mit Bedarfswertzusage,
aktuelles Bestellsystem mit Terminprüfung sowie
Anwendung geeigneter Dispositionsverfahren.
Aufgabe der Materialwirtschaft: Planung und Durchführung der Materialbeschaffung und
Bereitstellung (Bild 3.61/3.62, [Rötz-91] 4-24/4-26)
Die Materialwirtschaft bedient sich der
Materialbewegungen verfolgt werden können.
Materialflusspläne,
mit
denen
alle
Kapazitätsplanung
Aufgabe
der
Kapazitätsplanung:
Planung
der
Ressourcen
(Arbeitskräfte,
Fertigungsressourcen) nach Termin und Arbeitsplatz- oder Arbeitsbereichsebene (Bild 3.63 ,
[Rötz-91] 4-30)
Fertigungsauftragsabwicklung und Kundenauftragsbearbeitung
46
Fertigungsauftrag: Definiert, welche Leistung zu welchem Termin unter Einbringung welcher
Ressourcen zu tätigen ist, welche Kosten anfallen und wie Kosten zu verrechnen sind. Die
Fertigungsauftragsabwicklung übernimmt die Kontrolle über die Historie des
Fertigungsauftrages. Funktionen auf einem Fertigungsauftrag sind:
Anlegen der Auftragsdaten (Stammdaten),
Auftragseröffnung,
Arbeitsvorgänge zuordnen,
Materialkomponenten bearbeiten,
Betriebsmittelzuweisung,
Terminierung eines Auftrages,
Auftragsfreigabe und Fertigungssteuerung (Bild 3.64).
Weitere Aufgaben der PPS
Bestandsführung und Disposition,
Kalkulation (Preis + Kosten) und
Einkauf.
Resümee: Bild 3.65 ([Rötz-91] 4-46)
3.2.5.3. Stand der Rechnerunterstützung [RuGo-91]
Generelle Einschätzung: sehr hoch, ab Mitte der 60-er Jahre im Einsatz, hoher
Unterstützungsgrad insbesondere für die Prozesse der Planung, weniger für die
Produktionssteuerung, traditionell mainframe- und batchorientiert, Entwicklung hin zu
workstation-basierten dezentralen PPS-Systemen (downsizing), im Dialog, grafische BNO,
Vernetzung.
Eine Analyse der Funktionsstruktur aus einer Marktübersicht des VDI ergab dieses Spektrum.
für die Produktionsplanung
1. Produktionsprogrammplanung
Prognoserechnung für Erzeugnisse,
Prognoserechnung für Teile und Gruppen,
Grobplanung des Produktionsprogramms,
Lieferterminbestimmung,
Verlaufsteuerung der Konstruktion,
Verlaufsteuerung der Arbeitsplanung.
2. Produktionsmengenplanung
Bruttobedarfsermittlung,
Nettobedarfsermittlung,
Beschaffungsrechnung,
Verbrauchsgesteuerte Bedarfsermittlung,
Bestandsführung,
Bestandsreservierung,
Bestellschreibung,
Lieferantenauswahl,
Bestellüberwachung.
3. Termin- und Kapazitätsplanung
Durchlaufterminierung,
Kapazitätsbedarfsrechnung,
47
Kapazitätsabstimmung,
Reihenfolgeplanung,
Kapazitätsangebotsermittlung.
Produktionssteuerung
1. Auftragsveranlassung
Werkstattauftragsfreigabe,
Arbeitsbelegerstellung,
Verfügbarkeitsprüfung,
Arbeitsverteilanweisung,
Materialtransportsteuerung.
2. Auftragsüberwachung
Arbeitsfortschrittserfassung,
Wareneingangsmeldung,
Kapazitätsüberwachung,
Werkstattauftragsüberwachung,
Kundenauftragsüberwachung,
Kundenauftragsbezug.
Neue Anforderungen an PPS-Systeme gibt es hinsichtlich Dezentralität, hierarchischer
Strukturierung, Flexibilität durch Einführung FFS, FMS. Die Aufgaben der steuernden PPSFunktionen (Fertigungssteuerung) und der steuernden CAM-Funktionen (Werkstattsteuerung)
müssen ineinander übergehen.
Ein Referenzbeispiel für ein rechnerunterstütztes System mit integrierter PPS-Komponente,
quasi mit Industriestandardcharakter, ist das System R/3 von SAP Walldorf.
Die großen Anwendungsbereiche dieses Systems liegen
im Rechnungswesen,
in der Logistik mit PPS, Vertrieb und Materialwirtschaft sowie
in der Personalwirtschaft [SAP-96]
Client/Server-Prinzip, Dezentralisierung, skalierbare Systeme, Aufteilung in kleinere Business
Units werden in der Systemumgebung von Bull, Digital Equipment, Hewlett-Packard, IBM,
Siemens-Nixdorf und SUN auf den verschiedenen UNIX-Derivaten, Windows NT oder
Windows95 realisiert. Das System ist datenbankgestützt, der Nutzer arbeitet in der Regel an
einem leistungsstarken PC unter der Präsentationssoftware MS-Windows. Der stark
vereinfachte Ablauf einer Anwendung in einer Client/Server-Konfiguration könnte wie folgt
aussehen:
1. Der Benutzer arbeitet am Client (PC) und weist R/3 an, bestimmte Daten auf dem
Bildschirm aufzulisten.
2. Der Client gibt die Anforderung an den Server (Workstation) weiter.
3. Der Server sucht speziell die angeforderten Daten und schickt diese zum Clienten.
4. Der Client zeigt dem Benutzer die Daten.
3.2.6. Produktdaten- und Dokumentenverwaltungssysteme (EDM/PDM)
48
An dieser Stelle soll einer Entwicklung Raum gegeben werden, die in jüngster Zeit viel
Aufmerksamkeit gefunden hat. Es handelt sich hierbei um die rechnerunterstützten Lösungen,
die auf die Verwaltung von Produktstrukturen oder von Dokumenten abzielen. Unterstützt
werden vor allem die frühen Phasen der Produktentstehung (Entwicklung, Projektierung,
Konstruktion, Arbeitsvorbereitung). In der Bezeichnung haben sich dabei unterschiedliche
Kürzel auf dem deutschen Markt im Vergleich zum amerikanischen herausgebildet:
Dokumentenmanagement

DM (deutsch)
Produktdatenmangement

EDM (deutsch)
Wir wollen bei der deutschen Bezeichnung
Dokumentenverwaltung sogleich mit ein [Abra-96].
EDM (amerikanisch)
PDM (amerikanisch).
EDM bleiben und schließen
die
EDM-Systeme sollen demzufolge eine Lücke ausfüllen, die alle unter der Überschrift CIM
firmierenden Lösungen nicht oder nur in Teilen liefern konnten. Gemeint ist ein
Softwareprodukt, das der Forderung nach Integration aller am Prozess beteiligten
Komponenten gerecht werden kann. Dabei ist jedoch Vorsicht angeraten. Ein CIM-Ersatz
kann EDM nicht sein (Eine eierlegende Wollmilchsau! [PaWi-96]).
3.2.6.1. Aufgaben von EDM-Systemen
Wie bereits erwähnt, sollen EDM-Systeme insbesondere die Generierung und Verwaltung von
Dokumenten in den frühen Phasen des Produktentstehungsprozesses (Konstruktion,
Arbeitsvorbereitung) unterstützen. Damit lassen sich zwei grundlegende Hauptaufgaben
ableiten:
1. die Bearbeitung produktbezogener Daten und
die Unterstützung von Prozessabläufen (Bild 3.66).
EDM/PDM - Zieldefinition
Informationstechnik zum
Management von
Produktbezogenen Daten
Abläufen im Produktlebenszyklus
Feste, langfristige Abläufe
(z.B. Freigabe-, Änderungsprozesse, ...)
Variable, kurzfristige Abläufe
(z.B. Ad-hoc Dokumentenverteilung)
Metadaten / Strukturdaten
Daten-Files (Texte, CAD-Daten,
Graphik-Daten)
Konventionelle Dokumente
49
EDM/PDM - Funktionsumfang
Anwendungsbezogene Funktionen
Dokumentenenmanagement
Konfigurationsmanagement
Klassifizierung/
Sachmerkmalsleisten
Workflow und Prozeß
management
Projektmanagement
Systembezogene Funktionen
Kommunikation
Datensicherung
Datentransport
Viewing
Datengewinnung (scanning)
Archivierung
Bild 3.66: EDM/PDM - Zielfunktionen nach [Abra-96]
Im Einzelnen sind das folgende Aufgaben:
Verwaltung der Produktstruktur
Die Produktstruktur beschreibt die Zusammensetzung des Produktes aus technischer Sicht
(Bild 3.67). Diese Baumstruktur basiert im Wesentlichen auf den Beziehungstypen der
Aggregation, Generalisierung und Spezialisierung. Aus dieser hierarchischen Struktur sind
sodann weitere Informationseinheiten, wie z.B. Stücklisten verschiedener Orientierung
ableitbar. Darüber hinaus können auch Varianten aufgebaut werden.
Produktdaten
technische
Produktdaten
Produkt 6502
Fahrrad
1
kommerzielle
Produktdaten
Baugruppe 1541
Vorderrad
geometrische
Produktdaten
organanisatorische
Produktdaten
64
technische
Produktdaten
Einzelteil 1531
Speiche
1
Einzelteil 500
Gestell
1
Einzelteil 8510
Felge
Bild 3.67: Einteilung von Produktdaten und Beispiel einer Produktstruktur nach [Scha-96]
Dokumentenverwaltung
Die Dokumentenverwaltung ordnet den Bestandteilen der Produktstruktur bestimmte
Dokumente zu, z.B. CAD-Daten, CAP-Daten, NC-Programme, Rastergrafikfiles, FEM-Daten,
technische Dokumentation, CAQ-Daten, Stücklisten. Die Dokumente können sich auf
50
mehrere Teile beziehen und können auch Beziehungen untereinander haben. Es kommt dabei
nicht darauf an, dass alle Dokumente innerhalb der Verwaltung vollständig digitalisiert
gehalten werden. Verweise auf andere Speicher, auch in konservativer Form als
Papierarchive, sind möglich und notwendig.
Typverwaltung
Die Typverwaltung repräsentiert die Meta-Ebene des EDM-Systems, denn hier werden die
Beschreibungen der verschiedenen vom EDM-System verwalteten Daten gehalten. Es
existieren Typen für Teile und Dokumente. Teile gibt es als Erzeugnisse, Baugruppen,
Einzelteile, Normteile, Kaufteile, Zulieferteile u.a.. Dokumententypen sind z.B. für
Zeichnungen, Arbeitspläne, Stücklisten usw. angelegt.
Verwaltung von Sachmerkmalsleisten
In Verwaltungssystemen sind Funktionalitäten zu finden, die ein schnelles Suchen,
Recherchieren oder ähnliche Aufgaben beinhalten. Es versteht sich, dass für diesen Zweck
eine Klassifizierung der Objekte vorgenommen werden muss. Dazu steht im technischen
Bereich die DIN 4000 für Sachmerkmalsleisten [DIN-81] zur Verfügung.
Versionsverwaltung
Technische Dokumente sind entsprechend ihrer Entstehungsgeschichte gemäß dem
Produkthaftungsgesetz auf Jahre hinaus aufzubewahren. Natürlich unterliegen dieselben im
Bearbeitungsprozess gewissen Änderungen, die in einer Versionsverwaltung protokolliert
werden.
Benutzer- und Zugriffsverwaltung
Diese Funktion beinhaltet die notwendigen Mechanismen zur Autorisierung der Nutzer.
Verwaltung von Entwicklungsabläufen
Im Rahmen der Entwicklung und Bearbeitung von Produktdaten existieren zahlreiche
Abläufe, die unterstützt werden müssen. Solche sind z.B. Konstruktions-, Änderungs-, und
Prüfabläufe. Dazu gehört auch der Auftragsdurchlauf. Die Verantwortung zur Durchführung
dieser Prozessabläufe kann direkt in das EDM-System gelegt werden oder in ein WorkflowManagement-System eingebunden werden. Ist Letzteres der Fall, so müssen im EDM-System
unbedingt die mit der Historie der Objektbearbeitung verbundenen Statusdaten mitgeführt
werden (Bild 3.68).
WFMS
Überlappung der
Funktionalität
CAD
CAD-Daten
EDM
Verwaltung der
erzeugten Daten
51
Zeichnung
Prüfen I
Workflow
Definition
"Zeichnung Ändern"
Änderung
Beantragen
Zeichnung
Bearbeiten
Zeichnung
Freigeben
Zeichnung
Prüfen II
Workflow Instanz
"Zeichnung 77.22.13
Ändern"
Änderung
Beantragen
Zeichnung
77.22.13
Zeichnung
77.22.13
Bearbeiten
Zeichnung
77.22.13
Prüfen I
Zeichnung
77.22.13
Freigeben
Zeichnung
77.22.13
Prüfen II
Bild 3.68:Verbindung EDM/WFMS und WFM-Beispiel nach [Scha-96]
3.2.6.2. Anforderungen an EDM-Systeme
Neben
der
Bereitstellung
der
im
vorhergehenden
Abschnitt
aufgeführten
Grundfunktionalitäten ergeben sich aus informationstechnischer und Anwendersicht typische
Anforderungen an EDM-Systeme.
Konfigurierbarkeit und Flexibilität
Der Einsatz von EDM-Systemen in Unternehmen verlangt eine Reorganisation der
betroffenen Bereiche. Da die Organisationsstruktur jedoch von vielen
unternehmensspezifischen
Faktoren
wie
Größe
des
Unternehmens,
Produktionspalette
und
Fertigungsart,
bisher
eingesetzte
Softund
Hardwareumgebung, Strukturen und Prozessabläufe abhängen, müssen EDMSysteme eine Anzahl grundlegender Konzepte bereitstellen, die dann nach den
Einsatzbedingungen des Nutzers konfiguriert und angepasst werden. Dabei kommen
im wesentlichen 3 Vorgehensweisen in Frage:

die spezifische Kundenlösung (Ein EDM-System wird für ein individuelles
Unternehmen, einen individuellen Kunden entwickelt. Sehr aufwendig, dann
jedoch sehr effizient.),
 die Anpassung von Grundsystemen (Eine Anpassung an Systeme mit ähnlicher
Funktionalität und Konfiguration erfolgt. Setzt nahezu gleiches Portfolio des
Kunden voraus.),
 der Toolkit orientierte Ansatz (Bei Vorhandensein Case-Tool-artiger
Entwicklungswerkzeuge gangbar.).
Die Konfigurierbarkeit baut auf einer notwendigen Modularität des Systems auf.
Offenheit des Systems
Die Integration in
zusammengesetzte Systeme hinein bzw. die direkte
Kommunikationsfähigkeit mit anderen Systemen ist ein entscheidendes Merkmal verfügbarer
EDM-Anwendungen. In der Nutzung sind bidirektionale Schnittstellenkonzepte zu CAD- und
PPS-Systemen sowie die Verwendung von Standards wie CORBA und OLE in verteilter
Umgebung.
52
Anforderung an die Datenhaltung
Die erforderliche Datenbasis für EDM-Anwendungen ist sehr umfangreich und wird meistens
durch Datenbanksysteme übernommen. Damit wird den Forderungen nach Datenintegration,
Konsistenzsicherung,
Datenschutz,
Datensicherheit,
Datenbankoperationen,
Metadatenverwaltung, Transaktionsverwaltung und nach Bildung von Benutzersichten
Rechnung getragen.
Weitere Anforderungen werden an die Implementierung (Hard- und Softwareplattformen,
Unabhängigkeit vom Datenbanksystem, u.a.) und Verwendung von Standards (STEP,
CORBA, OLE) gestellt.
3.2.6.3. Beispielsysteme
Auf dem deutschen Markt sind etwa 50 Systeme nationaler und internationaler Anbieter im
Angebot. Diese sind an ca. 60000 Arbeitsplätzen zumeist in mittelgroßen Unternehmen im
Einsatz (Bild 3.69).
EDM/PDM - Integration mit externen IT-Systemen
EDM/PDM - System
Funktionsorientierte
Anwendungssysteme
- CAx-Anwendungen (M-CAD,
E-CAD, FEM, NC, CAQ)
- Büroanwendungen
(Textverarbeitung, Tabellenkalk.)
- Dokumentenverarbeitung
(Graphik, DTP)
-Normteilbibliotheken
- CASE-Anwendungen
Funktionsübergreifende
Anwendungssysteme
- Betriebswirtschaftliche
Anwendungen
- Projektmanagement
- Workflowmanagement
- Dokumenten Management
- Configurations Management
- Frameworks
Informationstechnische
Dienste
- Dateneingabe
(Scansysteme, Formulargenerat.)
- Datenausgabe
(Viewer, Plottmanagementsyst.)
- Datenarchivierung
- Kommunikation
(Komm.dienste, E-Mail, WWW)
EDM/PDM - Anbieterklassen
dedizierte EDMAnbieter
- Eigner & Partner
- HoSoft
- Metaphase
- Procad
- Sherpa
dedizierte EDMAnbieter
- Applicon
- Computergraphics
- EDS Unigraphics
- Intergraph
- Parametric Technology
- Sträßle
Hardware-/
Plattformanbieter
- Bull
- Hewlett Packard
- IBM
- Control Data
- Siemens
- SNI
Hardware-/
Plattformanbieter
- COI
- CIMAGE
- DOCware
- Formtek
- Trimko
technischorientierte
SW-Häuser
- BCT
- Cenit
- debis
- DVO
- VW-Gedas
technischorientierte
SW-Häuser
- CM-Stat
- SAP
- S.E.P.P.
- Xerox Engineering
Bild 3.69: Integration und Anbieterklassen
CADIM/EDB
53
Anbieter: Eigner & Partner, Karlsruhe
Dieses System hat in Deutschland einen Marktanteil von ca. 10%. Es ist mit umfangreicher
Funktionalität versehen und stellt mit Data View ein Entwicklungswerkzeug für
Datenbankumgebungen zur Verfügung. Schnittstellen zu den wichtigsten CAD-, PPS- und
Desktop-anwendungen sind vorhanden. Eigner & Partner haben große Erfahrungen in der
Realisierung von EDM-Anwendungen.
PDV Produktdatenverwaltungssystem
Anbieter: B.I.M. Consulting mbH Magdeburg
Dieses System wurde unter Mitwirkung der Arbeitsgruppe „Rechnerunterstützte
Ingenieursysteme“ des Institutes für Technische Informationssysteme entwickelt. Es ist eine
Datenbankanwendung, die als Mittel und Methode zur Rationalisierung der Technischen
Fertigungsvorbereitung angelegt ist. Es bietet alle geforderten Grundfunktionalitäten und
Schnittstellen zu verschiedenen in diesem Bereich angesiedelten Teilsystemen. Der Einsatz
dieses Systems zwingt den Anwender zu einer informationsgerechten Reorganisation der
Produktionsvorbereitung (Bild 3.70, Bild 3.71, Bild 3.72).
Dokumentenmodell
Benutzer-/
Zugriffsmodell
Transaktionsmodell
Produktmodell
Versionsmodell
Produktstrukturmodell
Kommunikationsmodell
Typenmodell
Statusmodell
Bild 3.70: Architektur des Produktdatenverwaltungssystems PDV [Scha-96]
54
Aktion
Objectmatrix
N
hat
N
1
Aktionsvorschrift
N
Nutzer
1
M
Objecttyp
M
1
N
Übergang
Zustandszuordnung
M
N
Nutzergruppe
M
1
Zustand
1
1
Zustandsfolge
1
Zustandszuordnung
N
hat
N
Objekt
N
hat
Bild 3.71: Statusmodell der Produktdatenverwaltung nach [PWPJ-95]
1. Verbindung Produktdaten <--> Dokument (ISO 9001)
2. Freigabe-/Änderungswesen incl. Sicherheitsmaßnahmen (ISO (9001)
3. Konfigurationsmanagement (ISO9001/10007)
Produktionsstruktur
Gültigkeit (Zeit)
Dokumentenstruktur
4. Produktdatenmanagement (Stücklisten, Varianten, ...)
5. Dokumentenmanagement
- Integration Erzeugersystemen (CAP, CAE, CAM, DTP, ...) - Viewer
- Verteilen
- Archivierung
6. Projektmanagement
Bild 3.72: Schwerpunkte eines PDM/EDM-Systems nach [Eign-91]
3.2.7 Weitere Unterstützungssysteme
Im Umfeld der Produktionsunterstützung durch Standardsoftware sind die Begriffe MRP,
MRP II, ERP/ERM entstanden. Nachfolgend noch einmal eine kurze Zusammenfassung

MRP, ERP
55
By Travis Anderegg, CFPIM, CIRM, CIERP
http://www.cibres.com/articles/MRP.htm
+ MRP (oder MRP I) als Material Requirements (Materialbedarfsplanung) ,
Def.: ( APICS dictionary)
The definition of MRP as defined by the 9th edition of the APICS dictionary is: A set of techniques that uses bill of material data, inventory data, and the master production schedule to
calculate requirements for materials. It makes recommendations to release replenishment
orders for material. Further, because it is time phased, it makes recommendations to rescheduled open orders when due dates and need dates are not in phase. Time phased MRP begins
with the items listed on the MPS and determines (1) the quantity of all components and materials required to fabricate those items and (2) the date the components and materials are required. Time phased MRP is accomplished by exploding the bill material, adjusting for inventory quantities on hand or on order, and offsetting the net requirements by the appropriate
lead times.
+ MRP II als Manufacturing Resource Planning (Produktionsplanung)
Def: ( APICS dictionary)
A method for the effective planning of all resources of a manufacturing company. Ideally, it
addresses operational planning in units, financial planning in dollars, and has a simulation
capability to answer "what if" questions. It is made up of a variety of functions, each linked
together: business planning, sales and operations planning, production planning, master production scheduling, material requirements planning, capacity requirements planning, and the
execution support systems for capacity and material. Output from these systems is integrated
with financial reports such as the business plan, purchase commitment report, shipping budget, and inventory projection in dollars. Manufacturing resource planning is a direct outgrowth and extension of closed loop MRP
+ ERP als Enterprise Resource Planning
Def.: ERP standing for Enterprise Resource Planning, is a complete enterprise wide business
solution. The ERP system consists of software support modules such as: marketing and sales,
field service, product design and development, production and inventory control, procurement, distribution, industrial facilities management, process design and development, manufacturing, quality, human resources, finance and accounting, and information services. Integration between the modules is stressed without the duplication of information. ERP systems
are an out growth of MRP II systems.
56
Abb.: 3.73: MRP II nach [KURBEL99]
+ ERM als Enterprise Resource Management
Def: ERM standing for Enterprise Resource Management, is a complete enterprise wide business solution that consists of an ERP system and functional activities occurring within each
module of, and around, the ERP system. The ERP system consists of software support modules such as: marketing and sales, field service, product design and development, production
and inventory control, procurement, distribution, industrial facilities management, process
design and development, manufacturing, quality, human resources, finance and accounting,
and information services. The functional activities occurring within each module consists of:
management, decisions, training, documentation, communication, and people, etc.. The ERP
modules and functional activities must exist in harmony to become an ERM solution. The integration/interface points of the ERP system bind the entire ERM solution together.
Nach Kurbel [Kurbel, K.: Produktionsplanung und -steuerung, Oldenburg Verlag München
1999] wird ein
"ERP-System als ein Informationssystem bezeichnet, das Geschäftsprozesse und
Geschäftsregeln sowohl innerhalb der Hauptfunktionsbereiche eines Unternehmens als auch
über die Bereiche hinweg abbildet und teilweise oder ganz automatisiert."
ERP wird als technische Komponente einschließlich der Managementfunktionen darauf zu
ERM.
Vertreter: SAP R/3
57
Abb. 3.74: Funktionen von SAP R/3
Abb. 3.75: Konfiguration einer SAP R/3 Anwendung nach Kurbel
58
 CRM - Customer Relationship Management
Quelle: Helmke, Uebel, Dangelmaier: Effektives Customer Relationship Management
Gabler Verlag, Wiesbaden 2002
Def.:
"CRM ist eine kundenorientierte Unternehmensphilosophie, die mit Hilfe moderner
Informations- und Kommunikationstechnologien versucht, auf lange Sicht profitable
Kundenbeziehungen durch ganzheitliche und differenzierte Marketing-, Vertriebs- und
Servicekonzepte aufzubauen und zu festigen."
CRM umfasst dabei 2 Bereiche:
+ Zum Einen erfordert CRM den Einsatz von integrierten Informationssystemen. Nur die
Zusammenführung aller kundenbezogenen Informationen und die Synchronisation aller
Kommunikationskanäle erlauben eine ganzheitliche Abbildung des Kunden und somit auch
eine differenzierte Ansprache.
+ Zum Anderen verbirgt sich hinter CRM eine neue Unternehmensstrategie- nämlich eine
Neuausrichtung aller Geschäftsprozesse und Verantwortlichkeiten auf den Kunden.
Abb. 3.76: Konfiguration einer CRM-Lösung
Komponenten eines CRM-Systems im Einzelnen:
59
Zunächst müssen erst einmal die technischen Voraussetzungen geschaffen werden, indem die
Insellösungen zur Unterstützung der Marketing-, Vertriebs- und Service- Bereiche (Computer
Aided Selling, Helpdesks, Call Center, Marketing Support, Analysesysteme, WebAnwendungen..) mit den als Back Office bezeichneten Informationssystemen SCM, ERP und
CIM zusammengeführt werden.
Die Abbildung vermittelt uns 3 Aufgabenbereiche für CRM.
+ Kommunikatives CRM (kCRM)
Umfasst die Steuerung und Synchronisation der Kommunikation mit den Kunden.
+ Operatives CRM (oCRM)
Das oCRM umfasst alle Anwendungen, die im direkten Kontakt mit dem Kunden stehen
(Front Office!). Lösungen zur Marketing-, Sales- und Service - Automation unterstützen den
Dialog zwischen Kunden und Unternehmen mittels der dafür erforderlichen
Geschäftsprozesse. Eine Anbindung an das Back Office garantiert die notwendigen
Informationen über Liefertermine, Verfügbarkeit, etc..
+ Analytisches CRM (aCRM)
Kundenkontakte und Kundenreaktionen werden aufgezeichnet, um sodann hinsichtlich der
kundenbezogenen Geschäftsprozesse ausgewertet werden zu können.
 SCM - Supply Chain Management
Kuhn, Hellingrath: Supply Chain Management
Springer Verlag Berlin Heidelberg 2002
Def.: SCM ist die integrierte prozessorientierte Planung und Steuerung der Waren-,
Informations- und Geldflüsse entlang der gesamten Wertschöpfungskette vom Kunden bis
zum Rohstofflieferanten mit den Zielen
1. Verbesserung der Kundenorientierung,
2. Synchronisation der Versorgung mit dem Bedarf,
3. Flexibilisierung und bedarfsgerechte Produktion,
4. Abbau der Bestände entlang der Wertschöpfungskette.
Abb. 3.77: “Liefer”kette nach Kuhn
60
Abb.3.78: Konzept zum Supply Chain Management nach Kuhn
Diese Abbildung vermittelt insbesondere die tragende Rolle der IT als Enabler (Teil4).
61
Man beachte insbesondere die unterschiedliche Philosophie beider Ansätze.
Die nachfolgende Abbildung zeigt, dass ERP- und SCM- Komponenten sich teilweise
überlappen bzw. ergänzen.
Die informationstechnische Integration wird an späterer Stelle zu diskutieren sein.
Abb. 3.79: SCM- und ERP – Systeme im Vergleich
62
 Workflowsysteme
Nach Krötzsch: Geschäftsprozesssteuerung, internes Papier
Wir haben kennen gelernt, dass die Unternehmen durch eine spezifische Aufbau- und
Ablauforganisation geprägt sind. Viele Anwendungssysteme unterstützen den
Informationsaustausch über alle Phasen des Unternehmensgeschehens. Die Ausführung der
dafür notwendigen Prozessschritte kann ganz oder teilweise automatisiert werden. In diesem
Zusammenhang spricht man von der Ausführung von „Workflows“.
Def.:
Unter einem Workflow ist die Automatisierung eines Geschäftsprozesses als Ganzes oder als
Teil zu verstehen, während dem Dokumente oder Aufgaben von einem Teilnehmer zum
nächsten Teilnehmer in Abhängigkeit einer Menge prozeduraler Regeln transportiert werden.
Def.: Ein Workflow Management System ist ein System, das Workflows durch Nutzung von
Software definiert, erzeugt und ausführt und auf einer oder mehreren Workflow Engines
verfügbar ist. Ein WFM System interpretiert die Prozessdefinition, interagiert mit
Workflowteilnehmern und ruft, wenn notwendig, zugeordnete IT-Tools und Anwendungen auf.
Merkmale für Workflows zeigt die nachfolgende Abbildung.
Abb.3.80: Workflowtypen
Mit Workflowsystemen kann das Controlling und Monitoring von Geschäftsprozessen
organisiert werden, um somit eine Optimierung derselben zu erreichen. WFS werden auf der
strategischen, taktischen oder operativen Ebene eingesetzt.
Die Aufgaben von WFMS können folgender Maßen spezifiziert werden:
 Spezifikation und Definition von Workflow-Typen,
 Steuerung von Workflow-Instanzen,
 Integration der zur Ausführung benötigten Informationssysteme,
 Protokollierung der Workflow-Ausführung,
 Ausnutzung vorhandener Organisationsstrukturen,
 Koordination und Abstimmung von Nutzern und Aufgaben und
 Zugriffskontrolle bei Bereitstellung der Daten für die jeweiligen Nutzer.
63
Abb.3.81: Aufgaben eines WFMS
Abb.3.82: Einsatzgebiete von WFMS
Während die Workflow Management Coalition (WFMC) ein eigenständiges Basismodell als
Referenzmodell unterbreitet, betrachtet die Object Management Group (OMG) Workflows
als Komponente innerhalb der Object Management Architecture (OMA).
64
Abb.3.83: Basismodell der WFMC
Abb. 3.84: WFM als Komponente in der OMA der OMG
65
Mit dem Workflow Referenzmodell werden die funktionalen Bereiche der Workflow
Management Facility identifiziert.
Abb.3.85: Workflow Management Referenzmodell
Ein Anwendungsszenarium liefert das nachfolgende Beispiel, das die Prozesse bei der
Erarbeitung eines Angebotes für die Gussteilherstellung als FunSoft-Netz modelliert. Dieses
Modell muss sodann durch ein WFMS realisiert werden. Dabei ist zu beachten, dass die
Spezifikation der Modelle bis auf die Ebene atomarer Prozesse durchgeführt werden muss.
Siehe z.B. Ps in Abb. 3.86.
66
Abb.3.86: FunSoft-Netz für Angebotsbearbeitung
Abb.3.87: Subprozess Anfrage prüfen und bewerten
67

Data Warehouse Systeme
Quelle: Andreas Bauer, Holger Günzel: Data Warehouse Systeme, Architektur, Entwicklung,
Anwendung, dpunkt.verlag Heidelberg 2001
Warum Data Warehouse im Kontext dieser Vorlesung?
Antwort: In einem Unternehmen besteht der zwingende Bedarf, Entscheidungsträgern in den
verschiedenen Funktionsbereichen auf verschiedenen Hierarchieebenen im Moment des
Informationsbedarfs alle Informationen zur Verfügung zu stellen, die sie benötigen. Die
Informationsbereitstellung soll zeitnah, fehlerfrei, flexibel, ergonomisch, effizient, effektiv
und inspirativ erfolgen. Aus der Entwicklung von Systemen, die diesem Anspruch gerecht
werden können, sind die Begriffe
+ Management-Informationssystem (MIS),
+ Executive Information System (EIS),
+ Führungsinformationssystem (FIS),
+ Chefinformationssystem (CIS),
+ Entscheidungsunterstützungssystem (EUS),
+ Decision Support System (DSS)
bekannt.
Diese Ansätze der 60er bis 80er Jahre scheiterten an fehlenden Voraussetzungen für
- schnelle und flächendeckende Kommunikationstechnologien,
- grafische Benutzeroberflächen,
- ausreichende, kostengünstige und schnelle Datenspeicher,
- kostengünstige und leistungsfähige Prozessoren,
- große Datenbasen durch integrierte operative Systeme.
Das Data Warehousing der 90er Jahre zielte in erster Linie darauf ab, alle
entscheidungsrelevanten Informationen verfügbar zu machen, die bereits an irgendeiner Stelle
des Unternehmens gespeichert sind. Darüber hinaus sollten auch Informationen aus externen
Informationssystemen integriert werden.
Data Warehouse Systeme halten Daten redundant, losgelöst vom Quellsystem , wobei diese
Daten nur einem bestimmten Analysezweck dienen.
Anwendungsbereiche für Data Warehouse Systeme sind
- betriebswirtschaftlicher Art zur Unterstützung der Geschäftsprozesse,
- wissenschaftlicher Art z. B. im Bereich des Statistical and Scientific Databases zur
Auswertung großer Rohdatenmengen (z. B. Genomforschung)
und auch
- technischer Art z. B. zur Auswertung von Messwerten (Wetter, Deponien..).
Definition:
"A data warehouse is a subject oriented, integrated, non-volatile, and time variant collection
of data in support of management decisions."
( Inmon,W.H.: Building the Data Warehouse. Second Edition, John Wiley & Sons, 1999)
subject oriented
integrated
=
=
non-volatile
time variance
=
=
Fachorientierung, Anwendungsziel steht im Vordergrund.
Integrierte Datenbasis, Integrierte Daten aus mehreren
Datenbanken
Nicht flüchtige Datenbasis, Datenbasis wird stabil angelegt.
Historische Daten, Vergleiche über die Zeit werden möglich.
68
Abb.3.88: Referenzmodell Data Warehouse System
Abb.3.89: Architekturskizze für ein Anwendungssystem
69
Erläuterung Referenzmodell:
Data Warehouse Manager: Diese Komponente ist zuständig für die Initiierung, Steuerung und
Überwachung der Prozesse von der Extraktion aus den Datenquellen bis zur Analyse der
Daten im Data Warehouse .Dieser Manager steuert die Monitore, Extraktoren,
Transformatoren, Ladekomponenten und Analysekomponenten.
Datenquelle: steht für die zu integrierenden Datenbanken
Monitor: Kontrolliert Veränderungen in der Datenquelle.
Arbeitsbereich: Ist die zentrale Datenhaltungskomponente des Datenbeschaffungsbereiches.
Daten werden auf dem Wege von der Datenquelle zur Basisdatenbank temporär
zwischengespeichert.
Extraktionskomponente: Überträgt Daten von der Datenquelle in den Arbeitsbereich.
Transformationskomponente: Überführt Daten in ein einheitliches internes Format.
Ladekomponente: Organisiert die Übertragung der Daten in die Basisdatenbank.
Basisdatenbank: Stellt integrierte Datenbasis dar.
Data Warehouse: Verwaltet Daten, die für eine bestimmte Analyse benötigt werden.
Das Data Warehouse kann auch als eine logische Einheit, bestehend aus eigenständigen Data
Marts zusammengesetzt sein.
Analyse: Steht als Oberbegriff für alle Operationen, die mit den Daten des Data Warehouses
durchgeführt werden können.
- Data Access als Berichtswerkzeuge,
- Online Analytical Processing - OLAP - als interaktive, gerichtete Datenanalyse mittels
Klassifikationsnavigation,
- Data Mining als Möglichkeit einer ungerichteten Analyse mittels Statistik und
maschinelles Lernen.
Repositorium: Enthält die Metadaten des Data Warehouse Systems als Informationen, die den
Aufbau, die Wartung und die Administration vereinfachen und die Informationsgewinnung
ermöglichen.
Metadatenmanager: Steuert die Metadatenverwaltung, indem er ein Versions- und
Konfigurationsmanagement, Integrations-, Zugriffs-, Anfrage- und Navigationsmöglichkeiten
der Metadaten anbietet.
70
4. CIM - Ein Konzept für die Integration
CIM steht im ursprünglichen Sinne als Synonym für eine computerunterstützte Fertigung
(Computer Integrated Manufacturing). Da sich aber in jüngster Zeit die Erkenntnis
durchsetzte, dass es schwer sein wird, eine ganzheitliche Lösung für den Computereinsatz in
der Produktion zu finden, wollen wir lieber im Zusammenhang mit CIM die
Computeranwendung in der Produktion [ReNS-94] verstehen. Das heißt, die
Anwendungen von CAx, PPS, EDM, WFMS und deren Integration. Damit die Betonung bei
den Integrationsbemühungen liegt, schreiben wir im weiteren „cIm“.
4.1. Strategien zur Einführung von cIm
4.1.1. Struktur der cIm-Aufgabe
Computer Integrated Manufacturing: Die Bereiche der Produktion und Entwicklung mit den
Hilfsmitteln der Informationstechnik verstehen.
Die Planung und Einführung von cIm lässt sich als Modell für die durchgängige
Unterstützung der Produktion verstehen. cIm ist in erster Linie kein DV-technisches Problem,
sondern eine organisatorische Aufgabe, die weite Bereiche oder ganze Unternehmen berührt.
Bei allen Problemen, die sich um den Begriff und die Realität von cIm ranken, hat sich doch
ein einheitliches Denkmodell herausgeschält, das den Integrationsgedanken in den
Vordergrund stellt.
Vor der detaillierten Auseinandersetzung mit cIm-Lösungen soll zunächst noch einmal das
Problemfeld „cIm“ anhand der Beantwortung einiger Fragestellungen beleuchtet werden.
1.
Frage: Was ist cIm?
Antwort:
cIm - eine informationstechnische und organisatorische Verknüpfung aller für den
Leistungsprozess erforderlichen Arbeits- und Informationssysteme
oder
cIm - als Verknüpfung aller Arbeitsplätze und Arbeitsmaschinen untereinander sowie mit
den planenden, disponierenden und steuernden Systemen, die wiederum untereinander
verknüpft sind [Jäge-90].
Frage: Was ist neu an dieser Art der Verknüpfung?
Antwort:
Neu ist die durchgängige Verkettung von Material- und Informationsfluss. Diese
Durchgängigkeit
verringert
den
Bearbeitungsaufwand
(z.B.
papierlose
Informationsübertragung),
ermöglicht
eine
vollständige
Transparenz
des
Betriebsgeschehens, erleichtert die Prognose, Planung, Steuerung und Abrechnung und
trägt zur besseren Nutzung der Ressourcen bei.
Frage: Was bedeutet diese Aufgabenstellung im Detail?
Antwort:
Die informationstechnische Verknüpfung von
71
n Arbeitsplätzen,
m Arbeitsmaschinen,
k Informationssystemen,
i verschiedenen Produktbeschreibungen (Zeichnungen, Stücklisten, Arbeitspläne u.a.),
j betrieblichen Funktionen (Bearbeitungsschritte).
Aus der Kombinatorik heraus ergeben sich demzufolge quasi unendlich viele Schnittstellen
n  m  k  i  jn  m  k  i  j 1 ,
die unter besonderen Randbedingungen und Restriktionen zu optimieren sind - eine kaum
lösbare Aufgabe?
Realität: Nur cIm-Teilketten sind bereits gelöst (z.B. CAD/CAM-, CAM/PPS-Kopplung
usw.)
Die zukünftige Aufgabe wird sein:
1. die an Objekten (Produkte, Projekte, Kundenaufträge) orientierten Einzelvorgänge zu
Ablaufketten zu binden und
2. eine Datenintegration vorzunehmen.
2.
Frage: Was ist cIm nicht?
Antwort: cIm ist kein Produkt!
cIm ist ein Integrationsprozess, der unternehmensindividuell abläuft. Daraus geht hervor,
dass es kein allgemeingültiges cIm-Konzept gibt, da kaum zwei Unternehmen mit
identischen Arbeitsaufgaben vorzufinden sind. Gemeinsam ist allen cIm-Entwicklern und
cIm-Anwendern der Grundgedanke der Integration.
3.Frage: Welcher Weg führt zu cIm?
Antwort: cIm fordert zunächst einmal das Management!
Damit nicht „cIm = Confusion In Management“ entsteht, ist eine klare Vorgehensweise
erforderlich. Diese ist in vier Schritten möglich:
1.
2.
3.
4.
Zielfindungsrunde,
cIm-Rahmenkonzept,
cIm-Teilkonzepte,
Realisierung (Bild 4.1).
72
CIM-Denkmodell
1. Zielfindung
?
unternehmensindividuelle
Aspekte identifizieren:
- Schwachstellen
- Ziele
2. Rahmenkonzept
CIMRahmenkonzept
individuelles Programm und
Umsetzungsstrategie entwickeln:
- Funktionskonzept
- Systemkonzept
- Strukturkonzept
- Realisierungskonz.
3. Teilkonzepte
Teilprojekt
konkrete, realisierbare Teilprojekte planen
4. Realisierung
Teilprojekt
Teilprojekt
_______
_______
______
stufenweise und methodisch in
die Praxis umsetzen
CIM-Realität
Bild 4.1: Vom CIM-Denkmodell zur Realität nach [Jäge-90]
Das cIm-Vorhaben ist mithin als strategische Management-Aufgabe anzusehen mit folgenden
Zielfunktionen:
- Zielstruktur aufbauen, die weit bis in die 2000-er Jahre reicht,
- künftige Entwicklungen der Märkte und Technologien erkennen,
- cIm-Rahmen so beschreiben, dass Fehlinvestitionen vermieden werden und Aussagen oder
Erweiterungen möglich sind,
- Voraussetzungen für eine erfolgreiche cIm-Implementierung schaffen.
Die wichtigsten Voraussetzungen für einen Erfolg des cIm-Vorhabens bestehen nicht in
Maschinen, Standard-Schnittstellen oder Programmen, sondern sind
Identifikation des Managements mit dem Vorhaben,
Formulierung der erkannten Engpässe und Ziele,
Festlegung eines klaren und vollständigen cIm-Programms,
professionelles cIm-Projektmanagement,
Investitionsbereitschaft.
4.1.2. Spezifikation der Teilschritte
1.
Zielfindung
Der Zielgedanke muss sein, einen strategischen Ansatz zu finden, der Antwort auf die
Fragen:
73
Warum cIm?
Welche Ziele wollen wir erreichen?
Wer ist verantwortlich?
Wann sollten die Ziele erreicht werden?
Die Zielsetzung für das cIm-Programm ist stark von der spezifischen Situation des
Unternehmens abhängig (z.B. Großserienfertiger oder kundenbezogener Einzelfertiger). Die
Herausarbeitung der Zielstrategie sollte von einer interdisziplinären Arbeitsgruppe
durchgeführt werden (Bild 4.2).
Branche
Auftragsorientierung
Bsp. für besondere cIm-Schwerpunkte
Maschinenbau
einzelner Kundenauftrag
- Auftrags-/Projektmanagement
- flexible Planung (CAD/CAP)
- flexible Fertigung
Programm
- Materialwirtschaft
- Flussoptimierung
- Stückkosten
Elektrotechnik
einzelner Kundenauftrag
- Auftrags-/Projektmanagement
- flexible Planung
- flexible Fertigung
Programm
- Materialwirtschaft
- Vertrieb
- Stückkosten
Automobilzulieferer
Abrufaufträge
- JIT
- flexible Planung (CAD, CAP, PPS)
- Materialwirtschaft
- flexible Fertigung (CAM, FFS)
Bild 4.2: Betriebstypologische cIm-Schwerpunkte nach [Jäge-90]
2.
cIm- Rahmenkonzept
Das cIm-Rahmenkonzept baut auf den Zielvorgaben auf. Es muss Antworten auf folgende
Fragestellungen geben:
- Wie sollen die künftigen Funktionsabläufe in der Auftragsabwicklung aussehen?
- Welche Arbeitsschritte können zu Ablaufketten zusammengefasst werden, um störende
Schnittstellen auszuschalten?
- Wie sieht der optimale Informationsfluss aus?
- Ist die entsprechende Aufbauorganisation cIm-gerecht oder bestärkt sie das Inseldenken?
- Entstehen neue Qualifikationsstrukturen?
- Nach welchem Prinzip soll die cIm-Struktur aufgebaut werden?
- Welches Hardware-Ebenen-Konzept und welches Netzwerk empfiehlt sich?
- Wie sieht das logische Datenmodell für eine integrierte Datenbasis aus?
- In welchen Einzelschritten ist das cIm-Rahmenkonzept realisierbar?
74
- Welche Teilprojekte müssen zuerst angegangen werden und was kann warten?
- Wie sehen Kosten und Nutzen für die einzelnen Teilschritte aus?
Das Rahmenkonzept sollte sich in vier Schritte gliedern:
+ Funktionskonzept (Bild 4.3, Bild 4.4 nach [Jäge-90] 9.1-5/6),
+ Strukturkonzept,
+ Systemkonzept (Bild 4.5, [Jäge-90] 9.1-7, beide Seiten),
+ Realisierungskonzept (Bild 4.6, [Jäge-90] 9.1-8)
Die Vorgehensweise bei der Erarbeitung eines CIM-Rahmenkonzepts zeigt Bild 4.7.
1.
2.
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
3.
3.1
3.2
3.3
4.
4.1
4.2
4.3
4.4
5.
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
Projekt vorbereiten und Trends ermitteln
cIm-Funktionskonzept erarbeiten
Bestandsaufnahme in der Auftragsabwicklung durchführen (Funktionsanalyse)
Informationsstruktur analysieren und darstellen
Probleme analysieren und darstellen
cIm-Teilfunktionen abgrenzen und konzipieren
Integrationskonzept
der
funktionsübergreifenden
Arbeitsabläufe
und
Informationsflüsse entwickeln
Zu erwartenden Nutzen abschätzen
cIm-Strukturkonzept erarbeiten
cIm-gerechte Arbeitsteilung und Funktionszuordnung entwickeln
Konsequenzen für bestehende Organisation aufzeigen
Organisatorische und personelle Anforderungen (z.B. neue Qualifikationsstrukturen)
ermitteln
cIm-Systemkonzept erarbeiten
Istsituation der Informations- und Arbeitssysteme aufnehmen und darstellen
DV-technische Schnittstellen darstellen und bewerten
Systemkonzept erarbeiten
Vorhandene Systeme mit den Anforderungen vergleichen
cIm-Realisierung planen
cIm-Teilaufgaben bilden
Projektorgansisation vorschlagen
Realisierungsaufwand abschätzen
Nutzen schätzen und Prioritäten setzen
Vorgehensweise zur Realisierung planen
Anmerkung: Alle Teilschritte werden dokumentiert
Zwischenabständen dem Management präsentiert.
u.
in
angemessenen
Bild 4.7: Vorgehensweise bei der Erarbeitung eines cIm-Rahmenkonzepts nach [Jäge-90]
3.
cIm-Teilkonzepte
Ein cIm-Programm kann nur in Stufen durchgeführt werden. Das Rahmenkonzept ist somit in
Teilkonzepte zu untergliedern. Dabei sind Teilkonzepte wie folgt zu charakterisieren:
- Teilkonzepte sind in sich geschlossene Lösungsansätze.
Sie betreffen immer Untermengen des Rahmenkonzeptes. Sie beschreiben bestimmte
Bausteine des Konzeptes.
75
+ Teilkonzepte müssen einzeln realisierbar sein.
+ Zwischen Teilkonzepten bestehen sachliche und terminliche Abhängigkeiten.
+ Das Rahmenkonzept gibt die Vorgaben für die Teilkonzepte vor.
+ Neue Erkenntnisse bei der Erarbeitung der Teilkonzepte reflektieren auf das
Rahmenkonzept.
Teilprojekte mit typisch integrativer Wirkung betreffen beispielsweise folgende
Verbindungsrichtungen:
Planung und Steuerung, CAx und EDM,
CAD, CAP und CAM,
Grunddatenverwaltung,
Einbindung in BDE.
3.
Realisierung
Realisierung heißt zum Einen Einführung käuflicher Standard-cIm-Bausteine und zum
Anderen das Zusammenfügen unter den unternehmensspezifischen Anforderungen.
Realisierung heißt:
- Teilkonzepte im bestimmten Zeitraum umsetzen,
- flexible Anpassung bei sich ändernden Bedingungen gewährleisten,
- professionelles Projektmanagement und modernes Software-Engineering praktizieren,
- Mitarbeiter auf die Aufgaben vorbereiten,
- das Know-how erfahrener, externer Partner nutzen.
4.2. cIm-Funktionsbereiche
4.2.1. Allgemeine Situation
Wie bereits angeführt, bedeutet die Einführung von cIm-Projekten im Unternehmen die
Abkehr vom Taylorismus oder zumindest die partielle Aufhebung des Taylorismus.
Taylorismus: Der Lebenszyklus von Produkten ist von der Marktanalyse über Konstruktion
und Fertigung bis zum Vertrieb und Service durch ein funktional arbeitsteiliges Vorgehen
gekennzeichnet.
Dieser Grundsatz hat zu Strukturen und Denkweisen geführt, die dem Integrationsgedanken
widersprechen. Unternehmensübergreifend tun sich demzufolge diese cIm-Problemfelder auf:
Technische Problemfelder
Sind bestehende Automatisierungsinseln,
das Fehlen schlüsselfertiger cIm-Systeme,
fehlende/schlechte Kommunikations- und Integrationsmöglichkeiten.
Organisatorische Problemfelder
Ist eine funktionsorientierte Aufbaustruktur,
zumeist fehlende, aber notwendige cIm-Meinungsführerschaft im Management und in der
Unternehmensleitung,
keine bereichsübergreifenden, gesamtheitlichen Denkweisen (Bereichsfürstentümer).
Wirtschaftliche Problemfelder
Hohe Investitionen,
76
schwere Nutzungsqualifizierbarkeit,
Langfristigkeit des Vorhabens,
Nachweis einer gesamtheitlichen Wirtschaftlichkeit.
Sozial- und arbeitspolitische Problemfelder
Job Enlargement (Erweiterung der Jobaufgaben im integrativen Sinne),
Job Enrichment (Erweiterung der Jobaufgaben durch kognitive und soziale
Qualifikationsanforderungen),
höhere Mitarbeiterverantwortung,
interdisziplinäre Kenntnisse,
ständige Fortbildung,
neue Führungsformen,
neue Arbeitsorganisation,
Gruppenarbeit [RuGo-91]).
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen ist es trotz aller vorhandenen Spezifika der Unternehmen
wünschenswert, ein ganzheitliches und branchenunabhängiges cIm-Realisierungsmodell zu
schaffen. Die Aufgabe eines solchen cIm-Realisierungsmodells soll es sein, geeignete
Strukturierungskonzepte für den Aufbau von Integrationsebenen und zur Lösung der
Integrationsschritte bereitzustellen.
Als Integrationsebenen werden erkannt:
+ Integration der Kommunikationsverwaltung,
+ Integration der Informationsverwaltung,
+ Integration der Verfahrenskettenverwaltung (Funktionsintegration),
+ Integration der Unternehmensverwaltung.
Genormte cIm-Schnittstellen und Referenzinformationsmodelle spielen hierbei eine
wesentliche Rolle.
4.2.2. Bewertung des Standes der Rechnerunterstützung in den Funktionsbereichen
Im Kapitel 3 wurden die einzelnen Funktionsbereiche bereits vorgestellt und die
entsprechenden rechnergestützten Teillösungen besprochen. In diesem Unterkapitel wird der
Versuch einer zusammenfassenden Bewertung im Hinblick auf eine cIm-Integration unter den
Aspekten des Grades der Rechnerunterstützung sowie der Verknüpfung mit anderen
Unternehmensfunktionsbereichen unternommen (Bild 4.8).
CIM = PPS + CAx
CAI = CIM + CAQ
CIM
CAI
PPS
Produktionsplanung
CAx
CAD
CAP
Produktionssteuerung
CAQ
CAQ
CIM
Logistik
PPS
Personalwesen
CAx
Unternehmensplanung, -überwachung
CAM
Bild 4.8: CIM und CAI nach [RuGo-91]
77
PPS
Teilgebiete und Hauptfunktion (Bild 4.9),
Rechnerunterstützung: in der Planungsphase sehr hoch ( >40 %), in der Steuerungsphase
geringer, meistens mainframe- und batchorientiert, mit Trend zur dezentralen Realisierung
auf Workstation und PC (Bild 4.10, [RuGo-91] 2.7/2.9),
Verknüpfungen: eng mit CAP, CAD, Marketing und Vertrieb, CAM, CAQ.
CAD
Teilgebiete und Hauptfunktion: siehe Kapitel 3,
Rechnerunterstützung: im Maschinenbau ( >45 %), von Mainframe auf Workstation gehend
(1993 60 %) (Bild 5.11, [RuGo-91] 2.18/2.19),
Verknüpfungen: mit CAP, PPS, CAQ und Vertrieb.
Teilgebiet
der PPS
Produktionsplanung
Produktionssteuerung
Hauptfkt. der PPS
Funktionen der PPS
Produktionsprogrammplanung
Prognoserechnung
Grobplanung
Lieferterminbestimmung
Kundenauftragsverwaltung
Vorlaufsteuerung
Mengenplanung
Bedarfsermittlung
Beschaffungsrechnung
Bestandsführung
Lieferantenauswahl
Bestellüberwachung
Termin- und
Kapzitätsplanung
Durchlaufterminierung
Kapazitätsbedarfsrechnung
Kapazitätsbestimmung
Reihenfolgeplan
Kapazitätsangebotsermittlung
Auftragsveranlassung
Fertigungauftragsfreigabe
Fertigungsbelegerstellung
Arbeitsverteilung
Auftragsüberwachung
Arbeitsfortschrittserfassung
Wareneingangsmeldung
Kapazitätsüberwachung
Werkstattauftragsüberwachung
Kundenauftragsüberwachung
Kundenauftragsbezug
Bild 4.9: Funktionsstruktur von PPS-Systemen nach [RuGo-91]
CAP
Teilgebiete und Hauptfunktion:
Ablauf- und Zeitplanung,
Materialplanung,
Fertigmittelplanung,
Kostenplanung.
78
Rechnerunterstützung: ca. 50 %, insbesondere NC-Programmierung (Bild 4.12, [RuGo-91]
2.20/2.21),
Verknüpfungen: mit CAD, CAM, CAQ, PPS.
CAM
Hauptfunktion: technische Steuerung und Überwachung der Fertigung und Montage,
Rechnerunterstützung: ca. 25 % (Bild 4.13, [RuGo-91] 2.22/2.27),
Verknüpfungen: mit CAP, CAQ, PPS.
CAQ
Hauptfunktion: Maßnahmen zur Planung und Durchführung der Qualitätssicherung,
Rechnerunterstützung: am wenigsten ausgeprägt (Bild 4.14),
Verknüpfungen: mit CAD, CAP, CAM, PPS.
Zusammenfassung:
Die einzelnen Unternehmensfunktionen sind nicht unabhängig voneinander, sie stehen in
einem engen fachlichen und organisatorischen Zusammenhang. Es entsteht gewissermaßen
ein Kreislauf (Bild 4.15, [RuGo-91] 2.31/2.32).
Dieser Gesamtzusammenhang
Informationsflüsse fokussieren:
lässt
sich
auf
vier
Schwerpunkte
bezüglich
der
CAD/CAP  PPS
CAM  PPS
CAD/CAP  CAM
CAQ (Bild 4.16, [RuGo-91] 2.34).
4.3. cIm-Realisierungskonzept
Die Realisierung von cIm-Projekten kann grundsätzlich über verschiedene Ansätze erfolgen:
1. über eine Neuentwicklung eines monolithischen cIm-Gesamtsystems (quasi die
Entwicklung auf der grünen Wiese),
2. über den Einsatz bereits existierender CAx-Systeme durch die Einbindung notwendiger
Erweiterungen (z.B. Konsys - Oracle über Infosys) (Bild 4.17),
PSK 2000
INFOSYS
KONSYS
Datenbasis
Bild 4.17: Integration über DBS nach [Paul93]
3. durch schrittweise Integration der bestehenden Insellösungen zu einem hybriden
Gesamtsystem (z.B. Konsys - Oracle - BNO - Logik - Zwischenzustände) (Bild 4.18).
79
CAD (Sträßle SOLID)
SOLID-BNO
Logik
Vorrichtung
Zwischenzustände
BNO
Arbeitsplanung
ORACLE-Werkzeuge
Datenbank ORACLE
Werkzeuge
Werkzeugmaschinen
Werkstoffe
Fertigungsverfahren
Vorrichtungen
Vorrichtungselemente
&
Baugruppen
Bild 4.18: Einordnung des Datenmodells in das Gesamtkonzept nach [Paul-93]
Neuentwicklung eines monolithischen Gesamtsystems:
ausgehend von einem Top-Down- Ansatz ideal
Vorteile:
Homogenität der Soft- und Hardware,
einheitliche BNO,
Verfügbarkeit aller Entwicklungswerkzeuge und -objekte an jedem Systemanschluss.
Nachteile:
lange Entwicklungszeiten, die die ständige Bewegung der Werkzeugentwicklung
berücksichtigen müssen,
cIm-Gesamtsysteme nicht zwischen Unternehmen „portierbar“,
historisch schon viele CAx- Systeme vorhanden, deren Investitionsaufwand nicht gering war,
ein System schafft Marktabhängigkeit.
Fazit: in absehbarer Zeit kaum gangbar!
Einsatz existierender Systeme (CAx, PPS):
Vor- und Nachteile:
CAx-Systeme sind für eine spezielle Funktionalität ausgelegt. Eine Erweiterung heißt
Verbinden unterschiedlicher Ansätze. CAx-Systeme haben zumeist eine abgeschlossene
Systemarchitektur.
Die Datenverwaltung ist systemspezifisch optimiert und lässt den Einsatz bekannter DBS
nicht zu.
Die Gesamtheit der produktdefinierenden Daten (grafisch, geometrisch, fertigungsspezifisch,
administrativ) ist intern nicht verwaltbar.
Neutrales und universelles Referenz-Informationsmodell ist erforderlich.
Fazit: Informationsintegration über diesen Ansatz kaum möglich!
80
Integration bestehender Insellösungen:
Vor- und Nachteile:
Bottom-Up-Ansatz für das Zusammenführen existierender Systeme zu einem cImGesamtsystem.
Voraussetzung: Abbau der Informationsbarrieren mittels genormter cIm-Schnittstellen
Fazit: gute Realisierungschancen, wenn vorauseilende Planung Top-Down gemacht wird.
4.4. Das cIm-Integrationsmodell
Ausgangsbedingungen:
Die cIm-Realisierung muss auf einer vorhandenen oder erweiterbaren heterogenen Hard- und
Softwareumgebung aufbauen.
Hinsichtlich der Integration des Informationsflusses ist davon auszugehen, dass die
unterschiedlichen Datenverwaltungssysteme der eingesetzten CAx- und PPS-Systeme in ein
cIm-Konzept möglichst optimal einzubinden sind.
Das cIm-Integrationsmodell soll nach [RuGo-91] zwei Strukturierungskonzepte haben:
1. Die Integration soll auf den Ebenen der
Unternehmensverwaltung,
Verfahrenskettenverwaltung,
Informationsverwaltung,
Kommunikationsverwaltung
erfolgen.
Diese Ebenen bilden eine Hierarchie
Integrationsebenen).
der
cIm-Integration
(Schichtenmodell
der
2. Die cIm-Lösung wird als eine Kette von Schritten angestrebt, wobei zunächst cImTeilsysteme zusammengefasst werden (cIm-Integrationsschritte).
4.4.1. cIm-Integrationsebenen
Die cIm-Integrationsebenen bauen aufeinander auf und bilden somit eine Hierarchie:
cIm - Unternehmensverwaltung
cIm - Verfahrenskettenverwaltung
cIm - Informationsverwaltung
cIm - Kommunikationsverwaltung
Bild 4.19: Schichtenmodell der cIm- Integrationsebenen
81
Erläuterung der Aufgabenbereiche der Ebenen:
Integrierte Kommunikationsverwaltung
Aufgabe: Unterstützung eines offenen Kommunikationssystems, das die Kommunikation
innerhalb und zwischen den verschiedenen cIm-Bereichen eines Unternehmens integriert:
+ Technischer Bürobereich,
+ Kaufmännischer Bürobereich,
+ Fertigungs- und Montagebereich.
Zu integrieren sind heterogene Netztypen, Netztopologien, Übertragungsmedien und
Übertragungstechniken.
Die Anforderungen an solche integrierten Kommunikationssysteme sind:
Universalität,
Effizienz,
Fehlerfreiheit,
Unfallsicherheit,
Erweiterbarkeit,
Kostenminimalität.
Bisheriger Stand:
vornehmlich lokale Netze (LAN), WAN und Internet – Anschluss im Kommen!
Topologie: Stern, Ring, Bus,
Übertragungsmedien: Drahtleitungen, Koaxial-, Glasfaserkabel, Wireless,
Übertragungstechniken: Basisbandübertragung für unmodulierte Signale, BreitbandÜbertragung für parallele Übertragung modulierter Signale, Mobilfunk, Satellit
Zugriffsverfahren: Token-Ring IEEE 802.5, ECMA TC24,89, Token-Bus IEEE 802.4, ECMA
TC24,50, Ethernet IEEE 802.3, ECMA TC24,80-82. Token-Ring und Token-Bus sind
deterministisch und kollisionsfrei. Ethernet ist statistisch und kollisionsbehaftet.
1983 Vorstellung des ISO/OSI-Referenzmodells für die Kommunikation heterogener und
offener Systeme (7 Schichten).
Protokolle:
MAP: Manufacturing Automation Protocol von General Motors
TOP: Technical and Office Protocol von Boeing Corp (Bild 4.20, [RuGo-91] 3.4)
Feldbus: Protokoll im Werkstattbereich
Internet: TCP/IP für Inter-, Intra- und Extranet
82
TOP
Unternehmensleitebene
Betriebs-Leitebene
Produktions-Leitebene
Prozeßführungs-Leitebene
MAP
MINI-MAP
Prozeßsteuerungs-Leitebene
Feldbus
Prozeß-Ebene
Bild 4.20: MAP/TOP in der Unternehmenspyramide [RuGo91]
Integrierte Informationsverwaltung
Basis: möglichst neutrales und universelles Referenzinformationsmodell für die Gesamtheit
der relevanten Informationen. Das Referenzmodell spezifiziert die semantisch eindeutige und
für alle beteiligten Teilsysteme verbindliche Darstellung und Interpretation der Gesamtheit
aller relevanten Informationen.
Aufgaben:
Konzeptionell zentralisierte Verwaltung sämtlicher Daten,
Integration der heterogenen, privaten Datenverwaltungssysteme der eingesetzten Teilsysteme,
Unterstützung eines neutralen und universellen Referenzinformationsmodells,
Semantische Transformation zwischen dem Referenzmodell und dem individuellen
Darstellungsmodell,
Unterstützung von angepassten Operationen und Schnittstellen sowie
Unterstützung allgemeiner Datenverwaltungsfunktionen.
Integrierte Verfahrenskettenverwaltung
Aufgabe: Integration aller am Produktlebenszyklus beteiligten Teilsysteme (CAx, PPS), d.h.
die Kontrolle und Synchronisation als Informationsaustausch zwischen den Teilsystemen
entsprechend dem Verfahrens- oder Prozessmodell.
Die Funktionalität beinhaltet (Supervisor-Funktionen):
Qualitätskontrolle und Qualitätserzeugung,
Verwaltung von Entwicklungsabhängigkeiten,
Versionskontrolle,
Konfigurationskontrolle,
Korrekturkontrolle,
Verwaltung der Entwicklungshistorie,
Synchronisation konkurrierender Entwicklungstendenzen.
Innerhalb der einzelnen Werkzeuge müssen
+ die Funktionalität der Werkzeuge,
83
+ Autorisierungen,
+ Eingabe- und Ausgabeverhalten,
+ Vor- und Nachbedingungen,
+ Kontroll- und Steuerinformationen,
+ Installationsstandorte,
+ Versionen, Optionen, Releases, Profiles
verwaltet werden.
Integrierte Unternehmensverwaltung
Aufgabe:
unternehmensweite
Planung,
Steuerung
und
Wertschöpfungsprozesse (z.B. durch Data Warehouse Systeme)
Überwachung
der
4.4.2. cIm-Integrationsschritte
Ausgangspunkt: Ein Integrationsmodell, das sämtliche technischen, betrieblichorganisatorischen und teilweise auch betriebswirtschaftlich-administrativen Funktionen und
Daten integriert.
Dieses Modell ist in zwei Etappen (Schritten) realisierbar:
1. In den ersten Schritten werden die bereichsorientierten und funktionsspezifischen
Insellösungen
zu
bereichsund
funktionsüberprüfenden
cIm-Teilsystemen
zusammengefasst. Die Realisierung erfolgt dabei über alle Integrationsebenen.
2. Die Zusammenführung zu einem unternehmensweiten cIm-Gesamtsystem.
Als die wichtigsten cIm-Teilketten haben sich herausgeschält:
CAM/PPS-Teilkette,
CAD/CAM-Teilkette,
CAD/PPS-Teilkette (Bild 4.21).
CAP-CAQ
PPS-CAQ
CAD-CAQ
CAM-CAQ
CAP-CAM
geplant
PPS-CAM
realisiert
PPS-CAP
CAD-CAP
CAD-CAM
PPS-CAD
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Bild 4.21: Die Bedeutung von Kopplungsbausteinen im cIm-Konzept nach [Abel-90]
84
Erläuterung der Teilketten:
CAM/PPS- Teilkette
Integrationsobjekt: PPS mit Fertigung und Montage (Bild 4.22)
PPS
- Fertigungsaufträge
- Betriebsmittelreservierungen
- Produktionsbetriebsdaten
- Auftragsfortschrittsdaten
CAM
Bild 4.22: CAM/PPS-Teilkette
CAD/CAP/CAM- Teilkette
Integrationsobjekt: - Konstruktion und Entwicklung, Fertigungsvorbereitung,
Fertigung und Montage.
CAD
Daten für fertigungsgerchte Konstruktion
Technologie-,
Geometriedaten
CAP
Arbeits-, Montagepläne
NC-Programme
Bild 4.23: CAD/CAP/CAM-Teilkette
CAD-System
Erstellung der Graphik
Datei
CAD-NC
Koppelbaustein
NC-Programmierung
Aufbereitung der Geometriebeschreibung
Ergänzung der Technologiebeschreibung
Anpassung an die Steuerung
NC-DNC-System
Bild 4.24 Ablaufmodell einer CAD/NC-Kopplung nach [Abel-90]
85
CAM
CAD/CAP/PPS- Teilkette
Integrationsobjekt: - Konstruktion und Entwicklung, Fertigungsvorbereitung, PPS
Norm-, Kalkulations-, Stammdaten
CAD
Daten für fertigungsgerechte
Konstruktion
PPS
Technologie-,
Geometriedaten
CAP
Konstruktionsstückliste
Belastungsprofile
Arbeits- u. Montagepläne
Bild 4.25: Teilkette CAD/CAP/PPS
4.4.3. cIm-Schnittstellen
Alle Bemühungen um eine Integration führen mehr oder weniger in neue Insellösungen mit
größeren Rahmen, wenn für die Verknüpfung der Teilsysteme untereinander und miteinander
nicht auf genormte Schnittstellen zurückgegriffen werden kann.
Die Aufgabe der Schnittstellen besteht vor allem in der Unterstützung des Austausches
produktdefinierender Daten.
Für die Entwicklung und Anwendung von genormten Schnittstellen gibt es drei
Möglichkeiten:
1. cIm-SS sind für eine nahtlose Integration bestehender, bereichsorientierter Insellösungen
zu einem unternehmensweiten cIm-Gesamtsystem erforderlich.
2. cIm-SS sind für die Migration, Flexibilität, Erweiterbarkeit und Adaption von
funktionsübergreifenden Teilkomponenten in unternehmensweiten cIm-Gesamtsystemen
erforderlich.
3. cIm-SS sind für den unternehmensübergreifenden Austausch von Daten notwendig.
Aus der Sicht der Entwicklung offener Systeme müssen auch Schnittstellen offen gelegt
werden. Das fordert geradezu eine Normung heraus (Bild 4.26).
Post
prozessor
CADSystem 1
CAD-System 1
Preprozessor
CADSystem 2
Schnittstelle zum
Austausch
produktdefinierender
Daten
Postprozessor
CADSystem 1
Preprozessor
CADSystem 2
Bild 4.26: Modellaustausch zwischen CAD-Systemen nach [Ande-93]
86
CAD-System 2
Definition: „Eine Schnittstelle ist ein System von Bedingungen, Regeln und Vereinbarungen,
das den Informationsaustausch zweier miteinander kommunizierender Systeme oder
Systemkomponenten festlegt.“ [GrAG-86]
Klassifikation von cIm-Schnittstellen:
1.
Anwendungsorientierte Klassifikation
Diese Schnittstellen werden für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche geschaffen
(z.B. für FEM- Anbindung). Die Anforderungen unterscheiden sich stark.
2.
Systemorientierte Klassifikation
Geräteschnittstellen (V24, Centronics, Busse),
Kommunikationsschnittstellen (Netze, Protokollschnittstellen),
Datenschnittstellen,
Programmierschnittstellen (Programmiersprachen),
Benutzerschnittstellen (BNO),
Externe Schnittstellen (zwischen Systemen),
Interne Schnittstellen (innerhalb eines Systems),
prozedurale Schnittstellen,
deklarative Schnittstellen.
Datenschnittstellen
Aufgabe: Austausch produktdefinierender Daten
Schnittstellen existieren bereits national und international, z.B. für den Austausch von:
Grafischen Daten,
Normteilen zwischen CAD-Systemen.
Geometriedaten an NC-Programmierung,
NC-Programme an die Fertigung,
Daten zwischen heterogenen Fertigungs- und Montagesystemen.
Die Umsetzung in das Format der Schnittstelle oder umgekehrt erfolgt durch Prä- bzw.
Postprozessoren. Diese müssen verifiziert werden (Conformance, Interoperability,
Robustness, Performance Tests).
Anforderungen an Datenschnittstellen sind:
Neutralität,
Universalität,
Erweiterbarkeit,
Aufwärtskompatibilität,
Eindeutigkeit,
Minimalität,
Verständlichkeit,
Adaption.
Zusätzlich wird gefordert:
umkehrbar eindeutige Abbildungen zwischen den Datenmodellen der Quell- und Zielsprache,
verlustfreie, fehlerfreie und sichere Übertragung,
hohe Packungsdichte der zu übertragenden Informationen,
Übersichtlichkeit und maschinelle Lesbarkeit der Zwischendarstellung,
Wahlfreiheit der Datensequenz,
87
Einfache Implementierung der Prä- und Postprozessoren.
Die Anforderungen werden durch die meisten heute im Einsatz befindlichen Schnittstellen bei
weitem nicht erfüllt.
Wichtigste Vertreter sind:
IGES
EDIF
STEP
CADI
PDDI
PDES
SET
- Initial Graphics Exchange Specification
- Electronic Design Interchange Format
- Standard for the Exchange of Product Data Model
- CAD Interface
- Product Definition Data Interface
- Product Data Exchange Specification
- Standard d‘Exchange et de Transfert
VDAFS
GKS
PHIGS
CLDATA
IRDATA
- Verband der Deutschen Automobilbauer- Flächen-SS
- Graphical Kernel System
- Programmers Hierarchical Interactive Graphics System
- Cutter Location Data (NC-Daten-Austausch)
- Industrial Robot Data (Bild 4.27, [RuGo-91] 3.9/10)
4.4.4. Soziale und arbeitspolitische Aspekte
cIm-Realisierungen haben nicht nur technische sondern auch soziale, personelle und
arbeitspolitische Aspekte.
Voraussetzung für Erfolg ist die Akzeptanz bei allen Beteiligten (cIm only will HIM!).
Die Erweiterung des Tätigkeitsbereiches (Job Enlargement) sowie die Bereicherung des
Tätigkeitsbereiches (Job Enrichment) stellen hohe Anforderungen an die Mitarbeiter.
Folgende Problempunkte aus sozialer und personeller Sicht ergeben sich im Umfeld von cImRealisierungen:
+ Fertigungssysteme sind komplex und teuer (hohe Auslastung erforderlich  Schichtarbeit).
+ Mitarbeiter wird immer mehr zum Entscheidungsträger.
+ Intelligente Systeme verlangen eine intelligente Vorbereitung der Mitarbeiter.
+ Die Einführung neuer Kommunikations- und Informationssysteme darf die
zwischenmenschlichen Beziehungen nicht unterbrechen (Problemlösungsprozesse leben
von diesen Beziehungen).
+ Funktionsintegration verlangt das Zusammenrücken aller voneinander isolierter
Organisationsstrukturen. Mitarbeiter müssen zur Kooperation und Kommunikation bereit
sein.
Schlußfolgerung: Vorbereitung auf cIm-Aufgaben notwendig.
4.5. Integration am Beispiel der cIm-Informationsverwaltung
In den Unternehmen sind die Bemühungen um eine Integration auf den einzelnen
Integrationsebenen aus den verschiedenen Blickwinkeln zu betrachten.
88
Auf der Ebene der Kommunikation geht es um einen flächendeckenden
Informationstransport über alle Hierarchieebenen. Mit der Verfahrenskettenintegration
verbindet
sich
die
Hoffnung
auf
eine
durchgängige
Bearbeitung
des
Produktentstehungsprozesses.
Die integrierte Unternehmensverwaltung zielt auf die Verbindung aller
Unternehmensbereiche ab und nutzt die bereitstehenden Detailinformationen zu einer
überprüfenden Bewertung.
Die Ebene der integrierten Informationsverwaltung nimmt in dieser Struktur eine
Schlüsselrolle ein, da dieselbe die Aufgabe hat, den Zugriff auf alle ebenenübergreifenden
Informationen in der entsprechenden Darstellung (Datenmodell) durch geeignete
Datenverarbeitungsfunktionen zu sichern.
Wie bereits ausgeführt, müssen die relevanten Informationen zu diesem Zweck zentral
verwaltet werden. Zentral verwaltet, d.h. eine semantisch eindeutige und verbindliche
Darstellung und Interpretation. Um zu gewährleisten, dass diese „zentralen“ Informationen
auch den „dezentralen“ Teilsystemen zugänglich sind, muss eine allgemeingültige Darstellung
(Modell) gewählt werden. Diese Rolle kann ein Referenzinformationsmodell übernehmen.
4.5.1. cIm-Referenzinformationsmodelle
Definition Modell:
Ein Modell beschreibt Eigenschaften und Konzepte eines Originalobjektes in einer Form,
die für die jeweilige Anwendung relevante Eigenschaften und Konzepte des Originals
betrachtet. Die Abstraktion von der für die jeweilige Anwendung irrelevanten
Eigenschaften ist das Werkzeug zur Reduktion der Komplexität. Die relevanten
Eigenschaften müssen vollständig und korrekt im Modell beschrieben werden, so dass
Modell und Original ähnlich sind.
Informationsmodelle bzw. Datenmodelle sind informationsmäßige, rechnerorientierte
Beschreibungen von Untersuchungsobjekten (Originalen).
Definition abstraktes Datenmodell:
Repräsentiert Klasse von Modellen und die Verfügbarkeit von Freiheitsgraden (formale
Parameter). Durch die konkrete Belegung der Freiheitsgrade (Umwandlung der formalen
in aktuelle Parameter) ergeben sich konkrete Modelle oder Ausprägungen.
Abstrakte Modelle beschreiben generische Eigenschaften, die allen Ausprägungen
gemeinsam sind.
Definition Referenzmodell:
Referenzmodelle sind Empfehlungen oder Vorschriften zur Beschreibung eines
Problembereiches, die eine vergleichende Betrachtung verschiedener Modelle zulassen
(z.B. ISO/OSI-Referenzmodell für offene Kommunikationssysteme, ANSI/SPARCReferenzmodell für Datenbanksysteme, cIm-OSA-Referenzmodell für eine offene cImArchitektur).
Anforderungen an Referenzinformationsmodelle:
Die wesentliche Aufgabe eines Referenzmodelles ist die Unterstützung der Normierung und
Standardisierung.
89
Als Anforderungen können formuliert werden:
Vollständigkeit:
Produktrelevante Informationen für das gesamte betrachtete Produktionsspektrum
müssen abbildbar sein. Nichtdargestellte Informationen bleiben außerhalb des
Referenzmodells.
Neutralität:
Ausschließlich
produktspezifische
Eigenschaften
finden
Eingang
im
Referenzinformationsmodell. Keine system-, branchen- oder verfahrensspezifischen
Eigenschaften.
Erweiterbarkeit:
Erweiterbarkeit gegenüber neuen Technologien ist notwendig, damit ausreichende
Flexibilität und Aktualisierbarkeit gegeben ist.
Aufwärtskompatibilität:
Eindeutigkeit:
Semantische Eindeutigkeit ist gefordert.
Minimalität:
Informationen aus Konsistenzgründen redundanzfrei darstellen. Ableitbare Daten sollten
durch Regeln modelliert werden.
Verständlichkeit:
Die Begriffsbildung sollte der allgemeinen Lehrmeinung und Begriffsbildung folgen
(Common Knowledge).
Adaptierbarkeit:
Das Referenzinformationsmodell sollte sich an die individuellen Darstellungsmodelle
der CAx- und PPS-Systeme, die den internationalen Normungs- und
Standardisierungsprojekten entspringen, anpassen und diese unterstützen können (CADReferenzmodell, STEP, ...).
Realisierbarkeit:
Es muss eine effiziente Implementation des Referenzinformationsmodells in
verschiedenen
Systemumgebungen
und
Datenhaltungsformen
(Dateiverwaltungssysteme, Datenbanksysteme) möglich sein.
Struktur von Referenzinformationsmodellen:
Referenzinformationsmodelle haben eine vertikale und horizontale Struktur.
Horizontal: Referenzinformationsmodelle werden auf verschiedenen Abstraktionsebenen
formuliert, die den verschiedenen Detaillierungsebenen entsprechen. Die Abbildungen
zwischen den verschiedenen Detaillierungsebenen müssen Bestandteil des
Referenzmodells sein.
Vertikal: Referenzinformationsmodelle bestehen aus Partialmodellen, die jeweils eine in
sich abgeschlossene Informationsmenge darstellen. Die Beziehungen der Partialmodelle
untereinander sind Gegenstand des Referenzmodells.
cIm-Informationsmodell:
Produktmodell,
Prozessmodell,
Werkzeugmodell,
Betriebsmittelmodell,
90
Fabrikmodell,
Auftragsmodell,
Kundenmodell,
Lieferantenmodell.
Zentrale Bedeutung hat das Produktmodell, das sämtliche Merkmale und Eigenschaften für
den gesamten Produktlebenszyklus abbildet (Bild 4.28/Bild 4.28a/Bild 4.28b/Bild 4.28c).
Produktmodell für Konstruktionsprozesse
Anforderungsmodell
Funktionsmodell
Prinzipmodell
Gestaltmodell
Technologiemdoell
Planungsmodell
Baugruppenmodell
Materialmodell
Fertigungsplanungsmodell
Einzelteilmodell
Toleranzmodell
Montageplanungsmodell
Geometriemodell
Oberflächenmodell
Prüfplanungsmodell
Bild 4.28: Aufbau eines Produktmodells für Mechanikprodukte nach [RuGo-91]
Spezifikation von Referenzinformationsmodellen
Die Spezifikation besteht aus zwei Komponenten:
Informationsdefinition: Eine allgemein verbindliche, neutrale Definition der relevanten
Konzepte, die von den individuellen Teilsystemen unabhängig ist.
Informationsrepäsentation: Als systemorientierte Darstellung der definierten Konzepte. Sie
entsprechen den Darstellungsmodellen der Teilsysteme.
Beispiel: Kreisbogendarstellung (Bild 4.29)
Informations-Definition
Mittelpunkt, 2 Punkte
Informations-Repräsentation A
Informations-Repräsentation B
Informations-Repräsentation C
2 Punkte, 1 Tangente
Mittelpunkt, Radius, 2 Winkel
3 Punkte
Bild 4.29: Definition und Repräsentation nach [RuGo-91]
91
4.5.2. cIm-Integrationsstufen
Die Integration der cIm-Integrationsverwaltung zeigt in der Praxis verschiedene Stufen, die in
ihren Ansätzen nach [Wede-88] bzw. [Eber-84] systematisiert wurden.
Es werden zunächst fünf Stufen unterschieden, die an dem Grad der Unterstützung eines
Referenzmodells gemessen werden.
Integrationsstufe 0
(Bild 4.30)
Zwischen den eingesetzten Teilsystemen existiert kein Kommunikationssystem.
Datenverwaltungssysteme der Teilsysteme sind isoliert. Datenübertragung erfolgt durch
manuelle Neuerfassung auf dem Zielsystem.
CAx-System A
CAx-System B
CAx-System C
Bild 4.30: cIm-Integrationsstufe 0 nach [RuGo-91]
Integrationsstufe 1
(Bild 4.31)
Eine integrierte cIm-Kommunikationsverwaltung ist vorhanden. Teilsysteme sind
paarweise
über Kopplungsprozessoren verbunden.
Aufgabe der Kopplungsprozessoren:
Datentransformation zwischen zwei Systemen, syntaktisch bzgl. der Datenformate,
semantisch bzgl. der Darstellungsmodelle  Direktkopplungsprinzip, heute oft realisiert
Probleme:
Informationsfluss und -qualität: Datenübertragung zwischen zwei Systemen erfolgt
autonom und isoliert. Keine globale Kontrolle der Konsistenz und Aktualität der Daten.
Kopplungsprozessoren: Für n Systeme n*(n-1) sind Koppelprozessoren erforderlich. Die
Einbindung eines neuen Systems verlangt 2n Koppelprozessoren. Ein hoher Entwicklungsund Wartungsbedarf ist erforderlich!
Differenzdaten:
Wenn die Daten eines Quellsystems im Zielsystem nicht darstellbar sind, kommt es zu
Informationsverlusten und Differenzdaten. Die Ursachen für die Nachteile der
Integrationsstufe 1 sind:
fehlendes Referenzinformationsmodell,
92
fehlende cIm-Verfahrenskettenverwaltung,
fehlende cIm-Unternehmensverwaltung
und damit sind
hoher Kostenaufwand,
keine Verkürzung der Durchlaufzeiten,
keine Standardisierung verbunden
CAx-System A
Koppelprozessor
B-A
Koppelproz.
A-C
Koppelprozessor
A-B
CAx-System B
Koppelprozessor
B-C
Koppelprozessor
C-A
CAx-System C
Koppelprozessor
C-B
Bild 4.31: cIm-Integrationsstufe 1 nach [RuGo-91]
Integrationsstufe 2
Unterscheidet sich von Integrationsstufe 1 durch die Einführung eines standardisierten
Datenaustauschformates. Dateneingabe- und Datenausgabeformate aller Teilsysteme sind
identisch. Syntaktische Transformation zwischen einzelnen gekoppelten Systemen entfällt.
Semantische Transformation ist nach wie vor erforderlich. Prinzipiell gleiche Nachteile wie
Integrationsstufe 1.
Integrationsstufe 3
Diese Stufe unterstützt ein Referenzmodell, indem die Daten des Quellsystems zunächst in
die Struktur des Referenzmodells und sodann in ein Zielsystem transferiert werden.
Teilsysteme können sternförmig gekoppelt werden. Für jedes Teilsystem werden zwei
Prozessoren benötigt (Bild 4.32).
Nachteil: nach wie vor Verwaltung der Daten im Dateikonzept, keine Integration der
Verfahrenskettenverwaltung.
93
CAx-System A
Koppelprozessor A
Dateistruktur des
Informations-Referenzmodells
Koppelprozessor B
Koppelprozess C
CAx-System B
CAx-System C
Bild 4.32: cIm-Integrationstufe 3 nach [RuGo-91]
Integrationsstufe 4
Die Nachteile der Stufe 3 (Dateiverwaltung, fehlende Verfahrensketten- und
Unternehmensverwaltung) werden durch den Einsatz eines Datenbanksystems für die
konzeptionell zentralisierte Verwaltung der Daten des Referenzinformationsmodells
beseitigt.
Das
konzeptionelle
Datenbankschema
repräsentiert
das
Referenzinformationsmodell. Die privaten Datenverwaltungssysteme der Teilsysteme
werden aufgelöst.
Verfahrensketten- und Unternehmensverwaltung
Datenbanksystems (Bild 4.33).
sind
Funktionen
CAx-System A
Datenbankschema
Informations-Referenzmodells
Cim-DBMS
CAx-System B
CAx-System C
Bild 4.33: cIm-Integrationsstufe 4 nach [RuGo-91]
Weitere Schwächen:
Datenvolumen: Verwaltung temporärer Daten in der öffentlichen Datenbank ,
94
des
cIm-
Effizienz: Die dezidierten Datenverwaltungssysteme der CAx-Systeme sind auf die
Anforderungen der Teilsysteme zugeschnitten und sind effizienter.
Kommunikation: Durch ständigen Zugriff auf die Datenbank hohe Anforderungen an
Kommunikationssystem.
In Reaktion auf diese Phase werden Integrationskonzepte realisiert, die
eine private Datenhaltung in den Teilsystemen während der Funktionsabarbeitung und
eine öffentliche Datenhaltung jener allgemein zu integrierender Daten
(gemäß Referenzinformationsmodell) vorsehen.
Der Datenaustausch zwischen den privaten Datenhaltungen der CAx-Systeme erfolgt
ausschließlich über die öffentliche Datenhaltung unter Kontrolle der cImVerfahrenskettenverwaltung. Damit könnten cIm-Strukturen entstehen, die in Bild 4.34, Bild
4.35, Bild 4.36 abgebildet sind.
CAx-System A
Verfahrenskettenverwaltung
Öffentl.
Datenhaltung
Koppelprozessor B
Informationsreferenzmodell
Koppelprozessor C
CAx-System B
CAx-System C
Bild 4.34: Konzept zur cIm-Informationsverwaltung nach [RuGo-91]
95
__
__
__
übergeordnetes
Rechnersystem
|||
öffentliche
Datenhaltung
CAx-Systeme
Bild 4.35: Verteilte Systemumgebung des cIm-Informationsverwaltungssystems [RuGo-91]
Bild 4.36: Schalenmodell des cIm-Managers nach [RuGo-91]
Aus den aufgezeigten Zusammenhängen geht hervor, dass die Transformation der internen
Darstellungsmodelle der privaten Datenhaltungen und dem Referenzinformationsmodell der
öffentlichen Datenhaltung erforderlich wird.
96
Dabei können zwei Wege beschritten werden:
Modellintegration
Dieser Ansatz beinhaltet die Voraussetzung, dass die internen Darstellungsmodelle direkt
in das Referenzinformationsmodell eingehen und damit die Probleme identifiziert werden
können. Die internen Darstellungsmodelle sind eine Untermenge des Referenzmodells.
Darstellungsmodell CAx-System A
A
A
B
C
B
C
Bild 4.37: Modellintegration
Modellkopplung (Bild 4.38)
Darstellungs CAx-System A
A
Koppelprozessor A
A'
A'
C'
B'
C'
B'
Koppelprozessor C
Koppelprozessor B
C
B
Bild 4.38: Modellkopplung
Bei der Modellkopplung müssen durch Koppelprozessoren semantische Transformationen
vorgenommen werden, z.B. Transformation von Parameterformaten (von integer in real ...),
Ändern der Informationsreihenfolge (Ändern der Reihenfolge der Koordinatenwerte von
97
Punktkoordinaten), Ändern von Bezeichnungen (Ändern der Bezeichnung „Modell“ in die
semantisch äquivalente Bezeichnung „Architektur“), Umrechnen von Dimensionen und
Maßeinheiten (von m in mm), Umwandeln von algorithmischen Zusammenhängen, Modellen
Die Systemarchitektur
Informationssystems
nach
Bild
4.36
weist
als
Hauptkomponenten
des
cIm-
private Datenhaltungssysteme (äußere Schale),
Koppelprozessorsysteme und
öffentliches Datenhaltungssystem (Kern)
auf.
Der Zugriff auf den Kern erfolgt ausschließlich über das Verfahrenskettenverwaltungssystem.
Zum Datenaustausch von dem privaten Datenhaltungssystem zum öffentlichen System werden
Pufferbereiche eingeführt.
privates Datenhaltungssystem
Ind. Puffer
Verfahrensketteverwaltung
neutr. Puffer
öffentl. Datenhaltungssystem
Wirkungsfeld der
Prozessoren
Bild 4.39: Datenaustausch bei gleicher Systemumgebung
Bei verschiedenen Umgebungen muss das Kommunikationssystem Leistungen zum Transport
anbieten.
98
5. Beispiele für rechnerunterstützte Ingenieursysteme
Rechnerunterstützte Ingenieursysteme unterstützen im Wesentlichen alle Phasen der
Unternehmensarbeit. Dabei steht die Unterstützung
der konstruktiven Ingeniermethoden (CAE, CAD),
der planerischen Ingenieurmethoden (CAP, NC-, CNC-, DNC-Programmierung, PPS),
der operativen Ingenieurmethoden (DBE, CAM, CAQ, PPS) und
der systemintegrierenden Ingenieurmethoden (CAx-Kopplung, CIM) im Mittelpunkt.
Der Integrationsgrad ist dabei sehr unterschiedlich ausgeprägt. Je nach Zielstellung der
praktischen Aufgabe kann es sich dabei um eine Kopplung oder eine echte Integration von
(Teil-) Systemen handeln. Mehr oder weniger steht bei der Entwicklung solcher
Softwaresysteme das CIM-OSA-Referenzmodell Pate. Beispiele für solche Bemühungen
werden im nachfolgenden näher erläutert.
5.1. Amherst-Karlsruhe-CIM-Modell [ReNS-94]
Rechnerunterstützte Ingenieursysteme unterstützen die unterschiedlichsten Phasen der
Produktion. CIM-Systeme reflektieren im Allgemeinen auf eine Unterstützung des gesamten
Fertigungsprozessess. Einige Beispiele für existierende CIM-Modelle sind u.a.
CIM-Konzept von IBM ( Bild 5.1 nach [ReNS-94], Bild 5.2)
NIST(National Institute of Standards and Technology)-AMRF(Advanced Manufacturing Research Facllity)-Hierarchiemodell (Bild 5.3)
CIM-Konzept der Siemens AG (Bild 5.4)
CIM-Konzept der Digital Equipment Corporation (Bild 5.5, Bild 5.6)
All diese Modelle überstreichen den kompletten Fertigungsbereich. Sie sollen demzufolge
diese Anforderungen befriedigen:
1. Darstellung der Unternehmensaktivitäten,
2. Integration der Managementinformationsdatenbank,
3. Darstellung des Material- und Produktflusses,
4. Darstellung des Informationsflusses,
5. Beschreibung der Schnittstellen und der Kommunikationsprotokolle,
6. Darstellung der hierarchischen Planungs- und Steuerungsfunktionen sowie
7. Berücksichtigung des Faktors Zeit.
Ein Exkurs durch das Amherst-Karlsruhe-Modell soll uns einen Einblick in die Realisierung
dieser anspruchsvollen Aufgabe ermöglichen [ReNS-94].
Verknüpfung von DV-Aktivitäten
Wenn der gesamte Fertigungsprozess zu einer funktionsfähigen Einheit konfiguriert
werden soll, muss die Struktur des Informationsprozesses zur Steuerung und Überwachung
der Fertigung entworfen werden. Der Informationsprozess ist dabei mit Daten der
verschiedensten Bereiche zu versorgen. Die einzelnen Komponenten des
Informationssystems können dabei sowohl als Datenquellen als auch -senken arbeiten.
Dafür ist ein Datenaustausch zu organisieren. Dieser funktioniert natürlich nur, wenn die
entsprechenden
Kommunikationskanäle
gestellt
werden
und
die
Kommunikationsschnittstellen kompatibel sind. Diese Thematik hat die Fragen nach dem
Datenträgermedium (z.B. Glasfaserkabel), nach dem Kommunikationsprotokoll und nach
dem Datenformat zu beantworten.
99
In einem Fertigungssystem sind verschiedene Arten der Datenübermittlung zwischen den
Funktionseinheiten zu erwarten (Bild 5.7):
lose Kommunikationsverbindung ( Weitergabe per Hand),
direkte Kommunikation (Setzt Synchronisation der beteiligten Partner voraus.),
interaktive Kommunikation ( Der Zugriff erfolgt über ein Terminal.),
Kommunikation
über
Mailbox
oder
Videokonferenz
(Dabei
wird
das
Synchronisationsproblem der direkten Kommunikation überwunden.)
Kommunikation über eine zentrale Datenbank (gleiche Datenstruktur und gleiches
Datenformat erleichtern die Kommunikation.)
Daten
Daten
a) lose Kommunikationsverbindung
Daten
Daten
b) direkte Kommunikation
Daten
Daten
c) interaktive Kommunikation
Datenzwischenspeicher
Daten
Daten
d) Kommunikation via Mailbox
zentrale
Datenbank
Daten
Daten
e) Kommunikation über zentrale DB
Bild 5.7: Verschiedene Arten des Datentransfers nach [ReNS-94]
Modell des Fertigungssystems
Das nachfolgend beschriebene Modells eines Fertigungssystems soll das Verständnis für
den Informationsfluss, die notwendigen Entscheidungsaktivitäten und für die
Kommunikationsinfrastruktur zur Fertigungssteuerung wecken. Im Modell sind solche
organisatorischen Aktivitäten der Fertigung wie Marktforschung, langfristige Planung,
Marketing, Einkauf und Rechnungswesen nicht enthalten.
Das Amherst-Karlsruhe-Modell beschreibt die technischen Fertigungsaktivitäten. Es setzt
die Eingabe von Aufträgen in das System und die Verfügbarkeit aller Ressourcen für die
100
Planung und Steuerung einer Fertigungsanlage voraus. Das Konzept umfasst die Ebenen
der Entwicklung und Konstruktion, der Arbeitsplanung, der Ablaufplanung, der Steuerung
und der Betriebsdatenerfassung (Bild 5.8). Die Entwicklungs- und Planungsaktivitäten
werden durch ein verteiltes Computernetzwerk unter Verwendung des MAP-Protokolls
verwirklicht. Der Output dieser Ebenen ist die Auftragsfreigabe an die Fertigungsebene.
Die Fertigungssteuerung erfolgt mit Hilfe eines hierarchischen Echtzeit-Computersystems.
Die Sollwerte für dieses System sind die Parameter für den laufenden Betrieb, d.h. für die
Inbetriebnahme und Steuerung der Anlage. Eine Betriebsdatenerfassung sorgt für ein
Feedback zur Steuerung. Die Kommunikation auf der Fabrikebene erfolgt über einen
Feldbus.
Bild 5.9 gibt einen Überblick über die zur Programmierung und Konfigurierung eines
flexiblen Fertigungssystems notwendigen Software-Werkzeuge.
Das Produktmodell
Das Produktmodell ist ein Werkzeug zur Beschreibung des Produktes. Es enthält
Informationen über die Produktfunktionen, die Form, die Geometrie, die
Oberflächenbeschaffenheit, die Fertigungs- und Montagemethoden und über die
Qualitätskontrolle. Das Modell kann die verschiedenen Informationen semantisch in
Schichten gliedern (Bild 5.10, Bild 5.1). Diese Schichten werden durch die verschiedenen
Werkzeuge (CAx, EDM/PDM, u.a.) bedient. Die Verbindung zwischen den Teilsystemen
wird über geeignete Schnittstellen bewerkstelligt. STEP nimmt dabei einen herausragenden
Platz ein, da dieser Standard versucht, alle Partialmodelle zu unterstützen.
Arbeitsplanungsmodell
Dieses Modell bildet die Pläne für die Fertigung, die Montage und Qualitätsprüfung
(Planung und NC-Programmierung) ab. Die Basisinformationen dafür liefert das CADSystem mit der Bereitstellung von Zeichnungen und Stücklisten (Bild 5.12 - Bild 5.15).
Schwierig gestaltet sich nach wie vor der automatisierte Datenaustausch zwischen CAD
und CAP (Bild 5. 13).
Produktionsablaufplanung
Kundenaufträge, Liefertermine, Fertigungsressourcen und Prioritätsregeln sind die
wichtigsten Parameter bei der Erstellung eines Produktionsplanes. Arbeitsplan und
Maschinenprogramme liefern die grundlegenden Steuerparameter zur Festlegung der
Reihenfolge und zur Steuerung der Fertigungsabläufe. Diese als Ablaufplanung
bezeichnete Tätigkeit ist nicht trivial. Das vorliegende Modell fasst die Algorithmen zur
Ablaufplanung in logischen Steuerungsmodulen zusammen, um sie sodann in einer
Bibliothek zur Verfügung zu stellen. (Bild 5.16, Bild 5.17)
Fertigungssteuerung und Fertigungsüberwachung
Ein Computernetzwerk steuert und überwacht den Fertigungsprozess. Dazu bedarf es einer
Systemsteuerungsarchitektur (Bild 5.18). Zu diesem Teilkomplex gehört auch die
Werkstattsteuerung, die den Materialfluss in der Fertigungsanlage organisiert.
CIM-Netzwerk der Modellfabrik
Die Teillösungen werden in einem Netzwerk für eine Modellfabrik zusammengefasst (Bild
5.19, Bild 5.20)
CIM-Datenbank
Die gemeinsamen Daten der Verwaltung, der Konstruktion, der Arbeits- und
Produktionsplanung bilden das Kernstück eines rechnerintegrierten Fertigungssystems und
werden demzufolge auch mit dem entsprechenden Gewicht zu behandeln zu sein. Diese
Aufgabe
übernimmt
in
dem
Amherst-Karlsruhe-Ansatz
ein
101
Managementinformationssystem (Bild 5.21). Die Aufgaben dieser datenbankgestützten
Lösung sind in (Bild 5.22) dargestellt.
Kundenauftrag
2.
Verkauf (Marketing)
Auftragseingang
Angebotseinholung durch den Kunden
Angebotserstellung durch den Kunden
Preis- und Rabattpolitik
Zusammenarbeit mit Kostenrechnung
Kundenauftragsverwaltung
Markt (Kunde)
ausgeliefertes Produkt
11.
Versand, Versanddokumente
Fakturierung
Überwachung der Auftragsversendung
1.
zentrale Tätigkeiten
Management
Personalwesen
Verwaltung
Statistik
10.
Rechnungswesen
Berechnung der Fertigungskosten
(Zuschlagskalkulation,
Betriebsabrechnung,
Kostenstellenabrechnung,
Herstellungsabrechnung)
enge Zusammenarbeit mit
der Angebotserstellung
Gewinn- und Verlustrechnung
für das Werk bzw. Kostenstelle
Lohnabrechnung in
Verbindung mit Personalwesen
3.
organisatorische Auftragsabwicklung
lang- u. kurzfristige Fertigungspl.
Berechnung des Liefertermins
Grobterminierung
Datenbank
Daten:
4.
Entwicklung und Konstruktion
rechnergestützte Entwicklung u Konstr.
Erstellen von Zeichnung u. Stückliste
Klassifizierung von Werkstücken und
Unterbaugruppen
Bildung von Teilefamilien
Programmerstellung für:
- NC-Maschinen
- Roboter
- Prüfmittel
Kunden
Lieferanten
Verkaufsaußendienst
Außendienst
Produkte
Aufträge
Fertigungsprozesse
Personal
Normen
Entwicklungshilfsmittel
Bestände
9.
Montage
Steuerung von Robotern
und Montageeinrichtungen
Bild- und Sensorüberwachung
der Montage
Qualitätsprüfung
Erfassen von Montagezeiten
8.
Fertigung
NC-, CNC- DNC-Steuerung und
adaptive Steuerung
Erfassen der fertiggestellten Aufträge
Erfassen der Fertigungszeiten
5. Arbeitsplanung
Bearbeitung:
(Rohmaterial, Fertigungsprozesse,
Bearbeitungsreihenfolgen, Werkzeuge &
Spannmittel, Bearbeitungsparameter)
Montage:
(Vorrangrelationen, Aktionsplan,
Montageeinrichtungen)
Testen & Prüfen:
(Prüfmethoden, Prüfreihenfolgen,
Prüfmittel)
Erstellen des:
(Arbeitsplans, Montageplans, Prüfplans)
Bild 5.22: Unterstützende
Auftragsdurchlaufs.
6.
Fertigungsplanung & Fertigungssteuerung
Terminierung
Maschinenzuweisung
Materialplanung
Fertigungsüberwachung
Qualitätsprüfung
Funktionen
einer
7.
Materialbedarfsplanung
Bestandsplanung und -steuerung
Zeitpunkt für Bestellungen und
Vorlaufzeitüberwachung
optimale Bestellmengen
Losgrößenbestimmung
Freigabe der angelieferten Teile
Wareneingangsprüfung
Lieferantenbewertung
CIM-Datenbank
während
eines
5.2. Integriertes, featurebasiertes System INTEP/INFID [PKSM-95]
Das nachfolgend beschriebene System ist für den Einsatz in der Produktionsvorbereitung
gedacht. Es beinhaltet den modernen Ansatz einer featurebasierten CAD/CAP-Integration.
Ausgangssituation für eine rechnerunterstützte Arbeitsplanerstellung
Der Weg der Realisierung einer durchgehend rechnerunterstützten Prozesskette in der
Produktionsvorbereitung wird durch neue Ansätze beeinflusst, die unter den Schlagworten
+ Featurebibliotheken, Lösungselemente, Lösungskataloge
+ Elementorientierte Arbeitsplanung, formale Elementbeschreibung
+ Featureerkennung
+ Konstruktionsdatenaufbereitung
zu finden sind. Die Grundidee ist die Verschmelzung der Konstruktions- mit der
Arbeitsplanungsphase (Tab. 5.1, Bild 5.23)
102
Anforderungen
Einfache Erzeugung
 Angebot in Oberfläche/Menü (z.B. Icons)
 geringer Eingabeaufwand
 Recherchemöglichkeit (z.B. Namen,
Funktionen)
komfortable Handhabung und Verarbeitung

einfaches
Ändern/Anpassen
von
Ausprägungen
der Merkmale
 einfaches Positionieren

definierbare
Ausprägungen
(Abhängigkeiten)
sowie
stete
Gewährleistung
dieser
Ausprägungen
 Verarbeitung von Normreihen
Nutzung von Informationen auch für andere
Bereiche
 Bereichsübergreifende Anwendungen
 Informationsbereitstellung

transparentes
Produktdatenverwaltungsmodell
Informationsergänzung
 Erweiterung um bereichsspezifische Inform.
 Generierung von Daten
 Funktionsmodellierung (z.B. frühe Phasen
des
Entwicklungsprozesses; was?)

Lösungs-/Ergebnismodellierung
(z.B.
warum
diese Lösung ?)

Entwicklungsfortschritt/-geschichte
dokumentieren
Definition neuer Features
 Ergänzung des Featurevorrats
 einfache Merkmalsdefinition

Unterstützung
bei
der
Funktionsmodellierung
Verarbeitung komplexer Strukturen
 Erzeugen von Strukturen

Analyse
von
Stücklistengenerierung)
Strukturen
Methodik
- strukturierte Bibliotheken
- default-Werte
- semantische Namensvergabe; Kataloge,
Sachmerkmalsleisten
- parametrische Beschreibung der Features
- entspr. Grundlagen im Daten- u. Funktionsmodell (z.B. Bezugs-/Referenzpunkte)
- Bedingungen, Constraints, Verhaltensregeln
- anschließende (verarbeitende) Methoden
- Integration
- Kommunikationsmechanismen
- Produktdaten- und Prozessverwaltung
- Editor (Featureeditor)
- Berechnungsvorschriften
- online-Dokumentationserstellung
textuelle Beschreibungsmöglichkeiten
- online-Dokumentationserstellung
textuelle Beschreibungsmöglichkeiten
- CSG-Historie, Protokolle, ...
- offenes Daten- und Funktionsmodell,
Vererbung
- Editor, Makrotechnik
- Programmierumgebung, Interpreter, MakroSprachen
Struktureditor;
komplexe
Objekte,
Abbildung von
(z.B. Beziehungen (zwischen Objekten)
- komplexe Objekte, Abbildung von
Beziehungen
103
Tab. 5.1: Einige Anforderungen an die Featuretechnik
CAD
CAP
2D Geometriemodellierer
Arbeitsplanverwaltung
3D Geometriemodellierer
alphanumerische Teilbeschreibungen (Geometrie,
Technologie)
B-Rep
CSG
Verwendung Makros
Hybrid
Entscheidungstabellensysteme
3D-Parametrik
Regelbasierung
Konstruktions-Feature
Fertigungs-Feature
Entwicklungsstand
parametrisierbare, logikbehaftete
CAD- und CAP-Feature,
das nutzerspezifisch
verarbeitet werden kann
Bild 5.23: Ausgewählte Entwicklungen in den Bereichen CAD und CAP nach [PKSM-95]
featurebasierte Methoden der Aufbereitung von Konstruktionsdaten für die
Fertigungplanung bedeutet:
Konstrukteure und Arbeitsplaner haben eine unterschiedliche Sicht auf das Produkt. Der eine
unterteilt in Konstruktionsfeatures, der andere in Arbeitsplanfeatures. Eine automatische
Überführung der einen Sicht in die andere könnte den Planungsprozess entscheidend
verkürzen.
Dazu sind drei Wege denkbar (Bild 5.24).
a) Manuelle Beschreibung der Fertigungsaufgabe
CAD
Beschreibungmodul
Arbeitsplanungssystem
b) Automatische Featureerkennung
Featurererkennung
CAD
Arbeitsplanungssystem
c) Featureidentifikaition
CAD/CAP-Verbund
Werkstückkonstruktion
Identifikationsmodul
Arbeitsplanerstellung
Bild 5.24: Ansätze zur Konstruktionsdatenaufbereitung
Der erste Weg führt über die Verwendung einer Beschreibungssprache für die Features. Dabei
gibt es Abweichungen in der Beschreibung und vor allem qualitative Unterschiede in der
104
Überführung der Konstruktionsdaten. Die Skala reicht von der ausschließlich manuellen
Beschreibung der Fertigungselemente bis hin zur automatischen Erzeugung von Files in der
entsprechenden Syntax der gewählten Sprache. Das Arbeitsplanungssystem wertet diese
Informationen hinsichtlich der Generierung von Arbeitsplanungsdaten aus.
Eine andere Strategie wird beim zweiten Weg, der Featureerkennung, verfolgt. Hierbei sollen
automatisch aus dem geometrischen Modell typische, bekannte Features ermittelt werden.
Diese Variante ist für bestimmte Elemente wie Bohrungen, Nuten, Fasen u.a. bereits
erfolgreich angewandt worden. Die Featureerkennung ist dabei Bestandteil des
Arbeitsplanungssystems.
Der dritte Weg zur Konstruktionsdatenaufbereitung besteht in einer interaktiven
Fertigungsfeature-Identifikation. An die Stelle der automatischen Featureerkennung nach Weg
2 tritt ein Identifikationsmodul, das dem Planer ein Bestimmen von Fertigungsfeatures
erlaubt. Hierbei baut man insbesondere auf das Wissen des geschulten Planers.
Diese Ansätze lassen sich auch kombinieren.
Wird ein Verbund von CAD- und CAP-Systemen auf dieser Basis angestrebt, dann stehen
diese Aspekte im Vordergrund:
1. Alle Features, Konstruktions- und Fertigungsfeatures, werden nach ähnlichem Muster
definiert. Damit ist gemeint, dass sie ein gemeinsames Datenmodell haben und gleiche
Funktionalitäten zur Erzeugung der Daten (z.B. Geometrie) nutzen. Damit wird ein
einheitliches Funktions- und Datenmodell zumindest für den Bereich der
Werkstückkonstruktion und für die Konstruktionsdatenaufbereitung erreicht.
2. Eine featurebezogene Konstruktionsdatenaufbereitung schließt sich an (nach Weg 1-3).
Hierbei sind bei der Transformation von Konstruktionsfeatures in Fertigungsfeatures
mindestens 3 Wege zu erkennen:
Weg 1: Eine im wesentlichen 1:1 Transformation wird vorgenommen (Bild 5.25).
Weg 2: Ein Konstruktionsfeature wird in Fertigungsfeature zerlegt (Bild 5.26).
Weg 3: Flächen von Konstruktionselementen werden zu Fertigungsfeatures komponiert.
3. Mit diesen Informationen kann auf Basis der Fertigungstechnologien aus dem Fertigteil
das Rohteil interaktiv oder automatisch entwickelt werden.( Bilder 5.25 - 5.27)
Realisierung einer Integrierten Technologieplanung (INTEP)
In Zusammenarbeit zwischen Informatikern (ITI) und Fertigungstechnikern (IFQ) der Ottovon-Guericke-Universität wurden Lösungen zur featurebasierten Technologieplanung
(INTEP) bzw. zum featurebasierten Entwurf (INFID) geschaffen, die den vorher
beschriebenen Anforderungen gerecht werden sollten. Diese Systeme stellen im Wesentlichen
ein CAD/CAP-Verbund auf der Basis des 3D-CAD-Systems KONSYS von Strässle [PKSM95] dar (Bild 5.28).
Der Prozess der Informationsverarbeitung beinhaltet diese Schritte:
1. Das Werkstück wird in 3D mit KONSYS/SOLID entworfen. Dabei ist es möglich, dass
der Entwurf bereits mit einem konstruktiven Featuremodul durchgeführt wurde.
2. Die für eine rechnerunterstützte Arbeitsplanerstellung notwendigen Betriebsmitteldaten
und auch Fertigungsfeatures sind in einer Datenbank gespeichert.
3. Mit Hilfe der Logik-Moduln für die Arbeitsplanerstellung und Vorrichtungsplanung
(INFID, Integrated Fixture Design) wird nun ein Arbeitsplan erstellt, der ebenfalls
Informationen über die beizustellenden Betriebsmittel enthält.
4. Der Prozess der Arbeitsplanung wird ständig begleitet durch eine visuelle Präsentation
des Planungsfortschritts, indem auf der Basis des ermittelten Abspanvolumens die
105
Entwicklung vom Rohteil zum Fertigteil (oder in umgekehrter Folge) grafisch verfolgt
werden kann .
Basisfunktionalität, Oberfläche, ...
CREATE, DELETE, HANDLING, MANIPULATE, ... OF GEOMETRY AND FEATURE INFORMATION
FEATUREMODUL
Feature
Konstruktion
Logik
Arbeitsplanerstellung
Featurer
Arbeitsplanung
Feature
Vorrichtungsplanung
SOLIDS
Fertigungsressourcen
Featurer-Vorlagen
FeaturerDaten
Verweise
FeatureFunktionen
Logik
Vorrichtungsplanung
Application Procedural Interface
ACIS (geometry kernel)
Bild 5.28: Systemarchitektur der Prototypentwicklung INTEP/INFID
Systemarchitektur zur Integrierten Technologieplanung (INTEP)
Das System INTEP stellt einen CAD/CAP-Verbund dar. Als Basissystem dient das 3D-CADSystem KONSYS von Strässle. Die Funktionalität der Solid/Feature-Moduln wird erweitert
und durch Arbeitsplanungsmoduln ergänzt (Bild 5.28).
Einen Schnappschuss der Planung zeigt Bild (Bild 5.29).
Im Ergebnis der Testung stellten sich noch inhaltliche und informationstechnische Schwächen
heraus. So fehlt eine Integration qualitätsbezogener Daten. Auch die Ermittlung des
Abspanvolumens bereitet weiterhin Schwierigkeiten. Informationstechnisch hat sich die
Einbindung der gesamten Applikation unter dem CAD-System als Anwendungsserver als
überfordert erwiesen. Das Managen der einzelnen Funktionalitäten sollte in ein eigens dafür
eingerichtetes System gelegt werden.
106
5.3.
Entwicklungsumgebung
für
komponentenorientierte,
technische
Informationssysteme
Literatur
[SATTLER98)
K.-U. Sattler: Tool-Komposition in integrierten Entwurfsumgebungen
Dissertation, Universität Magdeburg 1998
5.3.1. Ausgangssituation
Einordnung der Aufgabenstellung:
Wir haben feststellen können, dass eine effiziente Unterstützung des Produktionsprozesses
durch entsprechende rechnerunterstützte Informationssysteme möglichst über alle Phasen
dieses Prozesses stattfinden sollte. Also von der Kundenanfrage, über die
Angebotsbearbeitung, Erstellung der Fertigungsunterlagen, Fertigung und Vertrieb. Der
gesamte Problembereich ist sehr komplex mit verschiedensten anwendungsspezifischen
Anforderungen, die ein Werkzeug allein nicht befriedigen kann. Deshalb ist das Spektrum des
Angebots an Werkzeugen, die meist auf eine Aufgabe abgestimmt sind, auch sehr groß. Sogar
in einem Problembereich, z. B. im Automobilbau werden für den konstruktiven Entwurf
verschiedene CAD-Systeme eingesetzt (speziell für die Karosserie, Antrieb usw.). Die
Anwendung verschiedener Werkzeuge bedingt ein Zusammenspiel derselben. Dabei treten die
bekannten Probleme wie
 Datenaustausch,
 Konsistenzerhaltung der Daten,
 Überlappung der Funktionalität der Systeme u.a. auf.
Deshalb die bereits eingehend besprochene Aufgabe:
Abstimmung der Werkzeuge aufeinander und deren Einbettung in ein integriertes
Gesamtsystem, das durch eine geeignete Entwurfsumgebung unterstützt wird.
Kapitel 4 beschäftigte sich mit dem allgemeinen Stand der Technik zu dieser Themenstellung.
Dieses Anwendungsbeispiel gibt die Bemühungen der AG Rechnerunterstützte
Ingenieursysteme unter Leitung des Vorlesenden zu dieser Problematik wieder.
Problemdarstellung:
Auf Grund der Vielfalt der Entwicklungsanforderungen sind Standardentwurfsumgebungen
nicht verfügbar. Gegebenenfalls kann auf die bekannten Referenzmodelle zurückgegriffen
werden. Individuelle Lösungen für Kunden verbieten sich ebenfalls aus Zeit- und
Kostengründen. Deshalb wird die Forderung nach offenen und flexiblen
Entwurfsumgebungen laut:
 Offenheit beinhaltet die Möglichkeit der Einbindung neuer bzw. den Austausch
vorhandener Werkzeuge.
 Flexibilität setzt die Fähigkeit der Anpassung von Struktur und Verhalten der
Gesamtumgebung an die aufgabenspezifischen Gegebenheiten voraus.
Vorteile einer offenen Umgebung sind:
+ Durch das "Zusammenstecken" vorgefertigter Werkzeugbausteine wird deren
Wiederverwendung ermöglicht und damit eine Kostenreduzierung erreicht.
+ Das Zerlegen eines komplexen, monolithischen Systems in kleinere, überschaubare
Einzelkomponenten erhöht die Wartbarkeit und hilft bei der Verringerung der Fehlerrate.
107
+ Ein modulares System kann flexibler an neue Anforderungen angepasst werden.
Die damit angestrebte Software-Infrastruktur stellt somit einen Rahmen dar, in welchem es
möglich wird, beliebige Werkzeuge zu entfernen und hinzuzufügen. Diesen Rahmen kann
man als Integrationsrahmen oder auch Framework bezeichnen.
Die Integrationsdienste werden im Allgemeinen auf der
 Datenebene
 Werkzeugebene
 Prozess- oder Steuerungsebene
 Präsentationsebene
angeboten.
Uns bisher bekannte Mechanismen zur Realisierung der einzelnen Integrationsaspekte sind
u.a.
auf der Datenebene
auf der Präsentationsebene
auf der Prozessund Steuerungsebene
auf der Werkzeugebene
SQL-, ODMG-, STEP-Standard, Konzepte für föderierte DBMS
grafische Benutzeroberflächen, Konzepte zur visuellen
Integration (OLE!)
Message Server, Object Request Broker (CORBA von OMG,
COM/DCOM von Microsoft)
z. B Tool- Kompositionsansatz nach [SATTLER98]
Die Aspekte des zuletzt angeführten Tool-Kompositionsansatzes sind:
Software-Werkzeuge werden als wieder verwendbare Bausteine oder Komponenten
angesehen, die in beliebiger Form kombiniert und zu neuen Bausteinen zusammengesetzt
werden können. Ein Mechanismus zur Beschreibung der Eigenschaften der Komponenten
ist erforderlich.
Die verschiedensten Werkzeuge einer Umgebung müssen in geeigneter Weise miteinander
verbunden werden, um das gewünschte Verhalten zu erzielen. Zur Herstellung und
Verwaltung dieser Verbindungen werden Kompositionsmechanismen benötigt.
Die Abbildung und Verwaltung der Komponenten und Interaktionsbeziehungen muss
durch ein Laufzeitsystem unterstützt werden. Dieser Systemteil beinhaltet die
Integrationsdienste zur Verbindung und Steuerung der Tools.
Im Kontext dieser Problemstellung des rechnerunterstützten Entwurfs sind noch diese
begrifflichen Klärungen notwendig.
Es gibt 2 Kategorien von Objekten.
Objekte, die bearbeitet werden (als Material bezeichnet).
Objekte, die zur Bearbeitung notwendig sind (als Tool bezeichnet).
Material
CAD-Zeichnungen, Arbeitspläne..
Tool
CAD-System, Struktur-Browser, Texteditoren..
Das Muster des Zusammenspiels beider Objekttypen nennt man Tool-Material-Metapher
(Abb. 5.30).
108
Abbildung 5.30
Dienst
Aktion eines Software-Systems
Tool
Software-Modul mit definierten Schnittstellen, das eine Menge semantisch
zusammenhängender Dienste anbietet.
Entwurfsumgebung Menge von Diensten, die einen Entwurfsprozess durchgängig
unterstützen.
Framework Ist als Integrationsrahmen eine Software-Infrastruktur, die Dienste zur
Entwicklung und Anpassung von Entwurfsumgebungen anbietet.
Integration Ist die Verbindung und Abstimmung von Software-Moduln in einem
funktionierenden Gesamtsystem, auch als Tool-Integration zu verstehen.
109
Nutzer
Benutzerschnittstelle
Prozeßsteuerung
Weitere Tools
Tool
Kommunikationsschnittstelle
Datenbankschnittstelle
Abbildung 5.31:Integrationsschnittstellen eines Tools [SATTLER98]
Im Einzelnen lassen sich die Integrationsaufgaben in den erwähnten 4 Dimensionen wie folgt
charakterisieren.
+ Datenintegration
Beinhaltet die Verwaltung der im Entwurfsprozess anfallenden Daten.
Datenaustausch erfolgt über
Direkten Informationsaustausch,
dateibasierten Informationsaustausch mit Standardformaten,
repository-basierter Informationsaustausch über einen zentralen Datenspeicher.
Zwei Aspekte sind bei der Datenintegration zu beachten:
die Modellierung (mittels ER-Diagrammen, objektorientierten Ansätzen..)
die Dienstbereitstellung zur Integration (Datenmanagement, Metadaten-Dienste, Nutzerund Zugriffsverwaltung, Archivierung, Anfrage- und Suchdienste..).
+Steuerungsintegration
Diese Ebene enthält die Mechanismen zur direkten Interaktion zwischen Tools.
Die Dienstaufrufe können dabei synchron erfolgen, d.h. die beteiligten Tools gehen eine 1:1 Verbindung ein, oder asynchron, d. h., der Sender muss nicht unbedingt auf die Antwort
warten, 1:n Verbindung ist möglich.
Bekannte Lösungen zur Unterstützung dieser Ebene sind:
über Prozeduraufrufe
z. B. Remote Procedure Call (RPC), Ort und Schnittstelle des
Dienstanbieters müssen bekannt sein.
Object Request Broker
eine objektorientierte Sichtweise, Tools sind Objekte mit
definierten Schnittstellen und Identität, Objekte kommunizieren
über ORB
Broadcasting
Tools
reagieren
auf
bestimmte
Ereignisse
oder
Zustandsänderungen. Ein Broadcast Message Server übernimmt
die Weiterleitung und Verteilung der Ereignismeldungen.
110
+Prozessintegration
Die Prozessintegration unterstützt die Steuerung und Kontrolle des Entwurfsprozesses selbst.
Von herausragender Bedeutung in diesem Zusammenhang sind die Prozessmodellierung und
die Schaffung von Integrationsdiensten.
Zur Prozessmodellierung werden Prozessmodellierungssprachen eingesetzt. Diese folgen den
Paradigmen der prozeduralen, regelbasierten oder auch topologie- und netzbasierten
Ansätzen.
Zur Abbildung eines Prozessmodells und zur Ablaufsteuerung und -kontrolle müssen durch
die Entwurfsumgebung entsprechende Dienste bereitgestellt werden. Diese Integrationsdienste
umfassen im einzelnen.
 Dienste zur Modellierungsunterstützung
Hierin sind alle Dienste einzuordnen, die Ablaufstrukturen und Aktivitäten sowie deren
Verhalten und deren Anforderungen an die Ressourcen beschreiben. Darüber hinaus muss die
Komposition und Dekomposition von Prozessen möglich sein und der Zugriff auf Daten und
Tools über ihre Beschreibungen gesichert werden.
 Dienste zur Instanziierung und Ausführung von Prozessen
Anhand eines gegebenen Prozessmodells können konkrete Prozessinstanzen erzeugt und
ausgeführt werden. Das umfasst das Zuordnen von Ressourcen(Daten und Nutzer), das Prüfen
von Bedingungen, das Verfolgen von Ereignissen und das Anstoßen der Aktionen. Die
Ausführung übernimmt eine implementierte Prozessmaschine, die auf einem
Zustandsautomaten oder Regelinterpreter basieren kann.
 Monitoring-Dienste
Die Monitoring-Prozesse unterstützen sowohl die Ausführungsdienste durch das Melden von
Ereignissen, die die Fortsetzung beeinflussen, als auch das Projektmanagement durch die
Überwachung und Darstellung der Abläufe sowie das Signalisieren von Konflikten und
Engpässen.
 Transaktionsdienste
Es wird die Ausführung eines Prozessschrittes oder eine Folge derselben beobachtet und im
Fehlerfall zurückgesetzt.
+Präsentationsintegration
Ziel der Präsentationsintegration ist eine effiziente Unterstützung der Interaktion zwischen
Nutzer und Umgebung. Einheitliche Benutzerschnittstellen fördern die Integration .
Von Bedeutung sind in diesem Kontext das
visuelle Erscheinungsbild bzw. Verhalten der Tools
(umfasst alle Bereiche der Gestaltung der Benutzerschnittstellen, wie Schaltflächen, Menüs,
Dialogboxen, Mausklick, Drag&Drop ) und
das Interaktionsparadigma .
Letzteres legt fest, wie der Nutzer mit dem System interagiert. Dies kann funktions- oder
applikationsorientiert sein, d.h. das Tool wird zunächst aktiviert, bevor der Zugriff auf die
Dokumente erfolgt. Als Alternative kann das dokumenten- oder objektorientierte Paradigma
verfolgt werden. Die Dienste sind den Objekten als Methoden zugeordnet.
In der Verbindung mit der Prozesssteuerung kann ein aufgaben- oder Aktivitäten orientiertes
Paradigma verwirklicht werden. Die Aktivität definiert die Dokumente und die zur
Verarbeitung notwendigen Tools.
Für die Realisierung der Aufgaben in dem beschriebenen Umfeld eignen sich
Referenzmodelle, die einen konzeptionellen Rahmen darstellen können. Beispiele hierfür sind
das ECMA-Modell und das bereits vorgestellte CAD-Referenzmodell .
111
Objec t Management Servic es
Tools
Proc ess Managem ent
Servic es
Com munic ation
Servic es
User Interfac e
Servic es
+ Polic y Enforc ement Servic es
+ Framework Administration Servic es
Abbildung 5.32: Prinzip des ECMA-Referenzmodelles[SATTLER98]
Abbildung 5.33: CAD-Referenzmodell [ABELN95]
112
5.3.2 Anforderungen an Integrationskonzepte für Entwurfsumgebungen
Begriffe:
Software-Komposition
Entwurfsumgebungen sind keine starren, unveränderlichen Software-Systeme, sondern
müssen im Laufe ihres Einsatzes an wechselnde Anforderungen angepasst werden. Diese
Forderung wird durch den Aufbau von Systemen als eine Menge von Bausteinen unterstützt.
Theoretische Grundlage bilden die Prinzipien der Software-Komposition.
Def.:
Software-Komposition ist die systematische Konstruktion von Software-Anwendungen aus
Komponenten, die Abstraktionen eines speziellen Problembereiches implementieren.
Eine wesentliche Rolle dabei spielen.
die Komponenten als "komponierbare" Software- Bausteine,
die Kompositionsmechanismen zur Verbindung der Komponenten.
Def.:
Eine Komponente ist ein wieder verwendbarer Software-Baustein mit wohldefinierten
Schnittstellen zur Komposition.
Die Schnittstellen legen dabei die Art und Weise der Interaktion der Komponente mit der
Außenwelt fest und bilden damit die Basis für die Verbindung der Komponente mit anderen
Bausteinen. Die Schnittstellen sollten dabei die Eigenschaften der Typ- und
Protokollkompatibilität aufweisen. Für die Beschreibung dieser Schnittstellen nutzt man
Schnittstellenbeschreibungssprachen (Interface Definition Language), die eine abstrakte
Beschreibung der Datentypen und Operationen zulassen und die Abbildung in eine konkrete
Implementierungssprache erlauben.
Komponententechnologien
Wenn Komponenten als Bausteine in einer heterogenen Welt gehandelt werden sollen,
müssen entsprechende unterstützende Techniken her.
CORBA
Common Object Request Broker Architecture (CORBA, OMG 1997) definiert einen Rahmen
für die Kommunikation von verteilten Objekten in heterogenen Umgebungen. Objekte
kommunizieren unter CORBA über Aufrufe ihrer Operationen, die über den Object Request
Broker weitergeleitet werden. Für jedes Objekt wird eine Schnittstelle mit Hilfe der Interface
Definition Language (IDL) spezifiziert. Ein Compiler erzeugt daraus Code-Rümpfe, die in
einer entsprechenden Implementierungssprache eingebettet werden (C, C++, Java, ADA).
Mit dem unter CORBA 2.0 definierten Internet-Inter-ORB-Protokoll (IIOP) ist eine
Interoperabilität zwischen den ORB verschiedener Hersteller möglich.
113
Abbildung 5.34: Common Object Request Broker Architecture
COM/DCOM
Das (Distributed) Component Object Model (Microsoft 1997) ist die Implementierung eines
Objektmodells für die Kommunikation von verteilten Anwendungen. COM war zunächst für
Windows-Plattformen in lokaler Umgebung beschränkt, DCOM steht für Lösungen in
verteilter Umgebung auf verschiedenen Plattformen. Bekannt sind COM/DCOMErweiterungen für spezielle Anwendungsbereiche wie Object Linking and Embedding (OLE)
für Verbunddokumente und ActiveX für Web-Anwendungen.
Abbildung 5.35: COM-Technologie
JavaBeans
JavaBeans (Sun 1997) steht für das Komponentenmodell von Sun auf der Basis der
Programmiersprache Java. Diese Komponenten sind plattformunabhängig und können in einer
Java-Umgebung genutzt werden. Beans stellen Objekte oder Verbundobjekte dar.
Was im Rahmen dieser Betrachtungen noch fehlt, sind Modelle zur Komposition und
Koordination von Komponenten, die eine explizite Repräsentation und Koordination der
114
Interaktionen gestatten. Formale Konnektoren, Protokolladapter, Gluons u.a. Konzepte (siehe
auch [SATTLER98] erfüllen diese Anforderungen.
Schließlich können aus den bisherigen Herleitungen diese
Anforderungen an Integrationskonzepte
abgeleitet werden:
Trennung von Anwendungsteil und anwendungsabhängigem Basissystem
Hiermit wird der Framework-Gedanke betont, indem durch das Einstecken der Tools in ein
Basissystem eine aufgabenbezogene Konfigurierung der Entwurfsumgebung möglich wird.
Unterstützung aller Integrationsebenen
Die Integrationsebenen stehen miteinander in dem Zusammenhang der speziellen
Aufgabenstellung. Deshalb muss das Zusammenwirken aller Ebenen organisiert werden.
Berücksichtigung der Heterogenität der Tool-Implementierungen
Aufgrund der Vielzahl von Implementierungsplattformen und - technologien (
Programmiersprachen, Kommunikationsdienste , Datenbank- und Benutzerschnittstellen...)
einerseits sowie Anwendungsfelder andererseits werden die Einsatzmöglichkeiten der Tools
bei der Vergabe von Schnittstellen und Implementierungen eingeschränkt. Eine
Integrationsumgebung muss deshalb die wichtigsten Implementierungsplattformen und techniken unterstützen und offen für Erweiterungen und Neuentwicklungen sein.
Explizite Beschreibung der Repräsentation der Architektur der Umgebung
Durch die Beschreibung der Architektur der Entwurfsumgebung ( bestehend aus Tools und
ihren Beziehungen ) auf einer implementierungsunabhängigem Ebene kann die
Konfigurierung der Umgebung für den Anwender vereinfacht werden. Gleichzeitig verbessert
die Verfügbarkeit von Informationen über die Systemstruktur die Wartung und Anpassbarkeit.
Einsatz von Tool-Komponenten in unterschiedlichen Anwendungskontexten
Häufig wiederkehrende Standardoperationen treten in den verschiedensten Anwendungen auf.
Die ausführenden Tools müssen in diesen Umgebungen flexibel einsetzbar sein. Das
Integrationskonzept muss die flexible Kombination von Tools unterstützen.
Bereitstellung von Mechanismen zur Bindung von Tool-Schnittstellen
Die Integrationsumgebung muss Mechanismen zur Verbindung der Tool-Schnittstellen über
Plattform- und Implementierungsgrenzen hinweg bereitstellen. Zu berücksichtigen sind
Inkompatibilitäten der zu verbindenden Schnittstellen und auch unterschiedliche
Interaktionsformen ( Dienstaufrufe, Broadcasting von Ereignismeldungen ).
5.3.3 Komponentenbasierten Tool-Integration
Modell
Mit Hilfe einer Menge von Tool-Komponenten, deren Verbindungen sowie den Basisdiensten
kann eine Ausprägung der Entwurfsumgebung definiert werden. Eine solche Ausprägung
nennen wir Konfiguration.
Bei der Betrachtung der Konfiguration sind 2 Aspekte zu unterscheiden:
 Verarbeitungsaspekt: Er beschreibt die Dienste der Tool-Komponenten und deren
Anforderung an die Umgebung. Dies wird über die Tools selbst und deren Schnittstellen
realisiert.
115

Koordinationsaspekt: Dient zur Organisation des Verhaltens einer Gruppe von
Komponeneten. Der Koordinationsteil einer Konfiguration wird durch eine Menge von
Beziehungen zwischen den Komponenten gebildet, die durch Interaktoren wahrgenommen
werden.
Interaktionspunkte m it
benötigten Diensten
Interaktionspunkt m it
unterstützten Diensten
Implementierung
Komplexe Komponente
Subkomponente
Interaktor
Interaktor
Rollen
Abbildung 5.36: Primitive Komponente und Interaktor sowie komplexe Komponente
[SATTLER98]
Spezifikation von Konfigurationen auf der Basis des Modells
Mit den soeben vorgestellten Ansätzen wurden die Basiskonzepte zur Komposition von Tools
vorgestellt. Für die Anwendung dieser Ansätze zur Integration und Komposition von
konkreten Tool-Implementierungen wird ein Mechanismus gebraucht, der die Definition einer
Konfiguration in einer geeigneten Form ermöglicht. Die von [SATTLER98] entwickelte
Sprache TIL stellt dieses Instrumentarium dar.
116
Repository
m it Kom ponentenund Interaktordefinitionen
TILCompiler
TILSpezifikation
Adapter Code
ToolIm plem entierungen
TILRepräsentation
Laufzeitsystem
Konfiguration
Abbildung 5.37: Integrationsprozess mit TIL [SATTLER98]
Diese Konfigurationssprache muss demzufolge die Verarbeitungs- und Koordinationsaspekte
abbilden können. Die Tool Interconnection Language (TIL) hat eine Syntax, die es gestattet
 Datentypen und Schnittstellen,
 Komponenten und Interaktoren sowie
 Konfigurationen
zu beschreiben. Die Sprache stützt sich dabei auf Elemente der Interface Definition Language
(IDL) der OMG.
servic es
selector
AssemblyTool
notifier
component AssemblyTool {
supports ExtAssemblyServices services;
requires PartSelection selector using attach_selector;
announces AssemblyEvents notifier using attach_listener;
primitive implementation {
protocol = IIOP;
services =  /services/AssemblyEditor;
}
}
Abbildung 5.38: Beispiel einer primitiven Komponente
117
servic es
AssemblyTool
SelectionTool
ModellingTool
notifier
component ModellingTool {
supports ExtassemblyServices using editor.services;
announces AssemblyEvents notifier using editor.notifier;
composite implementation {
AssemblyTool editor = new AssemblyTool;
SelectionTool selector = new SelectionTool;
...
}
}
Abbildung 5.39: Beispiel einer komplexen Komponente
AssemblyTool
link
SelectionTool
observer
Struc tureBrowser
configuration Config {
AssemblyTool editor = new AssemblyTool;
StructureBrowser browser = new StructureBrowser;
SelectionTool selector = new SelectionTool;
new link<editor, selector>;
new observer<editir, browser>;
}
Abbildung 5.40: Beispiel einer Konfiguration
5.3.4 Laufzeitunterstützung der Komposition
Aufgabe einer Laufzeitunterstützung ist die Abbildung des Kompositionsmodells auf eine
Implementierungsebene. Die zu realisierenden Teilaufgaben sind folgende:
 Integration der Komponentenimplementierungen
118
Die Tools einer Umgebung können in den verschiedensten Programmiersprachen
implementiert sein und unterschiedliche Schnittstellen und Kommunikationsprotokolle
unterstützen. Das Laufzeitsystem muss diese Komponenten als primitive Komponenten
einbeziehen und deren Präsentation ermöglichen.
 Abbildung von Komponenten und Beziehungen
In Abhängigkeit von der Implementierungsplattform müssen die Abstraktionen des
Kompositionsmodells abgebildet werden. Dazu gehören die Verwaltung von Objekten zur
Repräsentation
komplexer
Komponenten
sowie
die
Implementierung
der
Kompositionsmechanismen.
 Initialisierung von Konfigurationen
Anhand einer spezifizierten Konfiguration muss eine konkrete Ausprägung der
Entwurfsumgebung hergestellt werden, einschließlich der Instanziierung und Herstellung der
Verbindungen. Außerdem sind die Zugriffsdienste für andere Systemebenen ( z.B.
Prozesssteuerung) auf die Objekte einer Konfiguration bereitzustellen.
 Bereitstellung von Kommunikationsdiensten
Die Abbildung der Interaktionsbeziehungen setzt die Verfügbarkeit von Mechanismen zur
Kommunikation von Tools voraus. Diese Dienste müssen unter Verwendung der
Mechanismen der Implementierungsplattform realisiert werden.
 Berücksichtigung der Heterogenität
Die Tool-Komponenten sind häufig auf verschiedenen Implementierungsplattformen
entwickelt. Die Überbrückung der Unterschiede ist eine weitere Aufgabe des Laufzeitsystems.
Kom m unikationsdienste
User-Interfac e-Dienste
Dienste zur Prozeßverwaltung
und -steuerung
Kom positions- und
Konfigurationsdienste
Kom ponentenlaufzeitsystem
Dienste zur Datenintegration
Abbildung 5.41: Einordnung der Kompositionsdienste in eine Entwurfsumgebung
119
Zur Realisierung schlägt Sattler eine reflexive Systemarchitektur vor (siehe Abb. 5.42), wobei
die Metaebene Informationen über das System generell und die Basisebene Informationen
über die eigentliche Logik des Anwendungssystems liefert. Beide werden über ein
Metaprotokoll verbunden.
Metaobjekte
Metaobjektprotokoll
Metaebene
Basisebene
Im plem entierungsobjekte
Abbildung 5.42: reflexive Systemarchitektur
Die daraus resultierende Architektur des Laufzeitsystems vermittelt Abb. 5.43.
Es bedeuten:
(1)
die
Initialisierung
des
Metamodells
durch
eine
in
TIL erstellte
Konfigurationsbeschreibung oder durch ein dynamisches Erzeugen des Modells,
(2)
der Zugriff auf die Konfigurationsdienste zur Instanziierung einer Konfiguration bzw.
auf die einzelnen Komponenten dieser Konfiguration zum direkten Aufruf von
Komponentenoperationen,
(3)
der Zugriff auf das Metamodell zur Manipulation von Struktur und Verhalten der
aktuellen Konfiguration, z.B. zum Einfügen neuer Komponenten und Beziehungen,
(4)
die Schnittstelle zur Adapterebene für die Bereitstellung spezieller
Kommunikationsadapter.
120
(3)
Konfigurationsebene
(1)
(2)
Surrogatebene
Interaktorebene
Metamodell
Adapterebene
Laufzeitsystem
(4)
Im plem entierungsumgebung
Abbildung 5.43: Architektur des Laufzeitsystems
5.3.5 Prototyp und Anwendungsbeispiele
Wie bereits erwähnt, verfolgt die Forschergruppe mit dem Projekt PACO (siehe Abb.5.44) das
Ziel, eine konfigurierbare, integrierte Ingenieurumgebung zur Unterstützung der Planungsund Entwurfstätigkeiten im Produktionsprozess zu entwickeln.
121
Benutzerschnittstelle
Konfigurationsebene
Prozeßebene
Ablaufsteuerung
Aktivitätenausführung
Toolkonfiguration
Konfigurations- und
Kom m unikationsdienste
Datenmanagement-Ebene
EDM-Dienste
Abbildung 5.44: PACO-Architektur
Mit Blick auf die bereits erzielten Forschungsergebnisse insbesondere auf der
Konfigurationsebene wurde als Integrationsumgebung ein Web-basiertes Client-ServerSystem konzipiert, wodurch eine verteilte Ausführung von Aktivitäten möglich wurde. (Abb.
5.45)
Was gehört zur Architektur des Systems?
Die Client-Seite übernimmt ein Web-Browser in Verbindung mit HTML-Seiten. Der WebBrowser
ist
dabei
erweitert
um
Funktionen
zur
Instanziierung
von
Komponentenkonfigurationen und zur Ausführung von Aktivitäten. Dies übernimmt der so
genannte Content Handler, der bestimmte Dokumententypen behandeln und darstellen kann.
In
diesem
Falle
handelt
es
sich
dabei
um
Aktivitätenskripte
und
Konfigurationsbeschreibungen. Wird ein solches Dokument in den Browser geladen, so gibt
der Content Handler diese zur Interpretation weiter. Ein Aktivitätenskript wird vom
Interpreter
ausgeführt
und
instanziiert
das
Laufzeitsystem
anhand
der
Konfigurationsbeschreibung.
Der Web-Server liefert die Dienste zum Daten - und Dokumentenmanagement. Kommuniziert
wird das Hypertext Transfer Protocol (HTTP). Neben dieser Verbindung über HTTP kann
auch auf Tools über andere Protokolle auf die Umgebung zugegriffen werde.
122
Diese spezielle PACO-Integrationsumgebung ist charakterisiert hinsichtlich der
Konfigurierbarkeit
 der unterstützten Entwurfsprozesse in Form der Aktivitäten und ihrer Abfolge,
 der Tool-Komponenten und deren Verbindungen als aufgabenspezifische Ausprägung des
Systems sowie
 in Hinblick auf die Verbindung mit dem Datenmanagementsystems bezüglich der zu
verwaltenden Daten und Dokumente.
Web-Browser
Web-Server
Aktivitäteninterpreter
Prozeßsteuerung
Komponentenlaufzeitsystem
IIOP
CORBA-Objekte
Datenmanagement
JavaVM
JavaKomponenten
Produktdaten und -dokumente,
Konfigurationsbeschreibungen ...
Abbildung 5.45: Aufteilung der Systemteile des Prototyps
Abbildung 5.46 zeigt einen Schnappschuss eines Anwendungsbeispieles in diesem Rahmen.
Es handelt sich um den strukturieren CAD-Entwurf eines Werkstückes.
123
124
Abb. 5.46: CAD-Entwurf in einer konfigurierbaren Umgebung
Als Ausblick zu diesem Projekt muss festgestellt werden, dass die Ebenen der
Prozesssteuerung und der Benutzerinteraktion im Sinne einer Integration weiter
vorangetrieben werden müssen.
125
6. Zusammenfassung
Das Anwendungsfeld der rechnerunterstützten Ingenieursysteme ist die automatisierte
Fertigung mit Blickrichtung auf cIm. Im Sinne der cIm-Strategie ist die unternehmensweite
Integration sämtlicher technischer und betrieblich-organisatorischer als auch
betriebswirtschaftlich-administrativer Funktionen die Orientierung.
Voraussetzung für die Realisierung dieser Strategie ist eine ganzheitliche Integration des cImInformationsflusses. Dieser ist durch mehrere Ebenen gekennzeichnet:
1.
2.
3.
4.
die integrierte Kommunikationsverwaltung,
die integrierte Verfahrenskettenverwaltung,
die integrierte Informationsverwaltung und
die integrierte Unternehmensverwaltung (Management).
Ein
integriertes
Informationsverwaltungssystem
spielt
aus
der
Sicht
der
Informationsverarbeitung eine herausragende Rolle. Ein solches System weist zumeist diese
Merkmale auf:
Verteilte Verarbeitung mit Konzentration auf Workstation-Nutzung,
Kombination der privaten Datenhaltungssysteme der cIm-Komponenten mit einem zentralen,
öffentlichen Datenhaltungssystem,
Horizontale und vertikale Verteilung des cIm-Informationsverwaltungssystems
horizontale Verteilung durch Einsatz der privaten Datenhaltungssysteme für die Verwaltung
temporärer Daten während der Funktionsrealisierung und
vertikale Verteilung über das übergeordnete Datenhaltungssystem mittels einem neutralem
Referenzinformationsmodell,
Die cIm-Komponenten werden vorzugsweise auf Workstation-Arbeitsplätzen realisiert. Die
öffentliche Datenverwaltung erfolgt auf einem zentralen Abteilungsrechner.
Das somit charakterisierte Informationsverwaltungssystem wird in zwei Schritten umgesetzt:
1. Integration der Teilsysteme zu Teilketten und
2. Bindung der Teilketten zu einem Gesamtsystem.
Dieser Vorschlag stellt nach wie vor einen Kompromiss auf dem Wege zu einem
Integrationskonzept dar, das auf einen ganzheitlichen semantischen Ansatz für ein
Unternehmen aufbaut, dessen Realisierung aber noch in die weite Zukunft gerichtet ist.
126
7. Literaturübersicht
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Abeln, O.: Die CA...-Techniken in der industriellen Praxis. Carl-HanserVerlag München Wien, 1990
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1984
[Eign-91]
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Database - Strategische Komponente in CIM-Konzepten. Carl-HanserVerlag München Wien, 1991
[Ever-89]
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