Unterstützung Des Engineerings Von Fertigungstechnischen
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Unterstützung des Engineerings von fertigungstechnischen Produktionssystemen mit Hilfe von Maschinenfunktionen – Methode, Modell und Beschreibungsmittel für ein funktionsorientiertes Planen – Von der Fakultät für Maschinenbau der Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation vorgelegt von Dipl.-Ing. André Scholz aus Radebeul Hamburg 2018 Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Alexander Fay Prof. Dr.-Ing. Christian Diedrich Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Klassen Tag der mündlichen Prüfung: 31.08.2018 Vorwort des Autors Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen meiner Tätigkeit als Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Professur für Automatisierungstechnik der Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg in der Zeit von Juli 2013 bis Dezember 2017. Mein besonderer Dank gilt Herrn Professor Dr.-Ing. Alexander Fay für die Möglichkeit an seinem Lehrstuhl in unterschiedlichen Projekten forschen zu dürfen. Seine Förderung und Forderung, sowie die zahlreichen wissenschaftlichen Anregungen haben die Erstellung dieser Arbeit erst ermöglicht. Herrn Professor Dr.-Ing. Christian Diedrich danke ich für das Interesse an meiner Arbeit und die Übernahme des Zweitgutachtens. Herrn Professor Dr. Ing. habil. Thomas Klassen möchte ich meinen Dank für die Übernahme des Prüfungsvorsitzes aussprechen. Ich bedanke mich bei den Mitgliedern der Fachgremien und Ausschüsse, mit denen ich im Rahmen des GMA FA 6.16 und des NAMUR AK 1.10 viele spannende und konstruktive Sitzungen erleben konnte. Ebenso danke ich den Mitarbeitern im Forschungsprojekt SemAnz4.0 für das kreative und kollaborative Teamwork. Neben dem Forschungsteam von Professor Diedrich sind hier insbesondere die Mitarbeiter von eCl@ss, Herr Ralf Wiegand und Herr Christian Eck zu nennen, sowie Herr Martin Dubovy von Rösberg Engineering. Ein herzlicher Dank geht an alle Kollegen und Mitarbeiter der Professur für Automatisierungstechnik. Ohne dieses tolle Team von motivierten, aufmerksamen und geduldigen Kollegen wäre eine Forschung in so vielen Projekten in der Intensität nur schwer möglich gewesen. Besonders dankbar bin ich denen, die mir bei meiner Zeit an der Professur immer ein offenes Ohr schenkten: Herrn Henry Bloch, Herrn Constantin Hildebrandt und Frau Birte Caesar. Herrn Dr.-Ing. Maik Riedel und Herrn Dr.-Ing. Sebastian Schröck gilt zusätzlich mein besonderer Dank für ihre intensive Unterstützung, sei es durch ihre konstruktive Kritik an der Arbeit oder dem guten Zuspruch vor der Prüfung. Meinen Eltern danke ich für die immerwährende Unterstützung und den Rückhalt, der mir meinen beruflichen und wissenschaftlichen Weg möglich gemacht hat. Meiner Frau Silke danke ich für ihre bedingungslose Unterstützung und ihr geduldiges Verständnis. Ihre Liebe und Zuversicht gaben mir die notwendige Kraft, die vorliegende Arbeit fertig zu stellen. Ansbach, September 2018 André Scholz Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis INHALTSVERZEICHNIS .................................................................................................................................. I ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ........................................................................................................................ V GLOSSAR ................................................................................................................................................ VII KURZFASSUNG .......................................................................................................................................... X ABSTRACT ............................................................................................................................................... XI 1 EINLEITUNG ....................................................................................................................................... 1 1.1 MOTIVATION .............................................................................................................................. 1 1.2 ZIELSETZUNG UND WISSENSCHAFTLICHER BEITRAG DER ARBEIT .................................................. 2 1.3 AUFBAU DER ARBEIT.................................................................................................................. 3 1.4 FORSCHUNGSFRAGEN ............................................................................................................... 4 2 ABLAUF DES ENGINEERINGS AUTOMATISIERTER SYSTEME .................................................................. 6 2.1 BESCHREIBUNG ALLGEMEINER ENGINEERING-ANSÄTZE ............................................................... 6 2.1.1 VDI-RICHTLINIE 3695 – ENGINEERING VON ANLAGEN ............................................................. 6 2.1.2 VDI-RICHTLINIE 4499 – DIGITALE FABRIK .............................................................................. 7 2.1.3 VDI-RICHTLINIE 5200 – FABRIKPLANUNG ............................................................................... 8 2.1.4 PROJEKTBERICHT AQUIMO .................................................................................................. 8 2.1.5 SCHNIEDER – METHODEN DER AUTOMATISIERUNG ................................................................. 9 2.1.6 LÜDER – AGGREGATION OF ENGINEERING PROCESSES REGARDING THE MECHATRONIC APPROACH ............................................................................................................................ 9 2.1.7 BERGHOLZ – OBJEKTORIENTIERTE FABRIKPLANUNG ............................................................. 10 2.1.8 TAUCHNITZ – INTEGRIERTES ENGINEERING .......................................................................... 10 2.1.9 VDI/VDE-GMA – REFERENZ-ARCHITEKTUR MODELL INDUSTRIE 4.0 (RAMI4.0) ................... 10 2.1.10 CHRISTIANSEN – MODELLGESTÜTZTES ENGINEERING ........................................................... 11 2.1.11 HÄMMERLE – AUTOMATIONML IM PRAXISEINSATZ ................................................................ 11 2.1.12 ZUSAMMENFASSUNG ........................................................................................................... 12 2.2 ENGINEERING IN DER FERTIGUNGSTECHNIK .............................................................................. 13 2.2.1 VDI-RICHTLINIE 2206 – ENTWICKLUNGSMETHODIK FÜR MECHATRONISCHE SYSTEME ............ 13 2.2.2 VDI-RICHTLINIE 2223 – METHODISCHES ENTWERFEN TECHNISCHER PRODUKTE ................... 14 2.2.3 DRATH – DATENKONSISTENZ IM UMFELD HETEROGENER ENGINEERING-WERKZEUGE ............ 15 2.2.4 ANIS – CP³L: A CYBER-PHYSICAL PRODUCTION PLANNING LANGUAGE ................................. 15 2.2.5 ZUSAMMENFASSUNG ........................................................................................................... 16 2.3 ENGINEERING IN DER PROZESSINDUSTRIE ................................................................................ 16 2.3.1 PAS 1059 – PLANUNG EINER VERFAHRENSTECHNISCHEN ANLAGE ....................................... 17 2.3.2 NAMUR-ARBEITSBLATT 35 – ABWICKLUNG VON PLT-PROJEKTEN........................................ 17 2.3.3 ZUSAMMENFASSUNG ........................................................................................................... 18 2.4 PARALLELISIERUNG DES ENGINEERINGS ................................................................................... 18 2.5 FOLGERUNGEN AUS DEN ANSÄTZEN DES ENGINEERINGS ........................................................... 19 3 INFORMATIONSAUSTAUSCH IM ENGINEERING .................................................................................... 22 3.1 DIE BETEILIGTEN GEWERKE IM FERTIGUNGSTECHNISCHEN ENGINEERING ................................... 22 3.2 VERWENDETE UND AUSGETAUSCHTE INFORMATIONEN IM ENGINEERING ..................................... 23 3.3 NORMEN UND STANDARDS ZUR OPTIMIERUNG DES ENGINEERINGS ............................................ 26 3.3.1 BEDEUTUNG DER STANDARDISIERUNG FÜR DAS ENGINEERING .............................................. 27 3.3.2 MERKMALE UND ECL@SS.................................................................................................... 27 3.3.3 VDI/VDE 3682 – FORMALISIERTE PROZESSBESCHREIBUNG ................................................. 29 3.3.4 NAMUR-EMPFEHLUNG 150 ................................................................................................ 30 3.3.5 VDMA-SCHNITTSTELLE FÜR DEN MASCHINENBAU (ENTWURF) .............................................. 31 3.3.6 AUTOMATIONML ................................................................................................................. 32 3.3.7 ZUSAMMENFASSUNG DER BETRACHTETEN STANDARDS ......................................................... 34 3.4 ZUSAMMENFASSUNG DES INFORMATIONSAUSTAUSCHES IM ENGINEERING .................................. 34 Inhaltsverzeichnis II 4 ANSÄTZE DES FUNKTIONSORIENTIERTEN ENGINEERINGS ................................................................... 36 4.1 DEFINITION DER FUNKTION ...................................................................................................... 36 4.2 DAS FUNKTIONSORIENTIERTE ENGINEERING IN VERSCHIEDENEN DOMÄNEN ................................ 37 4.2.1 PROZESSINDUSTRIE ............................................................................................................ 37 4.2.2 GEBÄUDELEITTECHNIK ........................................................................................................ 38 4.3 ANSÄTZE ZUR FUNKTIONSORIENTIERTEN