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Definition eines mechatronischen Informationsmodells zur Modellierung von Automatisierungskomponenten und Maschinen
(2013) Reuter, Axel; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)
Der Trend zu einem ständig wachsenden Angebot an neuen Produkten sowie zu immer kürzer werdenden Produktlebenszyklen erfordert flexible Produktionsmaschinen und -anlagen, die in immer kürzeren Zeiten zu stetig sinkenden Kosten bei möglichst steigender Qualität entwickelt und hergestellt werden können. Um die dazu notwendige Parallelisierung im Entwicklungs- und Konstruktionsprozess zu ermöglichen, sind anpassbare Automatisierungskomponenten und Maschinenstrukturen sowie entsprechende Informationsmodelle erforderlich. Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung durchgängiger, mechatronischer Modellierungsvorgaben für die Unterstützung von Komponenten- und Maschinenherstellern. Die notwendigen Anforderungen an die zu definierenden Modellierungsvorgaben werden erarbeitet und anhand der drei Kategorien Querschnittsanforderungen, sowie Anforderungen an Modellierungsvorgaben für Automatisierungskomponenten und für Maschinen strukturiert. Die wichtigsten Anforderungen sind dabei Durchgängigkeit für alle Fachdisziplinen, Unabhängigkeit von einzelnen Branchen im Maschinenbau und von Herstellern für Automatisierungskomponenten, Verwendung bestehender disziplinspezifischer Daten- und Informationsmodelle sowie Flexibilität hinsichtlich modellierbarer Automatisierungskomponenten und Maschinenstrukturen. Anschließend werden der Stand der Technik in Bezug auf Grundprinzipien zur Modellierung von Automatisierungskomponenten und Maschinen, vorhandene Struktur- und Informationsmodelle sowie bestehende Engineeringlösungen an den Anforderungen gespiegelt. Dabei stellen sich als Defizite das Fehlen von Modellierungsvorgaben in vorhandenen Engineeringlösungen sowie die Abhängigkeit der bisherigen Modellierung von Branchen und Herstellern heraus. Um verschiedene Arten von Automatisierungskomponenten sowie deren zugehörige Strukturen und Informationsmodelle formal abbilden zu können, wird ein konzeptionelles Informationsmodell als Basis zur mechatronischen Modellierung entwickelt. Dazu wird eine Methode erarbeitet, die bestehende Daten von Automatisierungskomponenten systematisch in eine funktionale Klassenstruktur überführt. Ziel der anschließend festgelegten mechatronischen Grundstruktur ist die disziplinübergreifende Abbildung von Zusammenhängen zwischen verschiedenen Arten von Automatisierungskomponenten und zu Maschinen. Basierend auf diesen Grundlagen ermöglicht das erarbeitete Automatisierungskomponentenmodell die herstellerunabhängige Abbildung von Automatisierungskomponenten und -systemen in einem durchgängigen Informationsmodell. Die dazu innerhalb des Automatisierungskomponentenmodells eingeführten Informations- und Energieflüsse werden als Schnittstellen für die Modellierung der verschiedenen Arten von Automatisierungskomponenten herangezogen und damit Modellierungsvorgaben für Sensor-, Aktor- und Informationsverarbeitungskomponenten erarbeitet. Aufbauend auf diesen Informationsmodellen folgt die Abbildung der Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Automatisierungskomponenten sowie die Modellierung von Automatisierungssystemen in einer im Rechner verarbeitbaren Klassenstruktur. Weiterhin wird ein branchenunabhängiges Maschinenmodell basierend auf einer branchenunabhängigen Funktionsstruktur erarbeitet, das als objektorientierte, im Rechner verarbeitbare Klassenstruktur mit zugehörigen Schnittstellen zum Automatisierungskomponentenmodell festgelegt wird. Anschließend folgt eine Definition hierarchischer Modellierungsebenen zur Bereitstellung der Modellierungsvorgaben für Komponenten- und Maschinenhersteller. Dazu werden vier Modellierungsebenen entwickelt, die eine Trennung zwischen der disziplin- und branchenunabhängigen sowie der hersteller- und maschinentypspezifischen Modellierung ermöglichen. Die industrielle Einsetzbarkeit der erarbeiteten Modellierungsvorgaben werden durch prototypische Implementierung in einem mechatronischen Engineeringwerkzeug und deren Verwendung bei der Modellierung der Materialzuführung einer Produktionsmaschine nachgewiesen. Damit wird die Eignung der Modellierungsvorgaben für Maschinen mit zugehörigen Maschinenstrukturen und Automatisierungskomponenten bestätigt.