Abstract:
Simulation nimmt eine zunehmend wichtige Rolle im Engineering und Betrieb von Maschinen und Anlagen ein. Simulation kann genutzt werden, um Experimente an noch nicht existierenden oder zur Verfügung stehenden Anlagen durchzuführen, um unterschiedliche Systemkonfigurationen zu testen oder um Informationen über nicht beobachtbare interne Vorgänge zu sammeln. Um volatilen Anforderungen und Randbedingungen (z. B. durch Kunden, neue Normen, Gesetze und Richtlinien, Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz) gerecht zu werden und dabei trotz allem die Rentabilität der Produktionsanlagen sicherzustellen, werden diese Anlagen zunehmend in modularer Bauweise konzipiert. ... mehrDurch die Wandelbarkeit der Anlage nehmen die ohnehin umfangreichen manuellen Abläufe, die mit deren Modellierung und Simulation einhergehen, noch weiter zu. Diese Modellierungstätigkeiten sind fehleranfällig, kostenintensiv und erstrecken sich über den kompletten Lebenszyklus der Produktionsanlage. Folglich wird eine Lösungsmethode benötigt, welche es Ingenieuren ermöglicht, Simulation unkompliziert, schnell und kosteneffizient über den kompletten Lebenszyklus einer modularen Produktionsanlage einsetzen zu können. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein Lösungskonzept für die (teil-)automatische Generierung, Adaption und (Re-)Konfiguration von Simulationsmodellen für modulare Produktionsmaschinen und -anlagen zu entwickeln. Hierzu werden einerseits die Voraussetzungen analysiert, die erfüllt werden müssen, um eine solche (Teil-)Automatisierung zu erreichen. Des Weiteren wird erläutert, welche Informationen benötigt werden und welcher Automatisierungsgrad für die Modellgenerierung und -adaption erzielt werden kann. Aus dem formulierten Handlungsbedarf werden insgesamt neun Anforderungen, die verschiedene Lebenszyklusphasen adressieren, abgeleitet. Die umfassende Analyse des Stands von Wissenschaft und Technik hat ergeben, dass keiner der bestehenden Lösungsansätze alle entwickelten Anforderungen vollumfänglich erfüllt. Der Hauptgrund hierfür ist, dass keine der bestehenden Lösungen mit dem Ziel entworfen wurde, den kompletten Lebenszyklus der Anlage abzudecken. Aus diesem Defizit ergab sich der Handlungsbedarf, ein neues, lebenszyklusübergreifendes Lösungskonzept zu entwickeln. Bei dem in dieser Arbeit entwickelten Gesamtkonzept handelt es sich, entsprechend der Lebenszyklusphasen Inbetriebnahme, Betrieb und Umbau, um ein dreistufiges Konzept. Die jeweiligen Konzeptstufen bauen dabei auf den vorherigen auf. Zur Überprüfung des vorgestellten Gesamtkonzepts hinsichtlich der definierten Anforderungen wurde ein prototypisch implementiertes Assistenzsystem auf zwei modulare Produktionsanlagen aus unterschiedlichen Domänen des Maschinen- und Anlagenbaus angewandt. Die Validierung hat gezeigt, dass das Assistenzsystem für beide Systeme über deren kompletten Lebenszyklus angewandt werden kann und dadurch der manuelle Modellierungsaufwand sowie die starke Abhängigkeit vom individuellen Wissen der Modellierungsexperten reduziert wird. Das Assistenzsystem, welches eine Implementierung des Lösungskonzepts darstellt, erfüllt alle definierten Anforderungen. Weiterhin konnten, im Rahmen der Kapitel zu den jeweiligen Teilkonzepten, die aufgestellten Forschungsfragen bezüglich der Voraussetzungen, der benötigten Informationen und des erreichten Automatisierungsgrades beantwortet werden. Den Abschluss der Arbeit bildet eine kritische Würdigung, in der die offenen Punkte des entwickelten Konzepts als Basis für Folgearbeiten erläutert werden.
Abstract (englisch):
Simulation plays an increasingly important role in the engineering and operation of machines and plants. Simulation can be used to conduct experiments on plants that do not yet exist or are not yet available, to test different system configurations or to obtain information about internal processes that cannot be observed. To meet volatile requirements and boundary conditions (e. g., due to customers, new standards, laws and directives, sustainability, and resource efficiency) while still ensuring the profitability of production plants, they are increasingly designed in a modular way. ... mehrDue to the changeability of the plant, the already extensive manual processes involved in its modeling and simulation increase even further. These modeling activities are error-prone, cost-intensive and extend over the complete life cycle of the production plant. Consequently, a solution method is needed that enables engineers to use simulation in an uncomplicated, fast and cost-efficient way over the complete life cycle of a modular production plant. The aim of this thesis is to develop a solution concept for the (partially) automatic generation, adaptation and (re-)configuration of simulation models for modular production machines and plants. For this purpose, the prerequisites that must be fulfilled in order to achieve such a (partial) automation are analyzed. Furthermore, it is explained which information is required and which degree of automation can be achieved for model generation and adaptation. A total of nine requirements addressing different lifecycle phases are derived from the formulated need for action. The extensive analysis of the state of the art in science and technology has shown that none of the existing solutions fully satisfies all the requirements developed. The main reason for this is that none of the existing solutions was designed with the aim of covering the complete life cycle of the plant. This deficit resulted in the need for action to develop a new cross-lifecycle solution concept. The overall concept developed in this work is a three-stage concept corresponding to the life cycle phases of commissioning, operation and modification. The respective concept stages build on the previous ones. To validate the presented overall concept with respect to the defined requirements, a proto-typically implemented assistance system was applied to two modular production plants from different domains of mechanical and plant engineering. The validation showed that the assistance system can be applied to both systems over their complete life cycle, thus reducing the manual modeling effort and the strong dependency on the individual knowledge of the modeling experts. The assistance system, which represents an implementation of the solution concept, fulfills all defined requirements. Furthermore, in the context of the chapters on the respective sub-concepts, the research questions posed regarding the prerequisites, the required information and the degree of automation achieved could be answered. The thesis concludes with a critical appraisal in which the open points of the developed concept are explained as a basis for follow-up work.
