CyberSystemConnector – Maschinendokumentation intelligent erstellen und nutzen (CSC)

Problemlage
Bei der Übergabe und Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen ist der Hersteller nach der Maschinenrichtlinie verpflichtet, eine normgerechte Dokumentation beizufügen. Die Anforderungen an die technische Dokumentation nehmen mit der steigenden Komplexität von Maschinen und Anlagen, insbesondere durch die zunehmende Integration einer Vielzahl elektronischer Steuerelemente und dezentral organisierter Rechnereinheiten, stetig zu. Dem daraus resultierenden hohen Zeit- und Kostenaufwand der technischen Dokumentation ist es geschuldet, dass der Stand der Unterlagen nach der Auslieferung und dem Anlauf der Anlagen kaum aktuell gehalten wird. Bei technischen Um- oder Aufrüstungen werden die daraus folgenden Änderungen meist nur als Zusatz der Dokumentation hinzugefügt oder gar nicht eingepflegt. Im Zuge der vierten industriellen Revolution werden Produktionssysteme zunehmend flexibel, so dass Produktwechsel, Produktionsvolumenanpassungen oder Optimierungsmaßnahmen in signifikant kürzeren Zyklen erfolgen. Sowohl die Nutzung, als auch die Erstellung technischer Dokumentation von heute wird dieser neuen Dynamik nicht mehr gerecht. Auf dem Weg zur Smarten Fabrik nehmen jedoch nicht nur Anforderungen an die technische Dokumentation stetig zu, sondern auch die technischen Möglichkeiten zu ihrer effizienten Erstellung und Nutzung. Vor diesem Hintergrund können angepasste Dokumentations- und Instandhaltungsprozesse dazu beitragen, die zunehmende Komplexität und Variabilität der Produktion zu beherrschen.

Verbundprojektziel
Um technische Dokumentation auf die vierte industrielle Revolution vorzubereiten, wurde im Verbundprojekt Cyber System Connector eine neue Systematik zur smarten Erstellung und Nutzung technischer Dokumentation umgesetzt und an industriellen Anwendungsszenarien validiert. Mit der Unterstützung der initialen Dokumentationserstellung (durch die Integration von Engineering und Redaktionsprozess), stets aktueller technischer Dokumentation über den gesamten Produktlebenszyklus (durch Feedbacks des realen Systems) sowie anwendungsorientierte Bereitstellung der Dokumentationsinhalte (auf modernen, digitalen Ausgabemedien) wurden drei Hauptziele für das Forschungsprojekt definiert. Durch die dokumentationsgerechte Strukturierung der Engineering Daten kann der Redaktionsprozess bereits in den frühen Phasen des Engineerings angestoßen werden. Der technische Redakteur wird insbesondere bei der Suche und Strukturierung von Dokumentationsinhalten auf Komponentenebene durch eine weitgehende Automatisierung unterstützt und kann sich mit der anwendungs- und anwenderorientierten Erstellung der Dokumentation seiner Kernaufgabe widmen. Um eine aktuelle technische Dokumentation über den gesamten Produktlebenszyklus zu gewährleisten, müssen Änderungen des realen Systems unmittelbar mit ihrer Umsetzung vollständig erfasst und in der Dokumentation beschrieben werden. Außerdem müssen alle resultierenden dokumentationsrelevanten Aspekte, wie bspw. veränderte Sicherheitsbestimmungen, eingepflegt werden. Durch intelligentes Datenmanagement kann eine zielgenaue Bereitstellung der für eine Anwendung relevanten Daten realisiert werden. Zusätzlich zum Anwendungsbezug kann eine Personalisierung der der Daten implementiert werden, sodass die Dokumentationsinhalte nicht nur auf die Tätigkeit, sondern darüber hinaus auf das Persönlichkeitsprofil des jeweiligen Anwenders zugeschnitten werden.

Vorgehensweise
Ausgehend von einer Analyse bestehender Instandhaltungs- und Dokumentationsstrategien wurden Anforderungen an Prozesse in Cyber-Physischen Systemen spezifiziert. Es wurde ein Prozess- und Datenmodell zur dynamischen, dezentralen Verarbeitung von Dokumentations- und Maschinendaten erarbeitet. Berücksichtigt wurden dabei sowohl die aktuelle Konfiguration als auch die Datenhistorie, welche z. B. vorangegangene Instandhaltungsmaßnahmen, technische Anpassungen, Programmversionen oder eine Fehlerhistorie beinhaltet. Der IoT-Connector Cyber System Connector bildet dabei die Schnittstelle für jede eingebundene Systemkomponente einer Maschine oder Anlage. Für die Implementierung des Connectoren und ihrer Kommunikation  wurden mit dem RaspberryPi, AutomationML und MQTT sowie OPC-UA neue und industriell verbreitete Technologien aus den Bereichen Hardware, Datenaustauschformate und Kommunikationsprotokolle berücksichtigt. Mit ihnen ist es möglich, Anlagen kostengünstig zu cyber-physischen Systemen aufzuwerten. Durch kurzzyklische Iterationen wurden die entwickelten Konzepte für das Datenmanagement, die dezentrale Verarbeitung sowie die bedarfs- und situationsgerechten Informationsbereitstellung durch das virtuelle Abbild in Hard- und Software umgesetzt. Begleitend zu der konzeptionellen und technologischen Entwicklung erfolgte eine fortlaufende Optimierung der (Teil-) Ergebnisse in Form von Technologiedemonstratoren der Anwendungspartner.

Ergebnisverwertung
Der entwickelte Cyber System Connector bietet die Möglichkeit, technische Dokumentation direkt auf der physischen Einzelkomponente zu speichern und auszuliefern. Die Kommunikationsarchitektur sorgt dafür, dass die aktuelle Gesamtanlagenstruktur aus diesen dezentralen Einzeldokumentationen weitestgehend automatisch interpretiert wird und darauf aufbauend stets ein aktuelles, virtuelles Abbild der Gesamtanlage erzeugt werden kann. Das IoT-Prototokoll MQTT, kombiniert mit einem dynamischen Master-Slave Konzept, ermöglicht den Aufbau von cyber-physischen Systemen deren Semantik und Selbstbeschreibung über das standardisierte Datenformat AutomationML ermöglicht wird. Die Umsetzbarkeit, sowie der potenzielle Nutzen dieser Architektur im industriellen Umfeld konnte anhand der Anwendungsfälle belegt werden. In Verbindung mit intelligenter Bereitstellung der Dokumentationsinhalte kann technische Dokumentation somit von einem „notwendigen Übel“ der Branche des Maschinen- und Anlagenbaus, zu einer Informationsmanagementplattform, welche für die Entwicklung diverser Dienste entlang der gesamten Supply Chain genutzt werden kann, aufgewertet werden. Zukünftig können dieses oder ähnliche Systeme die standardisierte Zusammenarbeit von Zulieferern, Systemintegratoren und Betreibern ermöglichen. Durch die schrittweise Einführung der Technologie bei den Projektpartnern werden die Ergebnisse direkt in die industrielle Anwendung überführt.

• Carl Cloos Schweißtechnik Gesellschaft mit beschränkter Haftung
• COGNITAS Gesellschaft für Technik-Dokumentation mbH
• IBG-Automation GmbH
• KHS GmbH
• PDTec AG
• Ruhr-Universität Bochum
• Technische Universität Dortmund