Industrie 4.0 Industrielle Kontrolleinheit richtig umsetzen

Industrie 4.0 - Konzeptumsetzung in einer industriellen Kontrolleinheit
Industrie 4.0 - Konzeptumsetzung in einer industriellen Kontrolleinheit

Im Industrie-4.0-Zeitalter werden beim Erlanger Entwicklungs- und Fertigungsspezialisten Heitec zahlreiche Tools in eng verzahnten und detaillierten Prozessen eingesetzt, die lückenlose Operabilität, problemlose Umsetzung und kostenoptimierte Fertigbarkeit des Komplettsystems von Anfang an im Blick haben.

In den folgenden Ausführungen werden die verschiedenen Phasen einzeln erläutert - von der Bedarfsanalyse für Mechanik, Elektronik und Umwelt, die verschiedenen Pflichtenhefte sowie parallele Engineering-Prozesse über die Fertigung bis hin zur erfolgreichen Systemintegration auf Level 5 im Kundenauftrag (Bild 1). All dies wird mit Hilfe modernster CAD- und Projektmanagement-Tools koordiniert sowie durchgängig von einem Heitec-Projektmanager betreut, der den kompletten Ablauf mit einem Team von Spezialisten verantwortet.

Fünf Ebenen bilden den -Integrationsprozess ab

Der Workflow eines Level-5-System-Designs (Bild 2) deckt den Entwicklungszyklus eines kompletten Systems ab - vom Systemkonzept und der Produktidee über seine verschiedenen Bestandteile wie Elektronik, Software und Mechanik und deren Funktionsüberprüfung in den verschiedenen Phasen bis hin zum Erreichen der benötigten Zertifizierungen. Dafür wird bei der Firma Heitec von Beginn an ein Projektteam gebildet - bestehend aus dem Kunden, Projektmanagement, Entwicklung, Gehäusekonstruktion, Fertigung sowie Mess- und Prüftechnik -, das in enger Verzahnung kooperiert. Dem „Requirement Engineering“, das die transparente Nachvollziehbarkeit jeder einzelnen Projektphase sicherstellt, kommt dabei eine entscheidende Rolle zu.

Requirement Engineering ist angesagt

Zunächst werden in einer Bedarfsanalyse in enger Zusammenarbeit mit dem Kunden und im Hinblick auf dessen Ziel-applikation alle Anforderungen des Gesamtsystems bezüglich Funktion, Leistung sowie der elektrischen, mechanischen und fallweise auch thermischen Vorgaben erfasst. Welchen Funktionsumfang muss das System erfüllen? Wichtige Aspekte sind hier Echtzeitfähigkeit, Datendurchsatz, Ausfallsicherheit und thermische Eigenschaften, um nur einige Beispiele zu nennen.

In einem zweiten Schritt werden die verschiedenen Anforderungen in die Strukturkonzeption aufgenommen und entsprechend dem jeweiligen Funktionsumfang (Hardware/Software, Baugruppen, FPGA, ASIC etc.) aufgeteilt. Ein erfahrener Systemarchitekt übernimmt hier die Federführung. Dabei können unterschiedliche Lösungsansätze entstehen, die in einer Entscheidungsmatrix zusammengeführt werden. Die Auswahl der relevanten Komponenten wird dann analog dazu vorgenommen, zum Beispiel CPU, SoC, I/O-Schnittstelle oder Speichermodule.

Einfluss auf die Hardware-Design-Spezifikation haben unter anderem die Komponentenselektion, Power Envelope, detaillierte Modulbeschreibungen, Schnittstellen von Hard-/Firm-ware oder die Testumgebung. Die Einzel-module müssen sich zu einem stimmigen Ganzen fügen, und die Anbindung untereinander muss sichergestellt sein. Des Weiteren sind Fertigungsaspekte von Anfang an in Betracht zu ziehen, und die Lösung muss schließlich nicht nur technologisch effektiv, sondern auch kommerziell sinnvoll sein. Dabei bespricht der Systemarchitekt aufgrund seiner Applikationsexpertise und seinem Fertigungs-Know-how mit dem Kunden im Vorfeld auch die kommerziellen Auswirkungen der möglichen Designvarianten. Außerdem sorgt er dafür, dass im Sinne von „Design for Manufacturing“ die effektivste und kostengünstigste Lösung für die spezielle Kundenapplikation ausgewählt wird.

Die Daten zur Anforderungs-, Funktions-, Design- und Testspezifikation werden in ein Work Chart zusammengeführt, auf das alle Beteiligten Zugriff haben. Dabei wird eine Requirement Matrix erstellt, die das Gesamtteam durch sämtliche Versionskontrollen und Projektphasen begleitet. Mittels MS-Visio lässt sich das Lösungskonzept in allen Teilbereichen in Blockdiagramme herunterbrechen, die sowohl Designern als auch Kunden als Informationsquelle dienen. Sind die Entscheidungen gemäß der Bedarfsanalyse gefallen, können Designabläufe bei erprobten Workflow-Prozessen und breit gefächert vorhandenem Know-how parallel stattfinden.

Der Gesamtprozess besteht im komplexesten Fall aus Systemkonzept, Board- sowie Chip-Design, Soft- und Firmware-Design, Mechanik-Design, Design for Manufacturing, Prototyping, Modultests, Systemtest, Typtests und Zertifizierungen sowie schließlich der Serienfertigung und dem Life-Cycle-Management.