Von der modelbasierten Entwicklung zum Digitalen Zwillingbutler.aifb.kit.edu/web/industrie40/wp-content/uploads/sites/5/2016/05/... · Confidential Seite 5 Vollständige Digitalisierung

Confidential

Von der modelbasierten Entwicklung zum Digitalen Zwilling

Dr. Markus Pfeil

3.6.2016

Bildquellen:Wikipedia, NASA, TWT

Confidential Seite 3

Gestatten: TWT Auf einen Blick 9Jahre Technisch-Wissenschaftlicher Transfer

9Mitarbeiter

9Forschungsprojekte

9Perspektiven

Geschäftsführung Dr. Dimitris Vartziotis Joachim Laicher Frank Beutenmüller Dr. Victor Fäßler

30

300

16

3


TWT.Einblick Forschungs- und Kompetenznetzwerk


Vollständige Digitalisierung der Produktionsprozesse über den gesamten Produktlebenszyklus

Horizontale Vernetzung aller am Produktionsprozess beteiligten Stakeholder

(Standardisierte) vertikale Integration sämtlicher am Produktionsprozess beteiligten Maschinen und Technologien

Industrie 4.0 Definition


Digitaler Zwilling – das „C“ in CPS Was ist das?


Produkt-nutzung

Theorie Wann findet der digitale Zwilling Anwendung?

Produktions-management

Systems Engineering

Strategie & Innovations

Management


Anwenderforum

Digitaler Zwilling - Vorstufe Modelbasierte Entwicklung

Modellbasierte Entwicklung

Anforderungs-management

Systemlastenheft

Test/ Simulation

Infrastruktur Co-Simulation

Infrastruktur F-DMU

Integration in Prozess und Organisation

Anwenderkreise


Phasen in der Modelbasierten Entwicklung

Requirements Management

System modellierung

Test-automatisierung

(Co-)Simulation

UML

SysML

OSLC

High-Level Architecture (HLA)

Functional Mock-up Interface (FMI)

IBM Rational Doors

Modelio

Enterprise Architect

Dymola / Modelica

Matlab / Simulink

Ansys

Adams

Simpack

RT Tester

Lifecycle management

Teamcenter

Catia


Konzept Agile Modelbasierte Entwicklung

Priorität: Kundenzufriedenheit & regelmäßige Auslieferung nachweisbarer Kompetenz

Geordnete Modifikationen der Anforderungen sind willkommen.

Tatsächliche oder modellierte Funktionen ausgeliefert auf einer Zeitskala von Wochen.

Geschäftsbereiche und das Projektteam arbeiten täglich zusammen.

Es werden stets die effizientesten Kommunikationsmethoden verwendet.

Nachweisbare Kompetenz ist die primäre Erfolgswährung.

Abschätzen

Festlegen Entwickeln

Bewerten


Requirements Engineering Durchgängigkeit, Nachvollziehbarkeit und Vollständigkeit

Production Tests

Service Diagnostic

Changes

Update der Spezifikationsdokumente

Requirements Representation

Requirements Elicitation

Requirements Validation

Requirements Analysis

Change Management

Funktionale Dekomposition

Corresponding Tests


Anforderungen in der Organisation Durchgängigkeitsmodell

Vertikale Durchgängigkeit (Detaillierung)

Orthogonale Durchgängigkeit (Organisatorische Durchdringung)

Horizontale Durchgängigkeit (Konkretisierung)


Fahrzeug-Anforderungen

150% generische Anforderungs-

struktur

150% Grenz- Lastfall- struktur

System-Spezifikation

Komponenten- Spezifikation

System-Tests

Komponenten- Tests

Akzeptanz Kriterien

Semantische Definition der

Marktanforderungen

Semantische Relationen der

Anforderungen/Tests

Semantic Requirements Framework

Ma

rkt

Pro

du

kt

Det

ail

Fahrzeug- Spezifikation

Price

Image Field Feedback

Volume

Life-Cycle

Regional Specifica

Competition

Experience

Success

Dependencies

Systems Components

Functional Requirements Concepts

Supplier

Potential

Grenz- Lastfall

Konzept Semantische Anforderung


Open Standard

System modellierung Anforderungsmanagement

Test automatisierung

CoSimulation Automatisierte Optimierung

Continuous time model

Continuous time model

Discrete event model

Tracing von Anforderungen

zu Modellen

Modelbasierte Entwicklung Prozess Support


FMI

Modelio RT Tester

INTO-CPS CoSimulation

.fmu Overture / VDM

Design Space Exploration

Traceability


FMI/FMU Kollaborativer Einsatz von Modellen

Modellbereitstellung Modularisierte Komponenten

FMU-Nutzung FMU-Erstellung

FMU-Importer für Simulink


Digitaler Zwilling - Vorstufe Functional Mock-Up

Heterogeneous Protected Exported

Monolithic Homogeneous, one tool Homogeneous, multi-tool

Page 17 Daimler EDM CAE Forum 2013


Parallelization

Re-use of Models

Performance

…

Modularization

Complexity

…

Continuous Model Responsibility

Interdisciplinary

Quality

…

Interlinking

Digitaler Zwilling - Anforderungen Simulations Anforderungen

Page 18 Daimler EDM CAE Forum 2013


Functional Mock-Up Architecture

FMI Wrapper

Exportierte FMU

FMI Wrapper

Co-simulation Framework

FMI Wrapper

TWT FMTC


IP-Schutz Vertrauen & Sicherheit

Schutz des Modells Schutz vor Reengineering oder Missbrauch

Schutz vor Modell Unerwartete Informationssammlung

Schutz zwischen Modellen

Integrität Modell

TWT FMTC

Parameter Datalogging

Host-Ressources

Prozess

Datalogging

Simulationsarchitektur

Manipulation


Anwendungsbeispiel: Digitaler Zwilling Virtuelle Inbetriebnahme von Produktionsanlagen


Avanti Kurzvorstellung


Die AVANTI Pneumatikstation


Die AVANTI Pneumatikstation


Das Zylindermodell

pi = f (y)


Die Dynamik des Zylinders

Komplexes dynamisches Verhalten Simple kinematische Beschreibung ungenügend


Was soll das alles?

Korrekte physikalische Beschreibung

weniger Abnutzung von Komponenten

Reduzierung von Materialschäden

Verbesserte zeitliche Abstimmung der Anlage

Erweiterte Testmöglichkeiten


Digitaler Zwilling Das virtuelle Anlagenmodell

Semantik

Logik Geometrie

Topologie Kinematik

Dynamik


Digitaler Zwilling: AVANTI Standards

AutomationML

XML-basiertes Container-Format

Logik, Geometrie, Topologie, Kinematik

FMI Standard

Schnittstelle zur Simulationskopplung

Physikalische Verhaltensbeschreibung


Virtuelle Inbetriebnahme in AVANTI

Steuerung reale HW

VIBN Software Logik, Geometrie

Anzeige

Virtuelles Anlagenmodell

Co-Simulation mit FMUs

Physik


Feldbus

Anlagenmodell

Komponenten- modell B

Komponenten- modell C

Anforderungen

Komponenten- modell A


Feldbus

Anlagenmodell




„Zylinder A muss

innerhalb 2s bis

Endlage ausfahren“


Feldbus

Anlagenmodell




„Zylinder A muss innerhalb 2s bis


1. [Zylinder in Endlage L] 2. Zylinder ansteuern 3. [Endlage L erlischt] 4. …. 5. [Zylinder in Endlage H]


Feldbus

Anlagenmodell








Feldbus

Anlagenmodell








Avanti : Testen in der VIBN Automatisierung

Klassisches Testen Anforderung manuelle Testerstellung manuelle Testdurchführung

Avanti: hohe Automatisierung

Automatisierte Testdurchführung Generierte Tests Anforderungsmodelle Formale Anforderungen


Avanti : Testen in der VIBN Aspekte

Integriert Neutral Modular

Automatisiert Durchgehend Formal

Modellbasiert Kombinatorisch Adaptiv


Feldbus

Anlagenmodell



Anforderungen



Feldbus

Anlagenmodell



SPS Anforderungen


HMI


Feldbus

Anlagenmodell

Test Adapter



SPS

Testtool

Anforderungen formale

Anforderungen


Feldbus

Anlagenmodell

Test Adapter



SPS

Testtool


Anforderungen

Formalisierung

Import

Kontrolle

• Modellbildung • Testableitung • Testausführung


Feldbus

Anlagenmodell

Test Adapter



SPS

Testtool


Anforderungen

Formalisierung

Import

Kontrolle

• Modellbildung • Testableitung • Testausführung


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Schalter

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Datum: 02.06.2014

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S

Anlage/SPS: Pneuma_1 SPS1

CRC Summe: B2010E2E

Implementierer/Prüfer: Max Muster Max Beispiel

SPS

Eingang 1 Eingang 2 Sicherheitselement Kommentar

DB2532.DBX60.3 001BR_010-FN1_EBF_GES VI Bedienrechner EBF-Bereich

gesichert 10 0 X X X X X

DB2532.DBX60.4 001BR_010-FN1_ANL_GES VI Bedienrechner Anlage gesichert 10 0 X X X X X X

E20.0 001BR_010-FN2 Not-Halt Bedienrechner 10 10 X X X

E5.6 E5.7 001BR_010-FN3 Not-Halt Schutztür 10 10 X X X

Fehler-Matrix


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CRC Summe: B2010E2E

Implementierer/Prüfer: Max Muster Max Beispiel

SPS

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DB2532.DBX60.3 001BR_010-FN1_EBF_GES VI Bedienrechner EBF-Bereich

gesichert 10 0 X X X X X

DB2532.DBX60.4 001BR_010-FN1_ANL_GES VI Bedienrechner Anlage gesichert 10 0 X X X X X X

E20.0 001BR_010-FN2 Not-Halt Bedienrechner 10 10 X X X

E5.6 E5.7 001BR_010-FN3 Not-Halt Schutztür 10 10 X X X

Fehler-Matrix


Anforderung = Signalsequenz


Anforderung = Signalsequenz = Test


Anforderungen


Anforderungen Modell


Anforderungen Modell Test

[init]

Z1_ausfahren [Z1_ausgefahren]

Z1_zurückfahren [init]

Z1_ausfahren [Z1_ausgefahren]

Z2_ausfahren [Z2_ausgefahren] …


Fazit Testautomatisierung

Durchgehende Toolchain

Effektivität

Effizienz

Formalisierung der Anforderung

Steigerung der Testabdeckung

Beschleunigung der Testausführung

Höhere Sicherheit zu niedrigeren Kosten


Analyse Simulation

Folgeanwendung: Zertifizierung Simulationsbasierte ESP Homologation

Modellierung Zertifizierung

Target-Performance Check

Analyse der Längs- und Quer-Beschleunigung

Auswertung Bremssystem-Regler Interaktion

Simulative Auswertung der Lastfälle

Stationäre Kreisfahrt und Spurwechsel

Analyse von Stabilitätsprogramm und Kipp-Schutz

MKS Fahrzeugmodelle

Co-Simulation des ESP Reglers via SiL

Motor Parameter und Hydraulik-Drücke parametrisiert

Automatische Dokumentation

Nachweis der erfolgreichen Homologation

Akkreditierung des Simulationsprozesses durch das Kraftfahrtbundesamt.

Horak et al., TWT & Daimler, 21st Aachen Colloquium 2012 Zertifiziert vom Kraftfahrtbundesamt


Folgeanwendung: Produktionsnahe Services Datenplattform

Produktions- steuerung

Maschinenpark

Industrial Data Service Plattform

Physische IT-Infrastruktur

IaaS

Betriebs-system

Dienstleister

Data Scientist

Smart Service

Plattform


Echtzeit Anwendung Digitaler Zwilling Aerokonforme Eisdetektion


Vollständige digitale Abbildung der Produktionsprozesse und Produktprozesse über den gesamten Produktlebenszyklus

Automatisierte Horizontale Vernetzung aller Stakeholder durch modellbasierte Datenanalyse

(Standardisierte) vertikale Integration sämtlicher am Produktionsprozess beteiligten Maschinen und Technologien durch reale und simulierte Daten

Digitaler Zwilling und sein Nutzen im I4.0 Kontext


Lernen Sie TWT kennen

• Website: www.twt-gmbh.de

• Auf der IKOM 2016

• Über Praktika, z.B. im MKS-Bereich

• Im Team als Werkstudent

• Über Studienarbeiten

• In einer Festanstellung

Documents

Von der modelbasierten Entwicklung zum Digitalen Zwillingbutler.aifb.kit.edu/web/industrie40/wp-content/uploads/sites/5/2016/05/... · Confidential Seite 5 Vollständige Digitalisierung