AutomationML™ verbindet Werkzeuge der Fertigungsplanung
– Hintergründe und Ziele
Alexander Alonso Garcia, Daimler AG
Dr. Rainer Drath, ABB Forschungszentrum Ladenburg
Kurzfassung: Dieser Beitrag stellt Hintergründe und Ziele des neutralen Datenformats AutomationML™ vor, das die
bestehende Kluft zwischen Werkzeugen der Fertigungs- und Automatisierungsplanung schließen soll. Weiterhin
werden die Säulen des Datenformates sowie die Vorgehensweise bei der Entwicklung erläutert. AutomationML™
versteht sich als wegweisender Beitrag zur Förderung der Interoperabilität zwischen digitalen Werkzeugen für alle
Teilschritte des Engineering-Prozesses in der Fertigungsplanung. Diese Aktivität wurde von Daimler initiiert und
wird gemeinsam mit führenden Automatisierungsanbietern vorangetrieben. AutomationML™ wird bereits im Jahr
2007 präsentiert und zukünftig als offener und freier Standard zur Verfügung gestellt.
Motivation
Die Idee der digitalen Fabrik ist seit Jahrzehnten sowohl im universitären als auch industriellen Umfeld bekannt. Eine
durchgängige computergestützte Planung von Fertigungszellen oder -linien, in der der gesamte geometrische Aufbau,
aber auch die Ablauflogistik detailliert geplant, simuliert, geprüft und nahtlos in Betrieb genommen werden können,
ist bis heute technisch jedoch nicht gelöst.
Eine wesentliche Voraussetzung für einen durchgängigen digitalen Engineering-Workflow besteht in einer
performanten Hardware – diese steht heute zu akzeptablen Preisen zur Verfügung. Die softwaretechnische Umsetzung
hingegen hinkt deutlich hinterher. Dies erstaunt, wenn man den Blick aus der Fertigungsindustrie in andere Bereiche
lenkt, in denen bereits heute aufwändige virtuelle 3D-Welten erstellt, simuliert und plattformübergreifend genutzt
werden können. Die in der Fertigungsindustrie benötigten 3D-Konzepte sind mit denen der Computergrafikindustrie
durchaus vergleichbar: Individuelle Objekte müssen geometrisch und kinematisch modelliert sowie ihr Verhalten und
ihre Beziehungen zu anderen Objekten beschrieben werden. Konzepte wie Wiederverwendung, kontinuierliche
Ergänzung der Objekte in ihrem gesamten Lebenszyklus, aber auch die Unterstützung unterschiedlicher
Detaillierungsgrade bei der grafischen Darstellung sind hier längst etabliert. Selbst die plattformunabhängige
Entwicklung von 3D-Computerspielen für unterschiedliche Zielsysteme ist bereits Stand der Technik. Können wir
Fertigungsautomatisierer von Entwicklungskonzepten der Grafikindustrie lernen?
Ein Hauptgrund für die technologische Verzögerung der Fertigungstechnik sind die hohen Anforderungen an
Stabilität, Anlagen- und Produktlaufzeit, Sicherheit und Qualität. Zudem hat sich die Fertigungsplanung im Laufe der
Zeit in eine Reihe einzelner, spezialisierter Phasen mit modernen und leistungsfähigen, aber separaten Werkzeugen
untergliedert. Die Phasen sind hierbei hauptsächlich sequentiell angeordnet, wie in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1: Übersicht der Engineering-Prozesskette im Karosseriebau
Wie die Abbildung zeigt, unterliegen die Daten im Laufe des Engineerings einer kontinuierlichen und iterativen
Anreicherung und Veränderung. Ein Hauptproblem dabei besteht darin, dass der durchgängige Datenaustausch
zwischen den Werkzeugen heute nicht ausreichend möglich ist. So lässt sich die heutige Engineering-Prozesskette
typischerweise nur gezielt innerhalb der Systemlandschaft eines Herstellers und oft nur für Teile der Prozesskette
schließen.
Weitere Probleme bei der Einführung eines durchgängigen, digitalen Engineering-Workflows bestehen sowohl für
Betreiber als auch für Lieferanten fertigungstechnischer Anlagen unter anderem in der hochpreisigen
Lizenzierungspolitik der Hersteller digitaler Planungswerkzeuge. Üblicherweise ist hier von fünfstelligen Kosten pro
Arbeitsplatz und Jahr für die Software auszugehen. Weiterhin besteht die Notwendigkeit zur Anschaffung
leistungsfähiger und teurer Hardware, um akzeptable Systemperformance zu erreichen. Diese Vorgaben an die
Computerarchitektur und die damit verbundenen Kosten verhindern den Einsatz solcher Werkzeuge in der Produktion,
z.B. als Kombination aus Visualisierungssystem und für den Anlagenbediener einfach zu bedienender
Roboterprogrammierunterstützung. Abhilfe schaffen hier Werkzeuge anderer Hersteller, die sowohl auf die Bediener
– in der Regel keine hochspezialisierten Ingenieure – als auch auf die Aufgabe, z.B. Parametrierung von
Lackierprozessen, perfekt zugeschnitten sind. Die Integration dieser Werkzeuge in der genannten Tool-Kette ist
häufig nicht oder nur teilweise möglich.
Ein weiterer Nachteil liegt in der häufig ungenügenden Möglichkeit der funktionalen Erweiterung der Werkzeuge
durch den Anwender. Die entsprechenden Entwicklungslizenzen sind hochpreisig, und die damit entwickelten
Softwarekomponenten sind nur mit Einschränkungen zu vertreiben.
Die Vielzahl der auf dem Markt befindlichen digitalen Planungswerkzeuge und die damit verbundenen Kosten
zwingen Anlagenbetreiber, sich auf eine Werkzeugkette zu konzentrieren, während die Anbieter aufgrund der
Kundenvielzahl unterschiedliche Werkzeugketten vorhalten müssen. Die damit verbundenen Mehrkosten spiegeln
sich in den Preisen der Lieferanten wieder, die von den Betreibern getragen und an den Endkunden weitergegeben
werden müssen.
Abbildung 2: Analyse Investitionskostenstruktur Steuerungstechnik und Robotik-vereinfacht-Beispiel Rohbau (Quelle:
AIDA 2005)
Betrachtet man in Abbildung 2 die Investitionskostenstruktur der Steuerungstechnik eines typischen Fahrzeugrohbaus,
so fällt auf, dass nahezu die Hälfte der Investitionskosten durch die Engineering-Kette verursacht wird.
Sowohl Betreiber als auch Lieferanten sind daher an einem wirtschaftlichen und durchgängigen Datenaustausch
zwischen digitalen Planungswerkzeugen interessiert: Allerdings existieren keine offenen, standardisierten und
akzeptierten Austausch- oder Zwischenformate mit Blick auf die gesamte Prozesskette.
Anwendungsfälle
Der Datenaustausch zwischen Werkzeugen der digitalen Fabrik bietet eine Vielzahl von Anwendungsfällen. Die
folgende Abbildung 3 stellt einen schematischen Ausschnitt des Engineering-Workflows dar und benennt typische
verwendete Werkzeuge in den einzelnen Phasen.
Abbildung 3: Typische Engineering-Kette und zugehörige Werkzeugtypen
Tabelle 1 stellt ein Auswahl typischer Werkzeugkategorien, sowie zugehörige, verfügbare Werkzeuge dar.
Werkzeugkategorie
Computer Aided
Design
(„CAD“)
Materialflusssimulation
Simulation
Robotersimulation
Werkzeug
Hersteller
CATIA v4, v5
Dassault Systèmes
Autocad
Autodesk
NX
UGS
MicroStation
Bentley
Simple++/eM-Plant
UGS
Automatic Line Builder
Dassault Systèmes
Cosimir
EFR GmbH, RIF e.V.
Catia v5 Robotics
Dassault Systèmes
Robcad
UGS
Elektrische Simulation
PSPICE
OrCAD
Textverarbeitung
MS Word
Microsoft
Tabellenkalkulation
MS Excel
Microsoft
Präsentation
MS Powerpoint
Microsoft
Access
Microsoft
Oracle
Oracle
Projektmanagement
Produkt Daten
Management
(„PDM“)
MS Project
Microsoft
UGS TeamCenter
UGS
Dassault Smartteam
Dassault Systèmes
Product Life Cycle
e-MPlaner
UGS
Büro
Datenbank
Werkzeugkategorie
Werkzeug
Hersteller
Management
(„PLM“)
Delmia E5 DPE
Dassault Systèmes
SAP R3
SAP
Oracle Peoplesoft
Oracle
Mock-up
emEngineer
UGS
Plant Visualization
JViz
netAllied
Visualisierung
Steuerungsprogrammierung
RSView Enterprise and
Rockwell
Human Machine Interface Machine Editions
(„HMI“)
WinCC / WinCC Flexible
Siemens
Programmable Logic
Control, inkl. Safety
(„PLC“)
Robot Control
Computer Aided
Engineering
(„CAD“)
Prozesskonfiguration
Facility Management
Dokumentation
Life Cycle
Engineering
(„LCE“)
RSLogix 5000
Rockwell
STEP 7
Siemens
Robotstudio
ABB
KUKA SIM
KUKA
Ruplan
AUCOTEC AG
EPLAN
EPLAN
Eco3DOnsite
Dürr
Robotstudio
ABB
Robscan Design/Control
Trumph
Microstation
Bentley
Acrobat
Adobe
Illustrator
Adobe
Wiki
Excel
Microsoft
AutomationDesigner
Siemens
Comos
Innotec
Tabelle 1: Übersicht über Werkzeugkategorien
Die Vielzahl der eingesetzten Werkzeuge verdeutlicht den Nutzen eines standardisierten Datenaustauschformates. Aus
der Vielzahl denkbarer Szenarien ist insbesondere bidirektionaler Datenaustausch als besonders typischer
Anwendungsfall zu nennen, beispielsweise von:
•
3D-Modellen zwischen CAD-Werkzeugen und mechanischen Simulationswerkzeugen in unterschiedlichen
Detailstufen,
•
kompletten virtuellen Fertigungszellen zwischen verschiedenen, mechanischen Simulationswerkzeugen,
•
Ablaufbeschreibungen zwischen Mechatronik und Steuerungstechnik,
•
Fertigungsdaten zwischen Layout- und Elektroplanungswerkzeugen.
Vorgehensweise
Ein herstellerneutrales Datenformat für den durchgehenden Austausch von Engineering-Daten zu entwickeln – mit
dieser Vorgabe initiierte Daimler im Jahr 2006 ein Konsortium bestehend aus dem ABB Forschungszentrum
Ladenburg, der KUKA Robot Group, der Rockwell Automation, der Siemens Automation and Drives (A&D), den
Unternehmen netAllied und Zühlke, sowie den Universitäten Karlsruhe und Magdeburg. Die dabei zu entwickelnde
Automation Markup Language (AutomationML™) soll noch 2007 als kostenfreier, offener Standard zur Verfügung
stehen. Von der Planung bis zur Inbetriebnahme und dem fortlaufenden Betrieb fertigungstechnischer Anlagen wird
damit eine einheitliche Lösung zum Datenaustausch angestrebt.
Das Datenformat AutomationML™ ist neutral und bietet künftig viele Möglichkeiten, um Durchgängigkeit bei
Programmierung, Bedienung und Datenaustausch der digitalen Werkzeuge zu erreichen.
„Mit AutomationML™ können wir unsere Zeit effizient für die Planung von neuen Anlagenkonzepten einsetzen, ohne
jedes Mal erheblichen Aufwand in die Austauschbarkeit von Daten investieren zu müssen. Das spart nicht nur Geld,
sondern wird bei konsequenter Umsetzung die Entwicklungsarbeit für alle Nutzer dauerhaft und wesentlich
vereinfachen.“ [Anton Hirzle, Daimler, Leiter Automatisierungstechnologie und Simulation]
Eine Besonderheit dieser Aktivität besteht darin, dass Betreiber und Anlagenlieferanten gemeinsam mit dem Ziel an
einem Tisch sitzen, alle wesentlichen technischen Herausforderungen und Interessen zu adressieren.
Die Herausforderungen beim Entwickeln eines Datenformates zum Zwecke einer Standardisierung sind vielfältig:
•
Die durch das Format beschriebenen Inhalte müssen festgelegt und abgestimmt werden, damit es möglichst
vollständig komplette fertigungstechnische Komponenten vom Spanner bis zur kompletten Rohbauzelle
abbilden kann.
•
AutomationML™ soll von der ersten Version an produktiv eingesetzt werden können, um die gewünschte
Marktdurchdringung zu erreichen. Dies erfordert eine strikte Priorisierung von zu unterstützenden
Anwendungsfällen.
•
Es muss entschieden werden, ob das Datenformat von Grund auf neu entwickelt wird, mit den Vorteilen
eines passgenauen und domänenspezifischen Zuschnitts, oder ob das Datenformat durch Wiederverwendung
und Kombination bereits vorhandener, standardisierter Datenformate entwickelt wird, die ihren Nutzen, ihre
Reife und ihre Verwendbarkeit bereits nachgewiesen haben und am Markt verbreitet sind.
•
Es muss entschieden werden, ob und wie native Daten, z.B. SPS-Code, in das Format eingebettet werden
sollen und bis zu welchem Detaillierungsgrad die Daten herstellerunabhängig speicherbar sind.
AutomationML™ folgt dem Ansatz, existierende Standards zu kombinieren. Die Auswahl der zu verwendenden
Datenformate ist dabei kritisch, denn viele Standards sind mit kommerziell hinderlichen Randbedingungen versehen.
Um die gewünschte Standardisierung und angestrebte, breite Marktakzeptanz zu erreichen, achtet die
AutomationML™ vor Allem auf folgende Anforderungen:
•
die Lizenzierung ist kostenfrei,
•
das Format befindet sich nicht im Besitz eines einzelnen Unternehmens,
•
das Format deckt möglichst viele Teilbereiche der Prozesskette in der Anlagenplanung ab,
•
das Format ist nicht zu sehr spezialisiert,
•
das Format besitzt bereits eine hohe Marktverbreitung.
Die Säulen der AutomationML™
AutomationML™ soll Planungsdaten moderner Softwarewerkzeuge neutral speichern können. Aktuelle Werkzeuge
folgen hierbei der konsequenten Einführung objektorientierter Konzepte. Objektorientierung ist eine wesentliche
Methodik zur Beherrschung von Komplexität und ist in der Softwareentwicklung aus diesem Grunde seit langem
erfolgreich etabliert. AutomationML™ basiert deshalb ebenfalls auf dem Objektgedanken, in dem reale Komponenten
der Fertigungstechnik durch Objekte beschrieben werden, die unterschiedliche Aspekte der Komponente kapseln. Ein
Objekt kann aus mehreren Unterobjekten bestehen und selbst Teil eines größeren Objektes sein. Beispielsweise sind
eine Schraube, ein Greifer, ein Roboter oder eine gesamte Fertigungszelle als einzelne Objekte zu verstehen. Jedes
Objekt kann hierbei in unterschiedlichen Detaillierungsgraden abgebildet werden.
Typische in AutomationML™ abzubildende, fertigungstechnische Planungsdaten umfassen Informationen über die
Anlagentopologie, Geometrie, Kinematik sowie dem Ablaufverhalten.
•
Topologie: Die Anlagentopologie beschreibt die Eigenschaften und Relationen der Anlagenobjekte in ihrer
hierarchischen Struktur.
•
Geometrie: Die Geometrie ist als grafische Eigenschaft eines Objektes zu verstehen. Jedes Objekt kann durch
mehrere Geometrien beschrieben werden, welche unterschiedliche Zustände oder Detaillierungsgrade eines
Objektes darstellen können.
•
Kinematik: Die Kinematik beschreibt geometrische Verbindungen zwischen Objekten und dient der
Bewegungsplanung.
•
Ablaufbeschreibung: Das Ablaufverhalten beschreibt den zeitbasierten oder ereignisbasierten Ablauf
sequentieller oder paralleler Prozesse in der Fertigungstechnik. Diese wird zur Simulation der Anlage erstellt
und kann später als Grundlage des Steuerungsentwurfs weiterverwendet werden.
Für die Entwicklung von AutomationML™ werden unterschiedliche Standards zur Beschreibung der genannten Daten
hinsichtlich ihrer Eignung für AutomationML™ geprüft. Dadurch soll der vorhandene Reifegrad der bestehenden
Standards in AutomationML™ einfließen und der Entwicklungsaufwand somit reduziert werden.
AutomationML™ basiert auf XML und wird als offener und kostenloser Standard zur Verfügung stehen.
Zusammenfassung und Ausblick
AutomationML™ wird von Herstellern und Nutzern der Automatisierungstechnik in enger Zusammenarbeit
entwickelt. Dies stellt sicher, dass heutige und künftige Anforderungen an moderne Planungsmethoden in den
Bereichen Geometrie, Kinematik und Ablauflogik erfüllt sind. Im Rahmen der Messe für elektrische Automatisierungstechnik SPS/IPC/Drives im November 2007 in Nürnberg wird das neue Datenformat präsentiert und in Zukunft
als kostenfreier Standard allgemein zur Verfügung stehen.
Kontakt und weitere Infos
http://www.automationml.org