Model-driven basic engineering of flexible production systems with the RAMI toolbox

Abstract

Der Begriff „Industrie 4.0“ beschreibt den Trend von aufkommenden Technologien im industriellen Bereich sowie neuen Automatisierungsmöglichkeiten, welche herkömm- liche Produktionslinien revolutionieren. Angetrieben durch sogenannte Cyber-Physische Systeme (CPS) bringt diese Transformation jedoch eine stetig steigende Komplexität mit sich. In weiterer Folge führt die steigende Anzahl dynamisch miteinander verbundener Elemente in industriellen Produktionslinien daher zu einer stetigen Umformung von komplizierten Systemen hin zu komplexen Systemen von Systemen (SoS). Aufgrund der damit einhergehenden Herausforderungen stoßen herkömmliche Engineering-Methoden bei der Entwicklung derartiger Systeme an ihre Grenzen. Da unterschiedliche Ansätze jedoch lediglich versuchen, eine Lösung für einzelne Aspekte zu finden oder auf kleinräumige Bereiche dieser Problemstellung abzielen, wird die Notwendigkeit einer ganzheitlichen Methodik immer offensichtlicher. Hier hat sich modellbasiertes Systems Engineering (MBSE) als Schlüsselfaktor erwiesen, um die unterschiedlichen Interessen aller Beteiligten in einer solchen umfangreichen Infrastruktur zu vereinen und der oben genannten Systemkomplexität entgegenzuwirken. Daraus schlussfolgernd lautet die Forschungsfrage dieser Arbeit wie folgt: “Wie können domänenspezifische Besonderheiten und modellbasierte Engineering-Konzepte zu einem umfassenden Modellierungsansatz konsolidiert werden, welcher ein ganzheitliches und interdisziplinäres Engineering aktueller und zukünftiger Fertigungssysteme ermöglicht und dabei alle Interessengruppen berücksichtigt?” Um dies zu erreichen, wird zunächst eine breit angelegte State-of-the-Art-Recherche durchgeführt, welche einerseits vielversprechende domänenspezifische Ansätze analysiert und andererseits aktuelle Methoden des MBSE für deren Anwendung untersucht. Basierend auf den Ergebnissen dieser Forschung werden Entwicklungsartefakte definiert und zu einem vollständigen Framework akkumuliert, welches jede Phase des Systems-Engineering-Lebenszyklus adressiert. Aufgrund der Unvorhersehbarkeit zukünftiger Anwendungen und der hohen Änderungsrate in einer solch agilen Domäne werden die Konzepte der Agile Design Science Research Methodology (ADSRM) für den Einsatz in diesem dynamischen Szenario ausgewählt. Die jeweiligen Ergebnisse werden dabei durch die Anwendung unterschiedlicher Fallbeispiele aus der Praxis und deren Evaluierung bewertet. Dabei widerspiegelt die sogenannte RAMI Toolbox das primäre Resultat dieser wis- senschaftlichen Abhandlung, welches deren jeweiligen Teilergebnisse in einem Tool zusammenfasst und bereitstellt. Basierend auf jenen Ergebnissen dieser Studie könnte das entwickelte Modellierungs-Framework produzierenden Unternehmen neue Möglichkeiten bieten, um Automatisierungspotenziale zu finden, aktuelle Systeminfrastrukturen zu evaluieren oder internationale Kooperationen einzugehen.

Emerging technologies in the industrial area and new automation possibilities pro- moted by so-called cyber-physical systems (CPS) lead to a constantly increasing com- plexity in manufacturing systems nowadays, summarized under the term “Industry 4.0”. As a further consequence, the rising number of dynamically interconnected elements in industrial production lines results in a steady transformation from complicated systems to complex systems of systems (SoS). Due to the upcoming challenges accompanied by this trend, conventional engineering methods reach their limits when engineering this kind of system. However, the need for a holistic methodology becomes apparent with varying approaches only trying to find a solution for single aspects or to target small-scaled areas of this problem statement. As model-based systems engineering (MBSE) has proven to be a key enabler when it comes to combining the different interests of all stakeholders in such critical infrastructure, the used concepts are considered to be a suitable method for approaching the aforementioned system complexity. Thus, the research question of this thesis is: “How can domain-specific particu- larities and model-based engineering concepts be consolidated into a comprehensive modeling approach enabling holistic and interdisciplinary engineering of current and future manufacturing systems by addressing all stakeholder concerns?”. To achieve this, state-of-the-art research, including a summary of practical domain-specific approaches on the one hand and current and contemporary methods used in MBSE on the other hand, is conducted. Based on the results of this research, the development artifacts are defined and accumulated to a complete framework addressing each phase of the systems engineering life-cycle. Due to the unpredictability of future applications and the high rate of change in such an agile domain, the Agile Design Science Research Methodology (ADSRM) concepts are used in this dynamic scenario. The individual results are thereby assessed by an observational evaluation based on different real-world case studies. However, the so-called RAMI Toolbox reflects the primary outcome of this scientific work, which encapsulates the individual results within a single tool. The developed approach leads manufacturers to find new automation potential, evaluate current system infrastructures or enable the possibility of international collaborations.