Für eine einfachere Entwicklung von intelligenter Fertigungstechnologie wollte Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute Company Limited (ASTRI) seinen Kunden eine agilere Lösung bereitstellen.

ASTRI führte eine anforderungsgesteuerte Analyse und einen modellbasierten Entwurf mit der Engineering Systems Design Rhapsody-Software ein, was kürzere Integrationszeiten und geringere Kosten zur Folge hatte.

Wir befinden uns inmitten einer industriellen Revolution. Die vierte industrielle Revolution, oder Industrie 4.0, ist der nächste Schritt in der Fertigung. Es handelt sich dabei um die digitale Transformation der traditionellen Fertigung, bei der Fertigungsanlagen mit Automatisierung, intelligenter Technologie und dem Internet der Dinge (IoT) ausgestattet werden. Das Ergebnis sind intelligente Maschinen, die zusammenarbeiten, Probleme selbst diagnostizieren und sich selbst reparieren können.

ASTRI wurde im Jahr 2000 gegründet, um die Wettbewerbsfähigkeit Hongkongs in technologiebasierten Branchen mithilfe angewandter Forschung zu fördern. Die Abteilung Cyber-Physical Systems bei ASTRI widmet sich dem Einsatz von MBSE für die Entwicklung, Synthese und Prüfung von geschäftskritischen Systemen für intelligente Fabriken im Zeitalter der Industrie 4.0. Die Abteilung entwickelt Lösungen, die ihren Kunden aus der Fertigungsindustrie helfen, den gesamten technischen Lebenszyklus zu optimieren, um die Markteinführungszeit zu verkürzen, die Entwicklungskosten zu senken und die Qualitätsstandards zu verbessern.

„Ich denke, Digitalisierung ist das Schlüsselwort für die Umsetzung von Industrie 4.0“, sagt Dr. T. John Koo, Director of Cyber-Physical Systems bei ASTRI. „Die digitale Welt hat viele großartige Entwicklungen im Bereich der Informationstechnologie hervorgebracht, aber Digitalisierung in der Fertigung bedeutet, dass es an der Zeit ist, die physische Welt mit der digitalen Welt zu verbinden.“

Der Einsatz digitaler Technologie in Produktionsanlagen hat zwar viele Vorteile, bringt aber auch neue Herausforderungen mit sich. Die Hersteller können es sich nicht leisten, ein ganzes Montageband stillzulegen, um einen Fehler in der Software der Anlage zu lösen oder einen Netzausfall zu beheben. ASTRI wollte einen Weg finden, um die Entwicklung intelligenter Geräte effektiver voranzutreiben, die seine Kunden aus der Fertigungsindustrie benötigen, um ihre Abläufe zu optimieren, die Qualität zu verbessern, die Produktivität zu steigern und mit den steigenden Kosten in der Fertigung umzugehen.

ASTRI hat eine Lösung für die anforderungsgesteuerte Analyse und das Design gewählt, wodurch eine flexiblere Entwicklung intelligenterer Produktionsanlagen ermöglicht wird. Das Unternehmen erstellt „Zwillingsversionen“ des Geräts, an dem es arbeitet: d. h. eine physische Version und eine digitale Version.

ASTRI erstellt den digitalen Zwilling mit seinem Systemmodell mithilfe der Engineering Systems Design Rhapsody-Software. Die IBM Software ermöglicht MBSE durch die Unterstützung von Systems Modeling Language (SysML) und Unified Modeling Language (UML) für Modellierung, Simulation, Tests und Codegenerierung. Anhand des Systemmodells können die Designingenieure dann Simulationen und Tests mit dem digitalen Zwilling durchführen. Wenn die Ingenieure dabei Designfehler feststellen, können sie diese mit der Engineering Systems Design Rhapsody-Software analysieren und beheben. Sobald der digitale Zwilling einwandfrei funktioniert, wird der Anwendungscode kompiliert und auf den physischen Zwilling geladen.

Durch das Testen des digitalen Zwillings kann ASTRI Designfehler viel früher im Entwicklungszyklus finden. „Mit dem konventionellen Ansatz kann man erst dann testen, wenn die komplette Software und Hardware bereits vorhanden sind“, sagt Koo. „Das bedeutete, dass wir nur das fertige physische System testen konnten, was dazu führte, dass wir Fehler erst viel später im Entwicklungszyklus fanden.“ Außerdem kann das Team dank der modellbasierten Systementwicklung die Kundenanforderungen schon früh im Lebenszyklus ermitteln und überprüfen und bei künftigen Designänderungen flexibler vorgehen.

Der digitale Zwilling erleichtert auch die Zusammenarbeit bei der Projektentwicklung. Entwicklungsteams, die bisher auf textbasierte Dokumentation angewiesen waren, können nun die digitalen Assets aus dem digitalen Zwilling als Grundlage für die Zusammenarbeit nutzen.

Durch den Einsatz des digitalen Zwillings konnten die ASTRI-Ingenieure den Zeitaufwand für die Überprüfung der Softwareleistung am physischen Zwilling erheblich reduzieren. Darüber hinaus ermöglicht MBSE dem Team, Kundenanforderungen früher im Entwicklungszyklus zu ermitteln und zu überprüfen, sodass zukünftige Designänderungen flexibler umgesetzt werden können. ASTRI schätzt, dass der Einsatz von Zwillingen die Integrationszeit um 40 % und die Gesamtkosten der Entwicklung um 30 % reduziert hat.

Mithilfe dieser neuen Methodik hat ASTRI gemeinsam mit einem seiner Kunden ein Robotergerät namens Collaborative Mobile Manipulator (CMM) entwickelt. Der CMM ist so konzipiert, dass er in einer Reinraumumgebung ohne menschliches Eingreifen autonom arbeitet. Der CMM ist mit Tiefensensoren, einer Identifikationseinrichtung und einem Manipulator ausgestattet, wodurch die Navigation in der Umgebung und die Durchführung von Pick-and-Place-Aufgaben möglich sind.

Seit der erfolgreichen Entwicklung läuft der CMM rund um die Uhr und erledigt Arbeiten, für die früher fünf Mitarbeiter pro Arbeitsschicht erforderlich waren. ASTRI und sein Kunde erhielten gemeinsam für den CMM im Jahr 2018 den Preis für Geräte- und Maschinendesign bei den renommierten Hong Kong Awards for Industries (HKAI).

ASTRI geht davon aus, dass die Nachfrage nach intelligenten Industriegeräten wie dem CMM weiter steigen wird. „Die Nachfrage war schon vorher hoch, aber nach COVID-19 ist sie extrem hoch“, sagt Koo. „COVID hat jede erdenkliche Art von Störung verursacht. Und es gibt eine erhöhte Nachfrage nach allen Arten von Produkten, wie z. B. medizinischen Geräten. Es gibt zahlreiche Gründe, warum Fertigungsanlagen 24 Stunden am Tag laufen müssen, sodass die Nachfrage nach Automatisierung und Robotertechnik immer weiter steigen wird.“

Nach der Schulung durch IBM für die Engineering Systems Design Rhapsody-Software sind die Ingenieure von ASTRI nun bestens gerüstet, um ASTRI-Kunden weiterhin dabei zu helfen, die Entwicklungszeit zu verkürzen und gleichzeitig die Qualität und Zuverlässigkeit der von ihnen entwickelten Systeme zu gewährleisten.

ASTRI (Link befindet sich außerhalb von IBM.com) wurde im Jahr 2000 von der Regierung der Sonderverwaltungszone Hongkong gegründet, um die Wettbewerbsfähigkeit Hongkongs in technologiebasierten Branchen durch angewandte Forschung zu verbessern. Die F&E-Aktivitäten von ASTRI konzentrieren sich auf die Bereiche der Smarter Cities, Finanztechnologien, intelligente Fertigung, Gesundheitstechnologien und anwendungsspezifische integrierte Schaltungen. ASTRI hat ein umfassendes Portfolio an geistigem Eigentum aufgebaut und viele talentierte Forscher für verschiedene Branchen und Sektoren hervorgebracht. ASTRI beschäftigt etwa 670 Mitarbeiter in seinen Einrichtungen im Hong Kong Science Park in Shatin.