document defining the engineering process reference...

57
inteGration of pRocess and quAlity Control using multi-agEnt technology Document defining the engineering process reference model Deliverable D4.1 Engineering methodology Work Package 4 : Deliverable 4.1 – Document defining the enginnering process reference model_v1.0.pdf File Name : SIEMENS Author(s) Public : Classification 29/03/2011 : Document Preparation Date Final : Document version Deliverable : Document type www.graceproject.org : Website 36 months : Project Duration 01/07/2010 : Project Start Date 246203 : Project Ref. Number Project funded by the European Commission under the “Seventh Framework Programme” (2007-2013) Contract n° NMP2-SL-2010-246203

Upload: vuthuy

Post on 13-Apr-2018

218 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

inteGration of pRocess and quAlity Control using multi-agEnt technology

 

Document defining the engineering process reference model 

 Deliverable D4.1 

 Engineering methodology 

Work Package 4  

:  Deliverable 4.1 – Document defining the enginnering process reference model_v1.0.pdf

File Name 

:  SIEMENS Author(s) 

Public : Classification 

29/03/2011 : Document Preparation Date 

Final : Document version 

Deliverable : Document type 

www.grace‐project.org : Website 

36 months : Project Duration 

01/07/2010 : Project Start Date 

246203 : Project Ref. Number 

Project funded by the European Commission under the “Seventh Framework Programme” (2007-2013)

Contract n° NMP2-SL-2010-246203

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

Rev.  Content  Resp. Partner  Date 0.1  Document structure and preliminary 

description of engineering processes SIEMENS  14/02/2011 

0.2  Preliminary description of mechatronic plant modularization 

SIEMENS  22/02/2011 

0.3  Description of general engineering process reference model 

SIEMENS  24/02/2011 

0.4  Harmonization of contributions  SIEMENS  07/03/2011 0.5  Internal revision SIEMENS  SIEMENS  17/03/2011 0.6  Adding Glossary and internal revision  SIEMENS  19/03/2011 0.8  Revision  SIEMENS  21/03/2011 0.9  Draft of Deliverable available to all partners 

for review ALL  22/03/2011 

1.0  Include review comments and prepare submission 

SIEMENS  29/03/2011 

  

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

Table of contents  

Table of contents........................................................................................................................ 3

Table of figures........................................................................................................................... 5

Glossary ...................................................................................................................................... 6

1. Introduction........................................................................................................................ 9

2. Mechatronic plant design ................................................................................................ 12

2.1. Introduction to mechatronic plant design ........................................................... 12

2.2. Concept of mechatronic plant design .................................................................. 13

3. Engineering Processes for industrial facilities.................................................................. 16

3.1. Engineering process of VDI Guideline 5200......................................................... 16

3.2. AutomationML engineering process.................................................................... 17

3.3. Engineering process of Schnieder ........................................................................ 18

3.4. Engineering process of Kiefer............................................................................... 19

3.5. PABADIS’PROMISE engineering process .............................................................. 19

3.6. MEDEIA engineering process ............................................................................... 20

3.7. AQUIMO engineering process.............................................................................. 21

3.8. Domain engineering ............................................................................................. 21

3.9. Engineering process of VDI Guideline 2206......................................................... 22

3.10. Engineering process of VDI Guideline 3695......................................................... 23

3.11. Engineering process of VDI Guideline 4499......................................................... 25

4. General engineering process reference model................................................................ 26

4.1. Meta‐model for engineering processes ............................................................... 26

4.2. Engineering processes.......................................................................................... 27

4.3. Engineering phases .............................................................................................. 28

4.3.1. Development of mechatronic units ........................................................................ 28

4.3.2. Engineering project................................................................................................. 29

4.4. Generic Engineering activities.............................................................................. 31

4.4.1. Decomposition of the plant / plant components ................................................... 31

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

4.4.2. Composition of Plant components ......................................................................... 32

4.4.3. Refinement of Plant components........................................................................... 33

4.4.4. Variants Development ............................................................................................ 33

4.4.5. Template Development .......................................................................................... 34

4.4.6. Instantiation............................................................................................................ 34

4.4.7. Flexible View Generation........................................................................................ 35

4.4.8. Layer Generation .................................................................................................... 36

4.4.9. Definition of Requirements .................................................................................... 36

4.4.10. Decomposition of Requirements........................................................................ 37

4.4.11. Requirement driven Test and Validation............................................................ 38

4.4.12. Consistency Management .................................................................................. 39

4.4.13. Selection of Plant components Based on Requirements ................................... 40

4.4.14. Simulation / Execution of Behaviour Model....................................................... 40

4.4.15. Plant component Library Management ............................................................. 41

4.4.16. User Guidance within the Engineering Process.................................................. 42

4.4.17. Change Management ......................................................................................... 43

4.4.18. Requirement Fulfillment Tracing........................................................................ 44

4.5. Technical Engineering activities ........................................................................... 44

5. Interrelation model of product quality and engineering process.................................... 47

5.1. Derivation of the interrelation model.................................................................. 47

5.2. Integrated meta‐model for engineering, product properties and product quality.

  .............................................................................................................................. 52

References................................................................................................................................ 54

Appendix A – GRACE engineering process reference model ................................................... 57

   

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

Table of figures  

Figure 1: Relations between Engineering process and engineering artefacts........................... 8

Figure 2: Intention and goals of GRACE WP 4............................................................................ 9

Figure 3: Discipline specific modularization............................................................................. 13

Figure 4: Mechatronic modularization..................................................................................... 14

Figure 5: Counter weight screwing station .............................................................................. 14

Figure 6: Modularized production system............................................................................... 15

Figure 7: Engineering process of VDI Guideline 5200.............................................................. 17

Figure 8: AutomationML reference engineering process ........................................................ 18

Figure 9: Engineering process of Schnieder ............................................................................. 18

Figure 10: Engineering process of Kiefer.................................................................................. 19

Figure 11: PABADIS'PROMISE engineering process ................................................................. 20

Figure 12: MEDEIA engineering process .................................................................................. 21

Figure 13: AQUIMO engineering process................................................................................. 21

Figure 14: Domain engineering process................................................................................... 22

Figure 15: Engineering process of VDI Guideline 2206............................................................ 23

Figure 16: Engineering process of VDI Guideline 3695............................................................ 24

Figure 17: Engineering process of VDI Guideline 4499............................................................ 25

Figure 18: Meta‐model for structural and attributive features of engineering activities. ...... 26

Figure 19: Overview: General engineering process reference model ..................................... 28

Figure 20: Engineering defining the manufacturing system.................................................... 48

Figure 21: Manufacturing system influencing the product properties.................................... 49

Figure 22: Cause‐Effect‐Chain for the production process...................................................... 49

Figure 23: Product properties defining the product quality .................................................... 50

Figure 24: House of Quality [SKC02] ........................................................................................ 51

Figure 25: causal chain for engineering influencing product quality....................................... 52

Figure 26: Meta‐model for engineering and product quality .................................................. 53 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

Glossary  

The following section defines the understanding and uses of different terms within this whitepaper.  

 

Plant  ‐  Plants  are  large  assemblies  of  technical  devices  to  produce  certain  technical products usually  in  a  fully or  semi‐automatic way. Plants execute  technological processes which produce the technical products from several processing steps.  

 

Plant  components  ‐ Reusable unit, which  is completed and encapsulated, with defined interfaces to the outside. A component is an aggregation of building blocks. 

 

Domain ‐ An area of knowledge that  

(1) is  scoped  to  maximize  the  satisfaction  of  the  requirements  of  its stakeholders,  

(2) includes a  set of  concepts and  terminology understood by practitioners  in that area and  

(3) includes the knowledge of how to build (software) systems in that area  

 

Manufacturing  Industry  ‐ Task and aim of manufacturing engineering  is the production of  geometric  determined  solid  bodies  (workpiece,  assembly  group,  products) with  preset attributes by application of various manufacturing methods. 

 

Model ‐ A model is a representation of a real system or a couple of systems. Models have three significant features: 

(1) Representation. A model  is always a representation of natural and artificial originals which could be models, too. 

(2) Reduction. A model does not have all attributes and aspects of the original, just those, which seem to be relevant to the model user or creator. 

(3) Intended  purpose.  Creating  a model  has  always  a  purpose  defined  by the intended use of the model. The usage defines the model relevant parts and aspects.  

A model  is  featured by  abstraction which means  the  conscious  reduction of  reality  to stress model features important for the modeler or for the model intention. 

 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

Mechatronic  system  ‐  A mechatronic  system  is  a  closed  system  that  realizes  by  its actuating elements,  its sensor system and  its control a defined (usually physical) behaviour within a manufacturing system. It is composed of one or more mechatronic units and may be processed like a mechatronic unit during the engineering. 

 

Mechatronic unit (MU) ‐ A mechatronic unit (plant component) is a mechatronic system that  can  be  described  by  its  functionality  and  is  composed  of  software  (control)  and hardware (mechanical, electrical, and further construction) objects.  

 

Engineering  –  Following  [Enc11]  engineering  is  “the  creative  application  of  scientific principles to design or develop structures, machines, apparatus, or manufacturing processes, or works utilizing them singly or  in combination; or to construct or operate the same with full  cognizance  of  their  design;  or  to  forecast  their  behaviour  under  specific  operating conditions; all as  respects an  intended  function, economics of operation and  safety  to  life and property.”  

 

Engineering process – An engineering process is a coordinated course of knowledge use actions. It is divided into a set of phases targeting different levels of detail and concreteness of the engineering objects.  

 

Mechatronic engineering process – A mechatronic engineering process is an engineering process  where  the  involved  engineering  objects  are mechatronic  units  and mechatronic systems. 

 

Engineering artefact – An engineering artefact is an object created or used within one or more  actions  of  an  engineering  process.  Within  early  phases  of  engineering  processes engineering artefacts are usually of informational nature while in later phases they can also be of physical nature.  

 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

 Figure 1: Relations between Engineering process and engineering artefacts 

Mechatronic modeling concept ‐ A mechatronic modeling concept is an approach to map mechatronic systems or units to plant components or facets by structure and relationship.  

 

Mechatronic engineering activity ‐ A mechatronic engineering activity (MEA) is an action within  the mechatronic  engineering  process.  It  is  assigned  to  one  or more  phases  of  the engineering  process,  executed  by  one  involved  engineering  role,  and  has  impact  on  the design of a mechatronic system or unit.  

 

Engineering tool ‐ An engineering tool is a software system designed to model, process, and store plant components or facets within an engineering process.  

 

 

 

 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

1. Introduction  

The Deliverable  4.1  is  the  first  output  of work  package  4  “Engineering methodology”. Within this work package a new engineering methodology for decentralized manufacturing systems based on  the GRACE Multi Agent  System  (MAS) platform will be developed.  The main  objective  here  is  to  identify  the  impact  of  GRACE  new  control  concepts  on manufacturing engineering activities,  to create suitable and effective engineering concepts for decentralized automation, and  to  render  them applicable  for  industrial applications.  In particular, the following objectives will be reached: 

• Provision of  activity model based engineering process  guideline  supporting  the combination  of  manufacturing  entities  for  rapid  creation  of  case  dependent GRACE MAS platform adaptations using standardized interfaces. 

• Definition  of  possibilities  to  easily  extend  GRACE MAS  platform  capability  for providing  changed  additional  functionalities with  a minimum effort  in order  to enhance  and  adapt  MAS  to  changing  requirements  from  products,  types  of production and quality assurance, or manufacturing technology. 

• Support  for  the management  of  production models,  data  and  further  relevant information  on  GRACE MAS  platform  and  its  engineering  including  behaviour modeling for control application and overall behaviour analysis. 

 

Identify impact of GRACE control concepts on manufacturing engineering activitiesCreate suitable and effective engineering concepts for decentralized automationRender them applicable for industrial applications

Main Objective: A new engineering methodology for decentralized manufacturing control systems based on the GRACE MAS platform

 Figure 2: Intention and goals of GRACE WP 4 

 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

Subject of task 4.1 is the definition of a general engineering process reference model for manufacturing  systems,  which  is  developed  and  evaluated  in  domains  like  automotive production lines and its adaptation/extension towards a detailed GRACE specific engineering process  for  home  appliance  production  lines  including  process  and  quality  control.  The creation of such a model is done  

• by dissecting the engineering of the production line in its phases,  

• by  decomposition  of  the  working  processes  (e.g.,  layout  planning)  within  the individual phases into individual activities and  

• by  identification  of  their  relations,  and  influences  (causes  and  effects)  with system properties of the process & quality control system.  

This deliverable will be divided in two parts. The intention is to develop the engineering process in two sequential steps.  

The  first  step will be  the definition of a general engineering process  reference model, which  is  applicable  for  a  high  number  of  engineering  domains  in  factory  automation  like automotive,  home  appliance,  consumer  goods,  etc.  This  first  part  is  subject  of  this deliverable and will be available as a public document.  

The  second  step  includes  a domain  and potentially  also OEM  specific detailing of  the general engineering process reference model, containing 

• Analysis  of  Whirlpool  factory  of  washing  machines:  process,  production  line structure, equipment, process and quality control functions 

• Analysis  of  engineering  workflows  for  home  appliance  production  lines  using Whirlpool factory example or similar examples in the same domain (using expert interviews and documentation) 

• Structured  collection  of  critical  factors  in  engineering  based  on  an  existing standardized criteria catalogue 

• Integration of analysis results  to engineering process reference model  for home appliance production line 

Results of step 2 will be given in Appendix A to this paper. Within the GRACE project this detailed  model  will  serve  as  the  GRACE  engineering  process  reference  model  and  will therefore  only  be  available  to  the  project  partners  due  to  confidentiality  of  Whirlpool specific information. 

With  the help of  this bisection GRACE project will provide a  sort of public  red  line  for engineering  processes  including  a  basic  set  of  disciplines  and  tasks  which  have  to  be considered. Never  the  less we are also aware  that  there will be no engineering  reference process applicable for all domains. Therefore the general process could be modified to fit the specific target domain. 

This  document  is  structured  as  follows.  An  important  prerequisite  for  a  general engineering  reference  model  is  the  idea  of  mechatronic  plant  modularization  which  is described  in chapter 2. To understand current engineering processes  in factory automation 

10 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

chapter 3 will present a rough overview of multiple actual engineering processes also using the before mentioned mechatronic principles. 

Both chapters will result in the general engineering process reference model, presented in  chapter 4, which  in  turn will be  the basis of  the GRACE engineering process  reference model described in Appendix A (separated from this document). 

Chapter 5 will close this paper with an explanation of the  importance of the developed engineering process reference model to the GRACE Project. 

 

 

11 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

2. Mechatronic plant design  

2.1. Introduction to mechatronic plant design 

 

To reduce the engineering cost, simultaneously increasing the flexibility of manufacturing cells and additionally obtain a high product quality several research activities in the last few years  have  developed  similar  structuring  models  for  plant  design  data.  The  home entertainment  industry has developed  the KOALA  concept  [OLK00]  for modular electronic consumer  goods.  Research  projects  like  MEDEIA  [MED10],  PABADIS’PROMISE  [WHE10], AQUIMO  [AQU10b]  and  The  Internet  of  Things  [Elg07]  have  introduced  the  combined approaches of 

• Mechatronic  engineering  to  improve  interdisciplinary  working  processes  and design data handling 

• Mechatronic plant modularization  to  improve  standardization and  reusability of engineering artefacts 

All  abovementioned  research  activities  specified  structural  objects  as  a  basis  for  the system  implementation. Following [Kie07] and [Foe10] these objects could be described as mechatronic  units.  For  a  common  understanding  of  the  wording  and  semantics  of mechatronic units see [LHF10]. 

Based  on  the  concept  of mechatronic  units,  appropriate  Computer  Aided Design  and Engineering  tools  (CAD/CAE  ‐  tools)  together  with  libraries  of  pre‐designed  engineering artefacts  can  support  the  complete  design  process  and  information  handling  of  a (production)  system.  The  positive  effect  by  using  and  re‐using mechatronic  objects  was examined multiple  times now. Examples  for  the benefits  that  could be  achieved by using mechatronic objects are: 

a) during the design process of a production system 

• Integrated  work  and  handling  of  design  data  of  all  involved  disciplines  like mechanical, electrical, instrumentation and automation & control 

• Standardization of interdisciplinary collaboration and interfaces 

• Improved quality of engineering artefacts and improved efficiency when re‐using pre‐developed and tested engineering artefacts 

b) during operation of a production system 

• Increase and  improve the flexibility, adaptability and efficiency (throughput, use of resources, degree of automation) of the production system. 

• Increase  robustness  and  reliability  by  local  troubleshooting  (within  the mechatronic objects). 

12 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

• Reduce the integration complexity for integration of resources/machines. 

• Reduce time and effort for setup and reconfiguration of the production system. 

 

2.2. Concept of mechatronic plant design 

 

Up to now, conceptual structuring and modularization of (production) systems is aiming mostly at the creation of modules within each single discipline, like mechanics, electrics, field control, process control, etc. Thus modularization is done horizontally as shown in Figure 3, where every discipline creates  its "optimum" modules and standards  that help  to  improve the level of integration between those discipline‐specific modules. The problem here is that the  integration  between  the  systems  of  the  different  disciplines  –  and,  therefore,  the integration of  the entire  facility –  is not addressed  through such horizontal approach and, therefore, must be  implemented specifically  for each project. This  fact  leads, according  to experience, to substantial additional costs, particularly during the commissioning phase. 

 

 

Figure 3: Discipline specific modularization 

 

The  concept  of  mechatronic  modularization  states  that  modularization  is  oriented towards the physical structure of production systems, and it is designed vertically with each module  containing parts of  the mechanical,  field  control  and process  control  engineering disciplines; see Figure 4. This modularization concept is applied in a consistent and uniform manner  to  all  engineering  tasks  that  have  to  be  performed  during  the  lifecycle  of  a production  system,  in  the  design  phase  as  well  as  in  the  commissioning  and  the reconfiguration phases. 

13 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

 

 

Figure 4: Mechatronic modularization 

 

An  example  of  such  a mechatronic module/unit within  a  home  appliance  production system  could be a  counter weight  screwing  station  that attaches a  counter weight  to  the washing unit. This mechatronic unit consists of mechanics and electrics  like  the robot  that performs the screwing, the transportation system of the washing unit and also sensors and actuators  for measuring and assembling. Additionally, the whole automation part  like  field control and parts of the process control are needed for a smoothly assembly process. Figure 5 shows the counter weight screwing station of a washing machine production line. 

 

 

Figure 5: Counter weight screwing station 

 

In  contemporary  production  systems,  the  functionality  of  the  process  control  level  is mostly implemented in a Material Flow Control (MFC) System. Once this functionality is also 

14 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

integrated  into  the concept of  the mechatronic modularization,  it means  the dissection of the  previously  centralized  MFC  System  into  autonomous  modules.  This  procedure  is necessary  since  the modules must  be  easily  combinable with  each  other  and,  therefore, must  not  have  interdependences  with  each  other.  Existing,  possibly  complex interdependences should remain encapsulated within the modules and not appear outside of  the  modules  (cohesion).  The  total  functionality  is  dissected  into  independent  partial functionalities, which are  integrated again  in the engineering process. For this purpose, the automation  functions  of  the  system must  be  dissected  at  all  levels,  which  leads  to  the decentralization of the system as shown in Figure 6.  

 

 

Figure 6: Modularized production system 

 

The use of pre‐integrated modules,  the encapsulation of  the  functionalities, as well as the ability of the modules for identification and coordination among each other, lead to the fact, that modules can, referring to automation engineering, be  integrated with each other to  an  entire  facility  on  a  “Plug&Play”  basis.  This  allows  supporting  the  mentioned requirements for flexibility regarding construction and reconfiguration of facilities.  

Therefore,  the  engineering  process  reference  model  will  be  developed  towards  a mechatronic oriented view. 

 

 

15 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

3. Engineering Processes for industrial facilities  

This  chapter  will  shortly  introduce  some  of  the  current  knowledge  on  engineering processes. The goal  is to create a broad overview of the engineering processes used within different domains. Engineering processes have been developed for different purposes in the area of production systems. They can be distinguished with respect to the business model followed, the industrial domain addressed, the completeness with respect to the life cycle of products and production systems, and the involved engineering disciplines and stakeholders. 

Within  the  following  a  mechatronic‐oriented  view  will  be  used  to  describe  existing engineering processes and the relevance of mechatronic units within them. 

Clearly, the considered set of processes is not complete. Here, processes standardized by industry  or  developed  within  leading  international  and  national  industrial  driven development projects are analyzed and can be considered as a generalized knowledge for a wide range of domain and application specific processes. 

 

3.1. Engineering process of VDI Guideline 5200 

The  engineering  process  of  VDI Guideline  5200  has  been  developed  to  formalize  the factory planning process  [VDI5200].  It  is based on  a definition of  all  relevant  engineering information and  considers  the process as a  controlled  information enrichment process by concretization of engineering information. 

This engineering process  consists of eight phases. The  first phase  is  the aim definition phase. Within  this phase  the  company goal and  the bordering  conditions of  the  intended production system are analyzed, the production system functionalities and the project aims are defined, the assessment properties for the project progress and results are developed, and  work  packages  are  defined.    In  the  subsequent  phase  the  basic  conditions  for  the engineering process execution are generated. Here all necessary information for the process execution is collected and preprocessed. This basic phase is followed by the concept design phase. Here the structure of the production system  is defined with respect to  its structural and  functional  decomposition,  the  different  functional  units  are  dimensioned,  an  ideal layout of the production system without consideration of layout restrictions is created, and finally this layout is adapted to the real facilities it is implemented within. After the concept design  the  detailed  planning  is  made.  Here  the  detailed  engineering  of  the  production system is made, all necessary permission requests are created, and the faction descriptions are made. Afterward  the  realization of  the production  system  is prepared. Therefore,  the necessary  offers  are  solicited,  contracting  is  made,  and  the  execution  of  contracts  is controlled.  In  the next phase  the  realization of  the production  system  is controlled at  the intended facilities. Here, the realization of the production system is coordinated, supervised, and documented, as well as  the  final documentation  is made.  Finally  the  ramp up of  the manufacturing system  is made. Here, the production system startup  is done and the reach 

16 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

production system  is assessed.  In parallel to all these phases the project management and finally the project termination is made. The complete process is depicted in Figure 7. 

 

Aimdefinition

BasicConceptdesign

Detailplanning

Project Management / Project termination

Realisa‐tion pre‐

paration

Realisa‐tion

controlRamp up

 

Figure 7: Engineering process of VDI Guideline 5200 

 

The VDI 5200 engineering process will not directly address mechatronic  thinking.   But, within  this  process mechatronic  units  are  usually  considered  in  the  different  phases  to provide basic structures  to deal within  the planning and engineering as well as  to offer or order components of the production system. 

 

3.2. AutomationML engineering process 

The  AutomationML  engineering  process  has  been  developed  by  the members  of  the AutomationML  initiative  in  2008  as  reference  process  for  the  application  of  the AutomationML  data  exchange  format  [DWM08],  [Dra10].  It  targets  the  design  of  a  new manufacturing  system.  Thus  it  addresses  mainly  the  solution  business.  But  it  has  also components of the component business.  

AutomationML  engineering  process  is  based  on  five  phases with  a  set  of  engineering activities within  the  different  phases.    The  first  phase  is  the  product  design. Within  this phase all  relevant about  the product  to be produced will be developed. This  includes  the development of  the  characteristic properties of  the product,  the bill of material  relevant, and the bill of operation required to produce the product. The second phase  is the factory planning phase. Here the layout & cost planning with a selection of the production resources to be used,  the basic process planning, the basic electrical planning, the  logistics planning, the planning of quality assurance and a first simulation of the system are made. As a result a first draft paper version of the intended production system is established. This draft version of the plant is detailed in the functional engineering phase. Within this phase the mechanical engineering, the electrical engineering, the control engineering, the robot programming and simulation, and  the HMI programming are made.  In addition  the  initial  layout and process planning  is detailed  if necessary. As the result of this phase the complete engineered plant information is available. In the commissioning phase the plant is set up physically, tested and put into operation resulting in a running production system. In parallel the first four phases the  standardization  phase  intends  to  identify  reusable  components  of  the  engineered manufacturing system and, therefore, has to be seen as a process of component business. Within this phase reusable components and reusable engineering processes are defined and documented. The complete AutomationML engineering process is depicted in Figure 8. 

17 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

 

Productdesign

Factory planning

Functionalengineering

Commiss‐ioning

Standardisation 

Figure 8: AutomationML reference engineering process 

 

Within  the AutomationML  engineering process  the  application of mechatronic units  is addressed within  the  first  three phases.  In  the product design phase mechatronic units as manufacturing system equipment able to provide production functionalities are exploited to define  the  bill  of  operation  of  the  product.  In  the  second  phase  the  same  type  of mechatronic units  is used  to define  the  initial  factory  layout based on predefined  function oriented components. In the third phase the complete engineering of the mechatronic units is  used  to  connect  the  components  and  enhance  engineering  quality  by  using  proven solutions.  

 

3.3. Engineering process of Schnieder 

E. Schnieder [Sch99] defines an engineering process for production systems against the background of control system engineering. This process consists of  five phases. Within the first  phase,  the  planning  phase,  the  basic  requirements  to  the  intended  system  are developed. Based on this, the second phase designs the intended system. Therefore, at first a  raw  planning  with  system  decomposition  and  association  of  functions  to  the  system components  is made. Afterwards  a detailed planning will  specify  the  system  components with  its behavior and  interfaces. The system design  is used  in  the  third phase as a system specification  for  system  implementation.  Thus,  in  the  realization  phase  the  system components  and  its  interfaces  are  implemented  by  hard‐  and  software  and  partially validated. Then  the different  system components are  integrated  resulting  in  the complete system. This complete system is validated in the tasting phase. Therefore, the implemented system,  its  behavior,  and  its  functionality  are  compared  with  the  initially  defined requirements. Finally, the implemented and tested system is used including production use and maintenance. This overall process is depicted in Figure 9. 

 

Planning Design Realization Testing Use 

Figure 9: Engineering process of Schnieder 

 

Within this engineering process the application of mechatronic units is of interest in the design and realization phases. In the design phase the system decomposition can be based 

18 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

on existing mechatronic units.  These mechatronic units  can establish  system  components and thereby, provide its complete design and realization. 

 

3.4. Engineering process of Kiefer 

J.  Kiefer  [Kie07]has  developed  an  explicitly mechatronic  oriented  engineering  process intended to be used  in the automotive  industry domain. This process consists of 5 phases. Within  the  initial  concept  planning  phase  the  product  related  and  the  customer  related requirements  to  the  intended  production  system  are  collected  and  preprocessed,  the necessary manufacturing  steps  are  evaluated  and  translated  to  a  high  level  production system structure, design alternatives are considered and weighted, and finally the intended production  system  structure  is  specified.  In  the  subsequent  following  phase  of  detailed planning  the  complete  construction  of  the  production  system  is made.  This  includes  the mechanical, electrical and control system design which is executed semi‐parallel. Within the realization  phase  the  designed  system  is  implemented  and  tested.  Here  virtual commissioning  is  of  great  importance.  The  ramp  up  phase  contains  the  start  up  of  the production  system  including  the  initial production and  the  initial quality  control. The  final phase  covers  the  normal  production  run  and  the  support  during  these  activities  by engineering information. The complete process is depicted in Figure 10 

 

Supportin serial 

production

Concept Planning

Detailed Planning Realization Ramp up

 

Figure 10: Engineering process of Kiefer 

 

As the engineering process of [Kie07] is mechatronic oriented mechatronic units will play an  important  role within.  They  are  especially  addressed  in  the  first  three  phases  as  pre‐developed  engineering  artefacts  providing  proven  knowledge  and  engineering  details. Thereby, they  intend to  limit failures,  improve engineering quality, and reduce engineering process duration. 

 

3.5. PABADIS’PROMISE engineering process  

Within  the  PABADIS’PROMISE  engineering  process  the  design  process  of  a  distributed control  system  and  a manufacturing  system  integrating  this  control  system  are  addresses [PAB08]  , [WHE10].  It has been designed  integrating  leading companies within the fields of control systems and automotive industry. 

This engineering process consists of 6 phases. The first phase contains the definition of the production order and its physical and logical sequence. This is followed by the layouting phase. Here, the production system  layout  is generated out of the process description and 

19 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

the types of required resources are defined based on the required capabilities.  In the next phase the detailed design  is made. This  includes the specification of all technical details of production system equipment, instrumentation, and automation. Afterwards the purchasing and/or the manufacturing of the production system components are done. This includes the construction  and  implementation  toward  functional  units  covering  all  involved  technical disciplines.  Within  the  construction  and  commissioning  phase  the  production  system components are integrated as functional units toward complete production system and the system  capabilities and  component  capabilities within  the  system are  tested and verified. Parallel  to  the  last  three  phases  the  ERP  and MES  systems  are  integrated.  Therefore  the necessary interfaces are defined and implemented. The process is given in Figure 11. 

 

Processplanning

Layouting DesignPurchasing &  Manufac‐

turing

Construction& Commis‐

sioning

ERP and MES integration 

Figure 11: PABADIS'PROMISE engineering process 

 

The  application  of  mechatronic  units  is  integral  part  of  the  PABADIS’PROMISE engineering  process.  They  are  seen  as  engineering  artefacts  providing  production capabilities to the overall system which can be automatically integrated in the overall system. Thus in the first two phases the mechatronic units are seen as capability providers while they are  used  in  the  third  phase  as  best  practice  solutions  for  the  engineering  of  used components. 

 

3.6. MEDEIA engineering process 

The MEDEIA  engineering  process  has  been  developed within  the  EC  project MEDEIA under  integration  of  several  industrial  partners  [MED10],  [SRE08].  It  is  targeted  to  the component based engineering of production systems and its inherent control systems. 

 The MEDEIA engineering process consists of five phases. The first phase is dedicated to the identification of system functionalities required and its decomposition. In the next phase to each identified function relevant components are selected which are realized in the third phase of the process. As each of the components finally  is based on embedded devices for sensors and actuators these embedded devices and their controls as well as the control of the  components  are  implemented  in  the  fourth  phase.  Finally,  the  resulting  system  is simulated and commissioned.  

 

Functionaldecompo‐sition

Component selection

Componentrealization

Embedded system 

designSimulation

 

20 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

Figure 12: MEDEIA engineering process 

 

The  strongly  control  system  oriented  engineering  process  emphasis  the  use  of mechatronic  units  providing  the  necessary  control  related  hard‐  and  software  for  the production system implementation. It will combine a functional view on the system with an implementation view. 

 

3.7. AQUIMO engineering process  

The AQUIMO engineering process has been designed within an  industrial development project with several SME partners [AQU10a], [AQU10b]. The main aim of this project was the development  of  an  engineering  process  and  a  supporting  tool  for  the  development  of machines  and  equipment  as  mechatronic  systems  useable  within  the  design  and implementation of machines and production systems. 

This  engineering  process  contains  three  phases. Within  the  initial  phase,  the  analysis phase,  the  requirement  to  the  components  to  be  developed  will  be  collected  and preprocessed. Based on  these  requirements  the overall  component design  is made  in  the design  phase.  This  will  include  the  geometries  and  behavior  but  also  design  possible alternatives.  The  third  phase  is  dedicated  to  the  engineering  of  the  system  within  the different involved engineering disciplines like mechanical engineering, electrical engineering, and control engineering, as well as the  integration of the different engineering results to a unique engineering artefact.  

 

Analysis Design Construction 

Figure 13: AQUIMO engineering process 

 

The AQUIMO engineering process targets in the development of mechatronic units. I.e., this engineering process will create engineering artefacts which are complete mechatronic units including all relevant engineering information. 

 

3.8. Domain engineering  

The  domain  engineering  process  aims  at  systematical  development  of  reusable engineering  artefacts,  usable within  the  engineering  of  production  systems  for  a  special industrial  domain  of  interest  [JMG10].  This  includes  the  development  of  all  information, models, methodologies, etc. which can be used to improve the design of production systems. Therefore, the domain engineering contains four phases. The first phase is dedicated to the 

21 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

domain analysis. Here existing engineering artefacts coming  from different projects of  the solution  business  are  analyzed  possibly  usable  for  basic  evaluation,  initial  planning,  and conceptual  design.  Therefore,  the domain  borders  and  stake  holders  are  identified,  basic requirements are specified, and existing solutions of the domain are  identified. Within the subsequent  domain  design  engineering  artefacts  are  established  useable  for  the  project execution within a basic or detailed engineering of a solution business project. This includes the  functional analysis  for  the  identification and definition or  required or used production functions,  the  development  of  components,  the  design  of  a  reference  structure  of  the production system, and the specification of methods for the combination of components to the  overall  systems.  The  third  phase  is  the  domain  realization.  Here,  the  different engineering  artefacts  intended  including  the  production  system  components  are implemented  and  tested.  Therefore,  among  others,  the  components  and  its  engineering information  are  completed  and  generic  project  execution  plans  are  developed.  The  final phase of the domain engineering is the application engineering. This phase in fact is equal to a solution business project. 

 

Domainanalysis

Domain design

Domain realization

Application engineering

 

Figure 14: Domain engineering process 

 

The  domain  engineering  will  use  and  develop  among  other  engineering  artefacts mechatronic units usable as production system components. Therefore, it will identify within existing  solutions  these  mechatronic  units  and  will  establish  all  relevant  engineering information required for its later reuse. 

 

3.9. Engineering process of VDI Guideline 2206 

The VDI Guideline 2206 [VDI2206] has been developed to describe the design process of products1 based on mechatronic thinking. Therefore,  it combines the mechatronic thinking with the product design process resulting in a parallelization of engineering activities within the different engineering disciplines. 

Generally  this  engineering  process  can  be  divided  into  6  phases  and  follows  the well known  V‐model. Within  the  first  phase  the  collection  of  requirements  to  the  intended product within  the problem description phase.  It  is  followed by  the  system design phase. Here  the overall  structure of  the product  is developed by defining  the  system component hierarchy and  its  interfaces. Based on this overall structure the detailed engineering of the product  is made  in  the  third phase. This phase  is  for domain  specific engineering,  i.e.  the 

1 For more information on product design see [UlE08], [ScS05] 

22 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

different engineering domains like mechanical, electrical, control, etc. engineering will work in parallel  creating all documents  for  the detailed engineering. The  results of  the domain specific engineering will be  integrated  to  the  complete product  in  the  system  integration phase. The  thereby developed product will be validated  in  fifth phase with  respect  to  the fulfillment of  the  requirement  to  the product defined  in  the  first phase.  In parallel  to  the phases  two  to  five  the modeling  and  analysis phase will  run.   Here  the other phases  are supported by overall modeling of the  intended product and  its properties and capabilities. The complete process is depicted in Figure 15. 

 

 

Figure 15: Engineering process of VDI Guideline 2206 

 

Within  the  VDI  2206  engineering  process  nearly  all  phases  will  exploit  mechatronic thinking as the consistent design and engineering within all engineering disciplines targets to the design of  a mechatronic unit  focusing on  the  generation of  technical,  functional,  and economical benefits.  

 

3.10. Engineering process of VDI Guideline 3695 

The  VDI  guideline  3695  [VDI3695]  has  been  developed  to  provide  means  for  the improvement  of  engineering  organizations  with  respect  to  engineering  efficiency  and engineering quality. As one result an engineering process has been developed combining the component business with the solution business. 

 Problem  description 

System  design

Domain      specific engineering

System integration 

Validation

Modeling and Analysis

23 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

Productdesign

Planning Engineering RealizationCommis‐sioning

Analysis Planning Engineering Realization Test

Engineering artifacts

Best practice  

Figure 16: Engineering process of VDI Guideline 3695 

 

For  both  businesses  this  process  defines  5  phases. Within  the  component  business  the process  starts with  the analysis phase. Here best practice  from  solution business projects and  the  current  market  end  technology  conditions  are  analyzed  resulting  in  a  basic specification of  intended components.  In  the subsequent planning and engineering phases for  the  intended components  the basic design and  the detailed engineering are executed. This  is  followed by  the physical realization and  testing of  the component. Finally, reusable components  for  the  solution business are developed. The  solution business process  starts with the definition of the bill of material and the bill of operation definition for the intended product as a basic requirement definition for the production process to be executed within the  engineering  process. Here,  the  component  functionalities  defined  before  are  used  as basic definition of usable activities within  the bill of operation. Within  the next phase,  the planning phase, the intended production system is planned as a combination of components executing  the  bill  of  operation.  Here,  the  plant  layout  is  defined,  the  components  are sequenced, and  the  system  is  simulated  to  validate  the  fulfillment of basic  requirements. This  is  followed  by  the  engineering  phase.  In  this  phase  the  detailed  engineering  of  the manufacturing  system  is  made  containing  mechanical,  electrical,  control,  and  HMI engineering  exploiting  the  pre‐engineered  components. Within  the  realization  phase  the engineered system components are set up including the ordering of components. Within the commissioning phase  the  complete  system  is established at  the  intended production  seat and tested. The complete process is depicted in 

Figure 16. 

The  engineering  process  following  VDI  guideline  3695  directly  addresses  the  use  of mechatronic  units  as  engineering  artefacts.  They  are  the  intended  goal  of  the  activities within  the  component  business  process  and  are  directly  exploited  within  the  solution business as  input. Thereby, the reuse of engineering results and, thus, the enhancement of the overall engineering process quality is reached. 

24 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

3.11. Engineering process of VDI Guideline 4499 

The  VDI Guideline  4499  has  been  developed  to  enable  the  beneficiary  application  of information  technology within  the complete  life cycle of products and production systems [VDI4499‐1],  [VDI4499‐2].  Thereby,  it  combines  the  product  business  with  the  solution business. The resulting engineering process contains a product related part and a production system related part. 

The  product  related  part  is  covered  by  the  complete  process  of  product  data management  starting  with  the  product  design  and  engineering  over  the  complete production  process  of  the  product  until  the  sales  and  after  logistics  of  a  product.  This process will not be detailed here. 

Nevertheless, this process is strongly related to the production system oriented process. It will provide requirements for this process and will influence the information management within it. 

The production system oriented process consists of five phases. It starts with the process planning phase creating the necessary sequence of production steps and naming / designing the necessary devices, appliances, and  tools  for  its execution.  It  is  followed by  the  factory planning. In this phase the different production resources are detailed and engineered, the logistic  systems  are  defined  and  engineered,  the  safety  systems  are  developed,  and  the complete  control  system  is  implemented.  In  phase  three  the  designed  and  engineered production  system  is  physically  realized.  Here,  the  different  production  resources  are implemented  in  hard‐  and  software,  the  overall  system  is  assembled,  and  the  system  is tested. After  successful  tests  the commissioning and  ramp up of  the production  system  is made  in phase four. Within both phase three and four virtual commissioning can assist the process progress and avoid errors. Finally, the manufacturing system  is used.  In this phase product  related  information  are  sent  back  to  the  product  related  process.  The  complete process is given in Figure 17. 

Within  the VDI  guideline  4499 mechatronic  systems  are  not  addressed  explicitly.  But, especially the focus to virtual commissioning leads to the consideration of function oriented components within  the  production  system which  can  be modeled  and  used  in  a  virtual system. Thereby, mechatronic principles have to be applied. 

 

Process planning

Factoryplanning

Design &Implemen‐

tationRamp up Use

Product Data Management

 

Figure 17: Engineering process of VDI Guideline 4499  

25 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

4. General engineering process reference model  

4.1. Meta‐model for engineering processes 

 

The engineering process of  industrial plants  is a  sequence of  steps beginning with  the production concept and ending with the plant ready for operation. Different actors and roles need  to  interact  with  each  other  during  this  complex  process  in  order  to  realize  the milestones set by the customer. To get the full picture of the process, a systematic approach for describing engineering processes is required. 

Figure 18 shows a simplified version of  the meta‐model which  is used within  this work package. Essential elements are activities, artefacts, and their relationships, which represent information flows in the work process.  

 

 

Figure 18: Meta‐model for structural and attributive features of engineering activities. 

 

The meta‐model examines the following entities: 

• Actor: An actor is an organization which is actively involved in the industrial value chain (planning,  installation  and  commissioning)  of  the  plant.  The  main  actors  are: System Integrator, Component Supplier, Equipment Supplier and Operator. 

• Engineering Process:   The process is structured in several phases describing all activities to plan, design and commission a plant. 

26 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

• Engineering Phase:   A  process  phase  describes  a  certain  sequence  of  technical  activities within  the plant lifecycle such as detailed planning. 

• Roles: The  role  represents  a  certain  engineering  actor,  e.g.  an  electrical  engineer, mechanical engineer, automation engineer, etc. 

• Activity: An activity is a task that needs to be accomplished within a defined period of time. 

• Artefact: An artefact can be both input and output for an activity. 

 

The interactions between the entities are defined as follows: 

• An Actor owns a Process 

• A Phase is part of a Process 

• An Activity is part of a Phase 

• An Activity is executed by one or more Roles 

• An Activity has impact on the design of a Subsystem 

• One or more activities output(s) one or more Artefacts 

• An Artefact is input for one or more Activities 

 

The  following  general  engineering  process  reference model  has  been  built  upon  this Meta‐model.  The  entities  “process”,  “phases”  and  “activities” will  be  considered  in more detail, while the other activities will be detailed specifically in Appendix A. 

 

 

4.2. Engineering processes 

 

Regarding  the  results  of  chapter  2  and  3  the  general  engineering  process  has  to  be divided  into  two  separate  processes.  The  first  process  is  independent  of  a  specific engineering project. Here the mechatronic units used within the engineering of a facility are developed.  This  is  achieved  by  identifying  reusable mechatronic  units  based  on  either  a market analysis or project  feedback. After  that,  the  reusable units are analyzed, modeled and realized within an engineering tool. 

The second process is the engineering project where a specific facility is engineered using the  pre‐developed  mechatronic  units.  During  all  four  phases  (process  planning,  basic 

27 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

engineering, detailed engineering  and  commissioning)  the mechatronic  resource  library  is used  to  support  the  engineering  process.  The  complete  general  engineering  process reference model is depicted in Figure 19. 

 

 

Figure 19: Overview: General engineering process reference model 

 

4.3. Engineering phases 

4.3.1. Development of mechatronic units 

The essential precondition  for  the  feasibility of  the engineering of production  facilities according  to  the  described  procedure  is  that  in  the  run‐up,  mechatronic  modules  are prepared in order to be available as a template in a library for the facility planner. This task is achieved within the process of developing mechatronic units. 

During  the design of  these  facility and project  independent mechatronic modules,  the following information must be specified and provided in an integrated manner: 

• Description of the mechanical parts, e.g., in CAD layout. 

• Description of the behaviors of the facility resource, such as kinematic behavior. 

• Description of the machine functionalities that the resource offers for the design of production steps (function oriented view). 

• Description of  the automation portions:  control and  communication  interfaces, required connections for hydraulics, pneumatics, and electrics, as well as models or implementations of baseline control, HMI, and communication building blocks. 

• Description  of  combination  possibilities  or  limitations  with  other  resources  in order to integrate individual functionalities into one overall functionality.  

 

Identification 

28 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

Prior  to  the  creation  of  reusable mechatronic  units  an  identification  step  is  needed. Herein  the  facility  is  analyzed  in  respect  of  potential  reusable  components.  This identification can be done in two steps. 

First  an  identification  of  all  components  of  the  facility  is  needed.  An  identification  of mechatronic units  follows a  functional‐oriented approach, where each unit  is described by the function it offers to the facility/system. Additionally a hierarchical structuring, e.g. using the level‐model of [Kie07], could be done. As a result of this first step we obtain a structured list of all components of the facility. 

The second step analyses these components regarding their reuse‐potential. This could follow an approach similar to [Jos07]. During this analysis some components might be rated as not reasonable reusable.   

The outcome of the whole identification step would be a structured list of components, which should be realized as reusable mechatronic components. 

 

Analysis and modeling 

After a list of reusable components of the facility is set up, these components need to be analyzed and modeled. Practically these both steps would most often proceed in parallel, so that the analyzed data  is modeled within an engineering tool. Examples  for the data to be analyzed could be: 

• Mechanical data like geometrics, kinematics, material, … (CAD‐Tool) 

• Electrical data  like power supply, wiring plans, routing, … (ECAD‐Tool) 

• Automation data like signals, Hardware, behaviour, … (Process Control Systems) 

• Miscellaneous  data  like  instruction  manuals,  data  sheets,  maintenance manuals, … (office tools, …) 

 

Realization 

In a final step the analyzed and modeled components need to be realized and stored into a  library with the help of engineering tools. The result  is a  library of reusable mechatronic units usable within the following engineering projects. 

4.3.2. Engineering project 

The engineering project  is divided  in  four phases.  In depth analysis of  the engineering processes of chapter 2 show that all mentioned phases are  in some kind part of one of the four phases of the general engineering process.  

Additionally some engineering processes of chapter 2 also consider additional “phases” like MES and ERP  integration  in the PABADIS’PROMISE engineering process. Having a more detailed look at these “phases” shows that they are actually no real engineering phases but 

29 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

more  kind  of  thematic  engineering  clusters.  These  clusters  describe  a  collection  of engineering activities which could also be assigned  to one of  the  four general engineering process phases. Regarding  this each engineering cluster  is  fully performed within  the  four general engineering phases. 

 

Process Planning 

The production process for the product to be produced is described by a specification of the production steps by the operator of the production. In addition, the production process has  to  be  structured  hierarchically  in  production  steps,  and  the  predecessor‐successor relation,  as  well  as  parallel  processing  between  production  steps,  must  be  described. Likewise,  the machine  functionalities  for  the performance of a production step have  to be characterized.  This  concerns both  the  control  functionality  and  the  kinematic behavior of machines.  All  mentioned  additional  steps  serve  for  the  preparation  of  the  efficient implementation of the subsequent steps.  

Basic Engineering 

Based  on  these  information  and  the  available  mechatronic  modules,  the  system integrator  derives  the  facility  parts  to  be  installed  and  their  technical  interrelationship. Mechatronic modules that offer the desired functionalities are attributed to each production step. For this purpose, the mechatronic modules will be selected from a library that may also contain complete process  steps  realizing production cells. For  selection and matching,  the predefined  production  functions  of  the mechatronic modules  are  used.  If  the  production process  was  specified  comprehensively  as  described  in  Process  Planning,  the  basic engineering may be performed in a supported or automated manner.  

In addition to the pre‐specified, mechanical and electronic data, the mechatronic module also contains predefined control applications for the realization of the production functions. In  addition,  the  specific  data  of  the  utilized  mechatronic  modules  for  the  geometrical positioning  in  the  facility,  their kinematic behavior, and  their geometries  in  the 3D  factory layout  has  to  be  substantiated.  Furthermore,  the  interdependence  is  considered  for  the dimensioning of mechanics and electrics, e.g., for the layout of the power of motors. 

Detailed Design 

In the next step, the configuration of the predefined control functionalities of the utilized mechatronic modules  is done  in  accordance with  the  specific process parameters,  and,  if necessary, the programming of auxiliary functions is performed. In addition, the connections between  mechatronic  modules  and  the  corresponding  parameterizations  of  these connections have to be specified: 

• Connection of electrical, pneumatic, and hydraulic systems. 

• Connection of the communication devices to communication networks. 

• Connection of material flow relations. 

30 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

• Attribution of I/O signals between sensors/actuators and control applications. 

The connections are generated automatically or manually, depending on to what extent the  connections  have  been  specified  in  advance.  PLC  and  HMI  programs  are  usually generated  automatically  from  the  control  applications  of  mechatronic  modules.  In  this planning  phase,  the  design  or  the  adaptation  of  the  facility  mechanics  (CAD)  and  the electrical design  (CAE) are also done unless  large extends have been already predefined  in the mechatronic modules. 

Realization & Commissioning 

As  the  real used  facility  resources  correspond  to pre‐integrated mechatronic modules, they  can  be  provided  in  a manner  in which  they  can  be  integrated  into  the  automation system via plug and play. After corresponding adaptation,  these  facility parts can be used immediately. 

4.4. Generic Engineering activities 

As  a  third  level  of  detail  this  chapter  will  give  an  overview  of  general  engineering activities. Therefore the following Template is used to describe the activities. 

 Name  Short name of the activity Description  Short textual or key word description of the corresponding activity  Application cases 

Special engineering action usually exploiting this activity 

Engineering phases 

Naming of the engineering phases where the activity is used 

Note: The term plant component is used for generalization purposes. In most cases this term is synonymous to the term mechatronic unit 

4.4.1. Decomposition of the plant / plant components  

Name  Decomposition of the plant / plant components Description  • Decomposition is the top down consideration of the hierarchy of the 

plant / plant components  • Decomposition can be executed based on different guidelines like 

o Structural decomposition  o Functional decomposition o Behavior based decomposition o … 

• Decomposition  reflects  the creation of substructures of  the plant / 

31 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

plant components based on the decomposition guidelines2 • Each  plant  component  of  the  substructures  contains  external  and 

internal interface definitions and connections and facets  

Application cases  • Manufacturing system structuring • Device structure definition 

Engineering phases 

• Development of mechatronic units o Identification o Analysis and modeling 

• Engineering project o Process Planning  o Basic Engineering 

4.4.2. Composition of Plant components  

Name  Composition of plant components Description  • Composition of plant  components  is  the bottom up  view on plant 

components a building of hierarchies  • Composition can be executed based on different guidelines like 

o Structural composition  o Functional composition o Behavior based composition o … 

• Composition  reflects  the  creation  of  superstructures  of  plant components based on the composition guidelines3  

• The  resulting  plant  component  contains  external  and  internal interfaces definitions and connections and facets 

Application cases  • Manufacturing system structuring • Device integration 

Engineering phases 

• Development of mechatronic units o Identification o Analysis and modeling 

• Engineering project o Process Planning  o Basic Engineering 

2 Decomposition guidelines represent the best practice of top‐down breakdown of manufacturing systems  in hierarchies of manufacturing system components of different nature (see [VDI2206], [Jos00]). 3  Composition  guidelines  represent  the  best  practice  of  bottom  ‐up  aggregation  of manufacturing  system component in hierarchies to manufacturing systems (see [VDI2206], [Jos00]).

32 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

4.4.3. Refinement of Plant components  

Name  Refinement of Plant components Description  • Within the mechatronic engineering process plant components and 

its  facets  can  include  information  of  different  level  of  detail depending  on  the  engineering  phases  and  in  different  states depending on the finalization state of engineering activities 

• Refinement  is  the  process  of  concretization  and  enrichment  of information of plant components and its facets within the course of the mechatronic engineering process  

• Refinement  ensures,  that  the  level  of  detail  of  information within the plant components and its facets is increased 

• Refinement ensures the generation of new versions of information 

Application cases  • Hierarchy definition • Facet definition / refinement • Interface definition • Behaviour generation • Code generation 

Engineering phases 

• Development of mechatronic units o Identification o Analysis and modeling o Realization 

• Engineering project o Process Planning o Basic Engineering o Detailed Engineering o Commissioning 

4.4.4. Variants Development  

Name  Variants Development  Description  • Variants  of  plant  components  represent  similar  plant  components 

differing with respect to a limited amount of information within the facets  

• Variants  development  is  the  process  of  adaptation  of  a  plant component to different application cases by  

o Changing facet information o Adding facet information o Adding facets 

• Usually variant generation follows the need of o Adding additional behaviour to a plant component 

33 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

o Changing plant component hierarchical structure (replace devices or used technologies) 

• Variant development results in a set of different plant components  

Application cases  • Reuse  of  engineering  project  results  /  development  of  plant component libraries 

• Product development  • Adaptation of project results to further needs 

Engineering phases 

• Development of mechatronic units o Analysis and modeling o Realization 

• Engineering project o Detailed Engineering o Commissioning 

4.4.5. Template Development  

Name  Template Development Description  • Template development is the engineering activity of creating a plant 

component template • Within template development to following questions will be taken: 

o Which  information  deviations  can  have  the  plant components creatable by the template? 

o What  are  the  differences  within  facets  that  can  be parameterized in the template? 

o What are selectable  facets  in the template and how are they related to each other? 

o What  additional  information  can  be  added  to  the template? 

Application cases  • Reuse of engineering results • Template library definition 

Engineering phases 

• Development of mechatronic units o Identification o Analysis and modeling o Realization 

4.4.6. Instantiation  

Name  Instantiation Description  • Instance Generation is the process of applying templates to get real 

existing plant component 

34 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

• Within  instance  generation  a  plant  component  template  will  be concretized with respect to  

o Definition of necessary parameters o Selection of facet versions4 o Addition of facet information 

with the aim to reach a plant component describing a real existing plant component. 

• Instance  generation  targets  in  the  provision  of  consistent  plant components  useable  in  a  project  structure  of  a  solution  business project 

Application cases  • Use of  template  libraries within plant planning  to define  the plant structure 

• Use of  templates within  the process of device  structure definition and implementation 

Engineering phases 

• Development of mechatronic units o Analysis and modeling o Realization 

• Engineering project o Process Planning o Basic Engineering o Detailed Engineering 

 

4.4.7. Flexible View Generation  

Name  Flexible View generation Description  • Based  on  the  engineering  tasks  different  engineering  disciplines 

needs various views on plant components • Views  provide  all  information  necessary  for  the  execution  of 

engineering activities • Views can be based on content of single facets of plant components, 

the  combination of  several  facets or an  information  subset of one facet 

Application cases  • Provision of specific information for engineering disciplines • User assistance within engineering activities 

Engineering  • Development of mechatronic units  4 Within  templates  the  same  facet  in  different  versions  can  be  integrated  to  represent  different  variants following the METUS  [MET10] concept. Examples can be control behavior  facets covering basic bahavior and advanced behavior with additional safety functions.

35 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

phases  o Identification o Analysis and modeling o Realization 

• Engineering project o Basic Engineering o Detailed Engineering o Commissioning 

4.4.8. Layer Generation  

Name  Layer generation Description  • Distributed  and  parallel  engineering  requires  a  parallel  access  to 

plant components  • Each discipline needs  a  separate working  layer on  the engineering 

data based on a shared planning status • Each working layer should provide 

o Discipline specific views on plant components  o Access rights to the relevant data only5 o Discipline specific hierarchies of plant components 

• Merging of working  layer cloud be done by an engineering  tool or manually  

Application cases  • Parallel and distributed engineering Engineering phases 

• Development of mechatronic units o Identification o Analysis and modeling o Realization 

• Engineering project o Process Planning o Basic Engineering o Detailed Engineering o Commissioning 

4.4.9. Definition of Requirements  

Name  Definition of requirements Description  • Definition  of  requirements  is  the  activity  of modeling  applicability 

conditions of plant components within mechatronic systems 

5  As working  layers  are  usually  engineering  role  or  engineering  discipline  oriented,  at  this  point,  the  term „relevant  data  only“  addresses  the  amount  of  information  required  to  execute  the  relevant  engineering activities oft he engineering role or engineering discipline efficiently and in a high quality.

36 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

• Definition  of  requirements  covers  the  specification  of  process, technical, economical, employee knowledge or further conditions 

• Definition of requirements is the explicit integration of requirement information  to  an  plant  component  into  the  representing  plant components by creating  

o Independent requirement facets or  o Requirement information within facets 

like o Integration  of  functional  requirements  like  maximal 

speed of motions in the behavior facets o Integration  of  non‐functional  CO2  pollution  limitation 

requirements within an additional requirement facet 

Application cases  • Specification of manufacturing system capabilities  • Definition of necessary device of module characteristics within  the 

order process 

Engineering phases 

• Development of mechatronic units o Identification o Analysis and modeling 

• Engineering project o Process Planning o Basic Engineering o Detailed Engineering 

 

 

4.4.10. Decomposition of Requirements  

Name  Decomposition of requirements Description  • Requirements  can be given  in different  levels of detail  resulting  in 

different versions of requirement specifications like o Maximal speed is at x m/s o Speed  should  be  limited  at  x  m/s  with  a  maximal 

acceleration of y m/s² o Speed  should  be  limited  at  x  m/s  with  a  maximal 

acceleration of y m/s² with a linear acceleration curve • Decomposition  of  requirements  is  the  process  of  requirement 

concretization by adding more detailed requirements • Examples of requirement decompositions are: 

o More detailed description of an  intended manufacturing process  by  decomposition  of  manufacturing  process steps  like  producing  a  toothbrush  is  decomposed  in 

37 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

producing  the  toothbrush  handle  piece,  producing  the bristle  clusters,  gluing  the  bristle  clusters  in  the toothbrush handle piece, finalization 

o More  detailed  description  of  environmental requirements  by  adding  of  additional  environmental parameters  like  adding  NO2  pollution  data  to  CO2 pollution data 

o More  detailed  description  of  employee  knowledge requirements by detailing  required  scientific knowledge and  professional  skills  like  detailing  the  required knowledge about chemical process to be able to act as a plant supervisor 

Application cases  • Specification of manufacturing system capabilities • Specification of application requirements for mechatronic systems 

Engineering phases 

• Development of mechatronic units o Identification o Analysis and modeling 

• Engineering project o Process Planning o Basic Engineering o Detailed Engineering 

 

 

4.4.11. Requirement driven Test and Validation  

Name  Requirement driven test and validation Description  • Within mechatronic engineering processes requirements are defined 

to be fulfilled by the plant components of the resulting mechatronic system  

• Requirement fulfillment can be checked by comparing requirements with further plant component information 

• Requirement driven test and validation is the process of validation of requirement  fulfillment  by  a  plant  component  or  a  set  of  plant components exploiting the information within plant component and its relations / dependencies / associations / etc. 

Application cases  • Engineering project management and quality control • Acceptance test preparation 

Engineering phases 

• Development of mechatronic units o Identification 

38 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

o Analysis and modeling o Realization 

• Engineering project o Process Planning o Basic Engineering o Detailed Engineering o Commissioning 

4.4.12. Consistency Management  

Name  Consistency management Description  • An important success factor for (mechatronic) engineering processes 

is the avoidance of data  inconsistencies among planning stages and engineering disciplines 

• Consistency management  is the process of  inconsistency avoidance based on  

o Unique object identification of each plant components o One to one relation between plant component and plant 

component, the following terms apply   plant  components  do  not  contain  the  complete 

information about plant component in any case  Information based engineering artefacts  that are 

independent  from  plant  component  are templates  

o Association and dependency management between plant component and facets of plant components e.g.:  

Interface connection management  Behaviour dependency management 

o Automatic actualization of dependencies within different planning objects 

Change tracing and propagation  Delta  views  between  different  planning  stages 

and disciplines • Consistency management provides means to guarantee engineering 

quality  

Application cases  • Combination of planning stages • Version creation based on different working layers • Consistency checks • Change trace of planning stages 

Engineering phases 

• Development of mechatronic units o Identification o Analysis and modeling 

39 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

o Realization • Engineering project 

o Process Planning o Basic Engineering o Detailed Engineering o Commissioning 

4.4.13. Selection of Plant components Based on Requirements  

Name  Selection of plant components based on requirements Description  • The mechatronic engineering process bases on the principle that the 

complete manufacturing system  is designed as aggregation of plant component.  

• The plant components respectively their information representation plant  component  can  be  selected  by  several  criteria  e.g.  cost  or interfaces or requirements fulfill by the plant component 

• The selection process is based on the mapping of requirements to a plant  component  represented  in  a  plant  component  with  the characteristics of a plant component 

Application cases  • Composition of manufacturing system  • Selection of plant components for manufacturing tasks  

Engineering phases 

• Development of mechatronic units o Analysis and modeling o Realization 

• Engineering project o Process Planning o Basic Engineering o Detailed Engineering o Commissioning 

4.4.14. Simulation / Execution of Behaviour Model  

Name  Simulation / execution of behaviour model Description  • Simulation  of  behavior  of  manufacturing  systems  is  one  key 

approach the reduce failure within the different phases of planning  • Behaviour  models  of  plant  component  (uncontrolled  internal 

behavior  of  the  plant  component6)  as  facet  of  the  corresponding 

6 The uncontrolled internal behavior of the MU is the complete behavior a MU can have if no control is active and any external signals are allowed. Is represents the maximal possible behavior an MU can show.

40 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

plant components can be used to create an overall behavior model of MSs 

• Behavior  should  cover  plant  control  sequences  as well  as  internal models of plant components   building of closed loop model 

• Therefore, translation/ aggregation of the behaviour models (control and uncontrolled) of single plant components in on execution model is necessary7  

• Model execution requires execution rules which are basement of the behavior models 

• Simulation  can  be  the  starting  point  for  behavior  validation  and verification 

Application cases  • Virtual commissioning  • Behaviour simulation  

Engineering phases 

• Development of mechatronic units o Analysis and modeling o Realization 

• Engineering project o Detailed Engineering o Commissioning 

 

4.4.15. Plant component Library Management  

Name  Plant component Library Management Description  • For reuse purposes it is necessary to store existing solutions  

• Suitable solution  representations are  libraries of plant components or  plant  component  templates with  adapted management  for  the handling of plant components / templates 

• Usually  library  elements  can  be  seen  as  reference  structures  of useable engineering artefacts,  these artefacts have  to be managed in a proper way to be useable in a efficient and correct way 

• Examples for management task o Handling of separated facets o Constancy over different facets of one plant component o Versioning of plant component o Hierarchical  structures  for  plant  component  (reuse  in 

different levels) o plant component selection based on requirements 

7 For more details about the existing approaches about behavior modeling and generation and application of closed loop models see for example [HHM09].

41 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

Application cases  • Reuse of proved plant components • Project independent development of plant components  • Assembly  of  manufacturing  systems  exploiting  plant  components 

(building set principle) 

Engineering phases 

• Development of mechatronic units o Identification o Analysis and modeling o Realization 

• Engineering project o Process Planning o Basic Engineering o Detailed Engineering o Commissioning 

4.4.16. User Guidance within the Engineering Process  

Name  User guidance within engineering process Description  • Engineering processes  follow predefined application of engineering 

activities, these engineering activities usually have predefined  input data  sets  and  expected  results    it  is  possible  to  automate  the navigation through the course of the engineering activities 

• User  guidance  within  engineering  processes  are  all  actions, capabilities,  guidelines,  etc.  assisting  the  persons  executing  the engineering process within its engineering activities 

• User guidance includes  o First  level  passive  user  guidance  provides  information 

useable  to  understand  and  execute  the  engineering process like help systems and documentations, 

o Second  level  passive  user  guidance  provides  basic engineering  results which  can be applied and  improved within  the  engineering  process  like  pre‐developed templates  

o Third  level  active  user  guidance  analyses  engineering result consistency and quality based on consistency and quality  rules  like observation of  code  syntax within PLC programming 

o Fourth  level  active  user  guidance  provides  active engineering  activity  navigation  through  the  engineering process  with  engineering  result  observation  like Microsoft Office letter assistant 

Application cases  • All engineering activities 

42 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

Engineering phases 

• Development of mechatronic units o Identification o Analysis and modeling o Realization 

• Engineering project o Process Planning o Basic Engineering o Detailed Engineering o Commissioning 

4.4.17. Change Management 

Name  Change Management and Change Impact Analysis Description  • Within the mechatronic engineering process  information within the 

different facets are integrated, enriched, changed or deleted. • Information within  facets may have dependencies,  i.e.  integration, 

enrichment,  changes  or  deletions  of  information within  one  facet may require integration, enrichment, changes or deletions of related information within another facet 

• The  process  of  integration,  enrichment,  changes  or  deletions  of related information can  

o Have multiple levels o Be cyclic o Be executed automatically 

• Change  Management  is  the  engineering  activity  assisting  the execution  of  necessary  integration,  enrichment,  changes  or deletions of related  information caused by  integration, enrichment, change or deletion of information within facets 

Application cases  • Changes of control device interfaces influences wiring planning • Changes in plant structure definition changes E‐CAD • Additional  safety  requirements  causes  additional  PLC  code  and 

additional safety devices which cause additional wiring 

Engineering phases 

• Development of mechatronic units o Identification o Analysis and modeling o Realization 

• Engineering project o Process Planning o Basic Engineering o Detailed Engineering o Commissioning 

43 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

4.4.18. Requirement Fulfillment Tracing 

Name  Requirement Fulfillment Tracing Description  • Manufacturing systems have to fulfill various application conditions 

defined as requirements.  • Fulfillment of requirement  is usually reached by the combination of 

technical and technological means, i.e. the developed manufacturing system will meet the requirements by its components. 

• Requirement fulfillment tracing is the engineering activity  o Associating  plant  components  or  facets  or  content  of 

facets realizing the fact, that a manufacturing system will meet a requirement, to the requirement  

o Providing an overview which requirements are meet and which requirements are not meet 

o Enabling an overview about the effects of changes within plant components or  facets or content of  facets on  the meeting of requirements  

• Requirement  fulfillment  tracing  calls  for  the  continuous  definition and  decomposition  of  requirements  and  the  association  of  plant components or facets or content of facets meeting the requirements during its generation within engineering activities 

Application cases  • Acceptance tests based on paper / digital information • Information  retrieval  for  the  development  of  reinvest  or 

maintenance projects • Project management 

Engineering phases 

• Development of mechatronic units o Identification o Analysis and modeling o Realization 

• Engineering project o Process Planning o Basic Engineering o Detailed Engineering o Commissioning 

 

4.5. Technical Engineering activities 

 

Besides  the generic engineering activities  there are also  technical engineering activities within  the  different  engineering  phases.  These  can  be  described  by  fields  of  activities, whereas each field of activity represents multiple technical engineering activities aiming for 

44 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

the  same  goal‐  The  following  table  gives  an  overview  of  technical  engineering  activities. Pleas  note  that  in  each  application  case  these  activities ma  be  completed  by  others  nit specifically named here. The Technical engineering activities regarding the GRACE reference engineering process are listed in Appendix A. 

 

Fields of activities  Technical engineering activities 

• Creating plant layout drawings

• Arrangement of equipment

• Definition of project/plant structurePlant Layout Design 

• Creating Material flow sheets

• Manufacturing Process Planning 

• Manufacturing Process Simulation & Validation 

• Drafting of CAD/CAM dataManufacturing Engineering 

• Calculate / determine the kinematics of equipment 

• Determine E&IC (EMR/ EMSR)

• Drafting of Electrical diagrams, wiring and circuit diagrams

• Drafting of cable and terminal diagrams, marshalling 

• Planning of switching and control cabinets 

• Hardware and network planning

• Creation of I/O lists, measuring‐point/tag list, set‐point/alarm list

• Cable Planning

• Planning of Power supply system and switching stations

• Grounding Design & Lightning Protection 

Electrical & Power Supply Engineering 

• Planning of Safety features and equipment 

• Specification & configuration of automation hardware 

• Creation of basic automation functions and sequences 

• Closed loop control, continuous functions, batch planning

• Visualization of  interlocks and sequence controllers 

• Engineering /programming of Process control 

• Code generation for PLCs

Automation & Process control 

• HMI programming

• Product definition, production operations 

• Configuration of plant structure

MES modeling & configuration 

• Machine functionality & behavior

45 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

Fields of activities  Technical engineering activities 

• Equipment and process specific  production rules 

• Detailed production scheduling

• Production resource management

• Building design, architecture & construction drawing Civil Engineering / Steel Structures / Auxiliaries   • Fundation, concrete and steel structure layout 

• Mechanical construction 2D/3D 

• Planning of equipments / components 

• Crane Design Mechanical Engineering 

• FEM calculations, stress analysis 

 

 

46 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

5. Interrelation model of product quality and engineering process  

5.1. Derivation of the interrelation model 

One  of  the  main  aims  of  the  GRACE  Project  is  to  significantly  raise  the  quality  of manufactured products and improve the related processes. Therefore four research working packages were  defined. While WP1, WP2  and WP3  are  directly  dealing with  the  quality related  processes  and  equipment  of  a  production  line  and  their  integration  within production/assembly  related  processes, WP4  –  Engineering Methodology  is  not  explicitly related to the product’s quality properties. Never the less, there is a significant influence and indirect interrelation of both of them.  

The objective of the engineering is  

• to  create  engineering  artefacts  (models,  documents  and  data  sheets)  which define  and  specify  all  properties  of  the  technological  (manufacturing)  process, used equipment and the technical (automation) system from all required point of views and 

• to  provide  these  information  in  a  level  of  abstraction,  completeness  and consistency that guarantees the correct physical realization of the manufacturing process and the manufacturing facility with regards to the requirements (product properties, production properties, safety properties, etc.). 

The engineering of  a manufacturing  facility  consists of  activities, engineering  artefacts (results)  and  roles  (e.g.  technical  disciplines).  Structuring  these  elements  leads  to  the engineering process, where activities, artefacts and roles are grouped in engineering phases and processes owned by an actor. The final result of an engineering process is the physically existing manufacturing system. This is where the direct influence of the engineering process typically ends (see Figure 20). 

 

47 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

 Figure 20: Engineering defining the manufacturing system 

From  this point  the  influence of  the engineering  is only of  indirect manner. Revealing these indirect interdependencies is one of the main tasks in WP 4 in order to understand the effects  of  integrated  process  and  quality  control  to  manufacturing  systems  engineering activities,  to  do  systematic  elaboration  of  required  changes  in  manufacturing  systems engineering and to develop new engineering methodology accordingly. 

 The manufacturing system is producing the products. Therefore the process and quality related  properties  of  the  manufacturing  system  are  directly  influencing  the  product properties and quality. This way  the engineering  is  important  for  the product quality as  it defines indirectly how manufacturing system ensures this quality. Also other parameters are directly  set within  the engineering, e.g.  the  fault  tolerance of  a production  component  is defined within the engineering process. A high fault tolerance e.g. regarding the positioning of  the  product  component  to  be  processed  leads  to  a  better  product  quality  as  it  is processed  in  the  right way  (e.g. position of drill holes  are  adjusted  regarding  the  current workpiece position). 

Figure 21 shows how the production process is influencing the product properties. 

 

48 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

 Figure 21: Manufacturing system influencing the product properties 

Figure 21Figure  22  shows  the  enlarged  Cause‐Effect‐Chain  diagram  of  a  production  line 

manufacturing process of  . From left to right the logical order of manufacturing and quality  control  stations  is  depicted.  At  the  end  stands  a  product  with  a  defined  set  of properties  created  and  affected  by  the  manufacturing  stations.  Related  to  each manufacturing  station  is  the  part  entering  the  production  process  at  this  station,  e.g.  a motor  that  is  attached  to  the washing unit. Also each manufacturing  station has  a  set of production parameters. These could be technical parameters (like torque, force, geometrics, …) or a parameter called “human operation” which means  that  this manufacturing step  is done by a human operator. This differentiation is done because technical parameters could be influenced by the engineering process while human operators can’t be “engineered”. 

 

 

Figure 22: Cause‐Effect‐Chain for the production process 

 

49 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

The  last missing  link  from  the  product  properties  to  the  product  quality  is  normally established at first. It is the establishment of a systematic product quality model defining the dependencies between product quality and product properties (see Figure 22). One method to define such a model is the House of Quality (see [Ham11]), which is exemplary explained in the following. 

 

 Figure 23: Product properties defining the product quality 

The House of Quality is also shown enlarged in Figure 24. It contains eight arrays / blocks (so called “rooms”) describing the relation between the technical engineering of a product and the costumer requirements regarding a product. Within work package 4 only two of the rooms are from interest. 

• the main room – defining the relation between the product quality features and the product properties and 

• the roof – describing the dependencies among the product properties. 

The main room is a simple matrix. For each product quality feature is depicted whether a property  influences  it positive, negative or  if  there  is no dependency. This  scale  is mostly distributed over five values (strong positive effect, positive effect, no effect, negative effect, strong negative effect) but could also be scaled individually. 

Within WP4  these dependencies enable  the  tracking of product properties  to product quality and thus the tracking of the indirect influences of the engineering on product quality. 

The  roof  of  the House  of Quality  shows  the  dependencies  among  the  single  product properties.  This  is  a  very  useful  input  regarding  the  dependency  analysis,  as  it  limits  the optimization possibilities. E.g.  if the washing machine  is to heavy (e.g. regarding transport) and  in  parallel  shows  not  enough  stability  during  the  spin  cycle,  one  optimization opportunity would be to  increase the mass of the counter weights to  improve the stability. But this would negatively affect the quality regarding transportability. So other optimization 

50 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

potentials should be exploited, e.g. improving the quality of bearing insertion and therefore reducing vibrations. 

Although  this  is a very  simple example  it  shows  the  importance  to known as much as possible about the dependencies among product properties. 

 

 Figure 24: House of Quality [SKC02] 

Figure 25  shows  the complete causal chain  in which  the engineering  is  influencing  the quality of a manufactured product. 

 

51 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

 Figure 25: causal chain for engineering influencing product quality 

Hence, the importance of the engineering methodology to the GRACE Project is not only towards ensuring industrial applicability but also towards systematically defining all required properties of the manufacturing system that target the quality of manufactured products. 

 

5.2. Integrated meta‐model for engineering, product properties and product quality 

 

Based  on  the  results  of  section  5.1  a meta‐model  can  be  developed  integrating  the dependencies between engineering, product properties and product quality. Like shown  in Figure  18  the  lowest  layer  in  the  engineering  processes  is  the  engineering  activities  and engineering artefacts. While the engineering activities output the artefacts, those artefacts themselves are defining the manufacturing system with  its production  lines, quality control and manufacturing stations as well as the testing and production steps.  

From a hierarchical view  the whole manufacturing  system  is producing a product. This product is an aggregation of its product components which are produced by production lines. These production  lines  consist of quality  control  stations and manufacturing  stations. The quality  control  stations  are  testing  the  quality  of  a  product  component  while  the manufacturing stations are processing these components. Processing  in this context means creating, transforming or assembling components. 

The product  components  can be  seen  as  an  aggregation of product properties.  These properties  can  be  dissected  into  quality  related  properties  and  non‐quality  related properties.    Each manufacturing  station  consists  of  one  or more  production  steps.  These steps are directly  influencing the product properties by defining, setting or changing them. The  quality  control  station  correspondingly  consists  of  testing  steps,  which  are  directly 

52 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

measuring  the  quality  related  product  properties.  These  quality  related  properties  are  in total defining the Product quality. This interrelation was described before in Figure 24. 

The  before  described  integrated meta‐model  for  engineering,  product  properties  and product quality is shown in Figure 26. 

 

 Figure 26: Meta‐model for engineering and product quality 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

53 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

References  

[AQU10a]  AQUIMO Konsortium: Aquimo project web page. www.aquimo.de, 15.03.2011. 

[AQU10b]  AQUIMO  Konsortium: Aquimo  Adaptierbares  Moldellierungswerkzeug  und Qualifizierungsprogramm  für den Aufbau  firmenspezifischer mechatronischer Engineeringprozesse ; ein Leitfaden für Maschinen‐ und Anlagenbauer. VDMA‐Verl, Frankfurt, M, 2010. 

[Dra10]  Drath,  R.  Hrsg.: Datenaustausch  in  der  Anlagenplanung mit  AutomationML Integration von CAEX, PLCopen XML und COLLADA. Springer, Berlin, 2010. 

[DWM08]  Drath, R.; Weber, P.; Mauser, N.: An evolutionary approach for the  industrial introduction of virtual commissioning.  In: 2008  IEEE Conference on Emerging Technologies & Factory Automation. ETFA 2008 ; Hamburg, Germany, 15 ‐ 18 September 2008. IEEE, Piscataway, NJ, 2008. 

[Elg07]  Elger, J.: Das Internet der Dinge ‐ Der Weg zur modularen Automatisierung. In 25.  Dortmunder  Gespräche,  Bundesvereinigung  Logistik  in Kooperation/Fraunhofer Institut für Materialfluss und Logistik, 2007. 

[Enc11]  Encyclopedia Britannica: Engineering.   http://www.britannica.com/EBchecked/topic/187549/engineering, 21.03.2011. 

[Foe10]  Foehr, M.: Wiederverwendungskonzepte  für das mechatronische Engineering der Fabrikautomation Diplomarbeit, Magdeburg, 2010. 

[Ham11]  Hammer,  E.: House  of  Quality  (HoQ).  http://www‐classic.uni‐graz.at/inmwww/NEU/lehre/pdf/Hammer_House_of_Quality.pdf,  21.03.2011. 

[HHM09]  Hanisch, H.‐M.; Hirsch, M.; Missal, D.; Preusse, S.; Gerber, C.: One Decade of IEC 61499 Modeling and Verification ‐ Results and Open Issues. In: IFAC ‐ 13th Symposium  on  Information  Control  Problems  in Manufacturing.  INCOM'09; Moscow, Russia; June 3‐ 5, 2009. preprints, 2009; S. 211–216. 

[JMG10]  Jazdi,  N.;  Maga,  C.;  Göhner,  P.;  Ehben,  T.;  Tetzner,  T.;  Löwen,  U.: Mehr Systematik  für  den  Anlagenbau  und  das  industrielle  Lösungsgeschäft  — Gesteigerte  Effizienz  durch  Domain  Engineering.  In  at  ‐ Automatisierungstechnik, 2010, 58; S. 524–532. 

[Jos00]  Jost,  P.: Identifizierung  von  Komponenten  für  Domänen  in  der Automatisierungstechnik.  In: Fachtagung  Verteilte  Automatisierung. Magdeburg, 22 ‐ 23 März 2000, 2000. 

54 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

[Jos07]  Jost,  P.: Evolutionäres  Domain‐Engineering  zur  Entwicklung  von Automatisierungssystemen. Shaker; Univ, Aachen, Stuttgart, Stuttgart, 2007. 

[Kie07]  Kiefer, J.: Mechatronikorientierte Planung automatisierter Fertigungszellen im Bereich  Karosserierohbau.  Univ.  des  Saarlandes  Lehrstuhl  für Fertigungstechnik, Saarbrücken, Saarbrücken, 2007. 

[LHF10]  Lüder,  A.;  Hundt,  L.;  Foehr,  M.;  Holm,  T.;  Wagner,  T.;  Zaddach,  J.‐J.: Manufacturing system engineering with mechatronical units.  In: 2010  IEEE Conference  on  Emerging  Technologies &  Factory  Automation.  ETFA  2010  ; Bilbao, Spain, 13 ‐ 16 September 2010. IEEE, Piscataway, NJ, 2010; S. 1–8. 

[MED10]  The MEDEIA Consortium: MEDEIA – Model‐Driven Embedded Systems Design Environment  for  the  Industrial  Automation  Sector  Whitepaper. http://www.medeia.eu/fileadmin/Publications/MEDEIA_WhitePaper_V001_2010‐03‐16.pdf, 15.03.2011. 

[MET10]  ID‐Consult  GmbH: METUS  ‐  The  System  Design  Method.  http://www.id‐consult.com/metus‐software/, 14.03.2011. 

[OLK00]  van  Ommering,  R.;  van  der  Linden,  F.;  Kramer,  J.;  Magee,  J.: The  Koala component  model  for  consumer  electronics  software.  In  IEEE  Computer Society Press, 2000, 33; S. 78–85. 

[PAB08]  PABADIS’PROMISE  consortium: Industrial  Application  of  the PABADIS’PROMISE System – white paper. www.pabadis‐promise.org, October 2008. 

[Sch99]  Schnieder,  E.: Methoden  der  Automatisierung  Beschreibungsmittel, Modellkonzepte  und  Werkzeuge  für  Automatisierungssysteme  ;  mit  56 Tabellen. Vieweg, Braunschweig, 1999. 

[ScS05]  Schäppi,  B.;  Schäppi‐Andreasen‐Kirchgeorg‐Radermacher: Handbuch Produktentwicklung. Hanser, München, 2005.

[SKC02]  Shin, J.‐S.; Kim, K.‐J.; Chandra, M. J.: Consistency check of a house of quality chart. In International Journal of Quality & Reliability Management, 2002, 19; S. 471–484. 

[SRE08]  Strasser,  T.;  Rooker, M.;  Ebenhofer, G.; Hegny,  I.; Wenger, M.;  Sunder,  C.; Martel,  A.;  Valentini,  A.: Multi‐domain  model‐driven  design  of  Industrial Automation  and  Control  Systems.  In: 2008  IEEE  Conference  on  Emerging Technologies & Factory Automation. ETFA 2008 ; Hamburg, Germany, 15 ‐ 18 September 2008. IEEE, Piscataway, NJ, 2008; S. 1067–1071. 

55 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

[UlE08]  Ulrich,  K.  T.;  Eppinger,  S.  D.: Product  design  and  development.  McGraw‐Hill/Irwin, Boston, 2008. 

[VDI2206]  VDI2206: Entwicklungsmethodik  für mechatronische  Systeme.  Beuth,  Berlin, 2004. 

[VDI3695]  VDI3695: Engineering  von  Anlagen  ‐  Evaluieren  und  optimieren  des Engineerings. Beuth, Berlin, 2009. 

[VDI4499‐1]  VDI4499 ‐ Blatt 1: Digitale Fabrik ‐ Grundlagen. Beuth, Berlin, 2008. 

[VDI4499‐2]  VDI4499 ‐ Blatt 2: Digitale Fabrik. Beuth, Berlin, 2009. 

[VDI5200]  VDI5200: Fabrikplanung ‐ Planungsvorgehen. Beuth, Berlin, 2009. 

[WHE10]  Wagner, T.; Hausner, C.; Elger, J.; Löwen, U.; Lüder, A.: Engineering Processes for  Decentralized  Factory  Automation  Systems.  In: Factory  automation, INTECH, 2010; S. 1–28. 

 

 

56 

57 

Deliverable D4.1  Document defining the engineering process reference model

Appendix A – GRACE engineering process reference model