Modularisierung

engl.: modularisation

Modularisierung bezeichnet das Aufteilen einer Aufgabe in mehrere in sich abgeschlossene Teilaufgaben derart, dass diese unabhängig voneinander gelöst werden können. Die so realisierten autonomen und rekonfigurierbaren Systembausteine bezeichnet man als Module.

Allgemeine Eigenschaften von Modulen

Das der Modularisierung zu Grunde liegende Merkmal ist die Gliederung eines Gesamtsystems in mehrere kleine, in sich abgeschlossene und austauschbare Subsysteme. Diese Subsysteme bzw. Module bilden funktionsfähige Einheiten, die einen an das jeweilige Modul weitergeleiteten Input in einen definierten Output überführen. Voraussetzung für das Erbringen dieser Leistung ist die Versorgung des Moduls mit Material-, Medien-, und Informationsflüssen und erfolgt über standardisierte Schnittstellen, die das Modul und seine Umgebung miteinander verbinden.

Gestaltungsregeln für die Modularisierung

Die Modularisierung basiert auf strategischen Aspekten unter besonderer Berücksichtigung der Wandelbarkeit. Bei der Gestaltung von Modulen kommt den Methoden Hierarchisierung, Abstraktion und Kapselung eine zentrale Bedeutung zu. Das Zusammenfassen von Modulen beziehungsweise deren Zerlegung in Submodule erzeugt eine Strukturierung der Fabrik in hierarchische Ebenen. Der konkrete Aufbau, d.h. die Konfiguration aller Module lässt sich durch eine Struktur-Hierarchie darstellen. Es handelt sich dabei um eine "part of"- Hierarchie, auch Aggregation genannt. Durch die Hierarchisierung wird die Komplexität der Strukturen verringert und die Transparenz für alle Planungs- und Entscheidungsbeteiligten erhöht [1].

Die Abstraktion stellt eine leistungsstarke Technik zur Komplexitätsbeherrschung dar. Durch Weglassen unwichtiger Details und Erkennen von Gemeinsamkeiten gibt sie die wesentlichen Charakteristika eines Moduls an, die es von allen anderen Modulen unterscheidet, wobei klar definierte konzeptionelle Grenzen gesetzt werden. Die Abstraktion konzentriert sich auf das beobachtbare Verhalten der Module [2].

Die Kapselung verbirgt die Details der Realisierung eines Moduls. Abstraktion und Kapselung sind einander ergänzende Konzepte. Die Kapselung konzentriert sich auf den konkreten inneren Aufbau eines Moduls und dient dazu, die Schnittstelle einer Abstraktion und ihre Implementierung voneinander zu trennen. Sie stellt eine klare Trennung zwischen der Bedienerschnittstelle und dem inneren Aufbau des Moduls sicher. Die Bedienung eines Moduls, d.h. die Ansteuerung der damit realisierbaren Produktions-(teil-)aufgabe, muss möglich sein, ohne den genauen technischen Aufbau des Moduls zu kennen.

 
Abbildung 1: Das Modul als Black Box

Jedes Modul ist eine in sich geschlossene Einheit. Änderungen im Inneren des Moduls, welche seine Schnittstelle unverändert lassen, haben keine Rückwirkungen auf das übrige System. Die Struktur jedes Moduls sollte so einfach sein, dass es vollständig verstanden werden kann. Es soll dadurch möglich sein, die innere Struktur von Modulen ohne Kenntnis des Ganzen und der übrigen Module zu verändern. Dadurch kann jedes Modul separat entwickelt und getestet werden [1]. Die Korrektheit eines Moduls ist ohne Kenntnis seiner Einbettung in das Gesamtsystem prüfbar. Der Modulbegriff läßt sich mit Hilfe folgender vier Punkte definieren:

• Ein Modul ist in der Lage, eine in sich geschlossene Aufgabe vollständig zu erledigen.
• Die Kommunikation eines Moduls mit der Außenwelt darf nur über eine eindeutig spezifizierte Schnittstelle erfolgen.
• Zur Integration eines Moduls in ein System ist keine Kenntnis seines inneren Aufbaus erforderlich.
• Die Korrektheit eines Moduls muss ohne Kenntnis seiner Einbettung in ein System nachprüfbar sein.

Funktionsorientierte Modularisierung

Bei der funktionsorientierten Modularisierung wird das Materialflusssystem aus mechatronischen, dezentral gesteuerten Modulen aufgebaut, deren Modulgrenzen entsprechend der Funktionalität gezogen und über eine gemeinsame hierarchielose Kommunikationsschicht miteinander verbunden sind [3, 4].

Die Module lassen sich nach außen hin wie Black Boxes mit standardisierten Schnittstellen betrachten und können in ihrem Inneren hersteller- und aufgabenspezifisch ausgeführt werden.

Ein mechatronisches Modul ist zum Beispiel ein Fahrzeug einer Elektrohängebahn. Dieses besteht wiederum aus Elementen wie Antrieb, Fahrwerk etc. Je nach Granulierung lassen sich einzelne Module zu Subsystemen (z. B. Lagerbereich, Elektrohängebahnsystem etc.) zusammenfassen. Die Anzahl der Hierarchiestufen ist dabei variabel, solange die betrachteten Module immer eigenständige Funktionseinheiten mit klaren, eindeutigen Schnittstellen darstellen.

Über die mechatronische Schnittstelle lassen sich die Module zusammenschalten. Dabei vereinigen sich die Funktionalitäten, Leistungsfähigkeiten und Schnittstellen der Module in einem größeren Subsystem. Verschmelzen bei diesem Prozess die Systemgrenzen der Basismodule, so stellt das neue Modul/Subsystem die kleinste eigenständige Funktionseinheit dar.

Die Modulgrenzen sind auf der mechanischen, der energetischen und der steuerungstechnischen Ebene identisch. Somit lassen sich die Module unabhängig voneinander testen, in Betrieb nehmen und austauschen. Parallel- und Teilinbetriebnahmen bzw. Vorabtests beim OEM sind möglich. Dies verkürzt die Inbetriebnahmezeiten. Außerdem erhöht sich die Verfügbarkeit des Gesamtsystems, da die Applikationen vor Ort im Gerät autark ablaufen und Steuerungsfehler sich eindeutig dem ausgefallenen Modul zuordnen lassen.

Abbildung 2: Methodisches Vorgehen bei einer funktionsorientierten Modularisierung

Merkmale guter Modularisierung

Eine gute Modularisierung läßt sich über folgende zehn Merkmale definieren [5]:

• Modulgeschlossenheit: Ein Modul ist für eine in sich geschlossene Aufgabe zuständig.
• Modulbindung (intern): Die Modulbindung bezeichnet die Summe der Beziehungen, die zwischen den untergeordneten Modulen bestehen. Sie sollte möglichst stark sein, d.h. es sollte keine Module geben, die in keinem Zusammenhang zueinander stehen.
• Modulkopplung (extern): Die Modulkopplung drückt aus, wie stark verschiedene Module untereinander verbunden sind. Je größer die Modulkopplung ist, desto mehr Schnittstellen gibt es, die beachtet werden müssen. Dies erhöht die Gefahr von Fehlern.
• Minimalität der Schnittstelle: Die Minimalität der Schnittstelle steht in engem Zusammenhang mit der Modulkopplung. Je kleiner die Schnittstelle eines Moduls ist, desto geringer ist die Gefahr einer hohen Modulkopplung.
• Modulgröße: Die optimale Modulgröße bzw. Modulanzahl liegt dort, wo die Gesamtkomplexität des Systems am geringsten ist. Diese ergibt sich aus der Summe von Modulkopplungs- und Modulbindungskurve. Einen gleich bleibenden Funktionsumfang des Systems vorausgesetzt, nimmt die Modulkopplung mit steigender Anzahl der Module zu, während die Modulbindung mit steigender Anzahl der Module abnimmt.

Gestaltungsregeln für die Modularisierung

Die Modularisierung basiert auf strategischen Aspekten unter besonderer Berücksichtigung der Wandlungsfähigkeit (siehe auch Wandelbarkeit). Bei der Gestaltung von Modulen kommt den Methoden Hierarchisierung, Abstraktion und Kapselung eine zentrale Bedeutung zu. Das Zusammenfassen von Modulen beziehungsweise deren Zerlegung in Submodule erzeugt eine Strukturierung der Fabrik in hierarchische Ebenen. Der konkrete Aufbau, d.h. die Konfiguration aller Module lässt sich durch eine Struktur-Hierarchie darstellen. Es handelt sich dabei um eine "part of"- Hierarchie, auch Aggregation genannt. Durch die Hierarchisierung wird die Komplexität der Strukturen verringert und die Transparenz für alle Planungs- und Entscheidungsbeteiligten erhöht [2]. Die Abstraktion stellt eine leistungsstarke Technik zur Komplexitätsbeherrschung dar. Durch Weglassen unwichtiger Details und Erkennen von Gemeinsamkeiten gibt sie die wesentlichen Charakteristika eines Moduls an, die es von allen anderen Modulen unterscheidet, wobei klar definierte konzeptionelle Grenzen gesetzt werden. Die Abstraktion konzentriert sich auf das beobachtbare Verhalten der Module [1]. Die Kapselung verbirgt die Details der Realisierung eines Moduls. Abstraktion und Kapselung sind einander ergänzende Konzepte. Die Kapselung konzentriert sich auf den konkreten inneren Aufbau eines Moduls und dient dazu, die Schnittstelle einer Abstraktion und ihre Implementierung voneinander zu trennen. Sie stellt eine klare Trennung zwischen der Bedienerschnittstelle und dem inneren Aufbau des Moduls sicher. Die Bedienung eines Moduls, d.h. die Ansteuerung der damit realisierbaren Produktions-(teil-)aufgabe, muss möglich sein, ohne den genauen technischen Aufbau des Moduls zu kennen.

 
Abbildung 3: Optimale Anzahl der Module

Testbarkeit: Eine gute Testbarkeit eines Moduls ist dann gegeben, wenn seine Korrektheit ohne Kenntnis seiner Einbettung in ein Gesamtsystem überprüft werden kann. Das bedeutet, dass sich eine hohe Modulkopplung negativ auf die Testbarkeit auswirkt. Interferenzfreiheit: Die Interferenzfreiheit sagt aus, dass ein Modul keine unerwünschten Nebenwirkungen auf andere Module ausübt. Nur so ist es möglich, ein Modul durch ein anderes Modul mit derselben Schnittstellendefinition zu ersetzen. Interferenzfreiheit ist also ein wichtiges Kriterium für die Änderbarkeit und Erweiterbarkeit eines Produktionssystems. Sie ist nicht gegeben, wenn ein Modul mehrere Aufgaben bearbeitet oder eine Aufgabe auf mehrere Module verteilt ist. Importzahl: Die Importzahl gibt an, wie viele weitere Module für die Implementierung eines Moduls benutzt werden. Eine hohe Importzahl kann ein Indiz für eine hohe Modulkopplung sein und damit auf mögliche Interferenzen hinweisen. Verwendungszahl: Die Verwendungszahl eines Moduls gibt an, von wie vielen anderen Modulen es benutzt wird. Eine hohe durchschnittliche Verwendungszahl ist ein Indiz für eine hohe Wiederverwendbarkeit. Modulhierarchie: Bei der Modularisierung ist auf eine geeignete Hierarchisierung zu achten.

Abbildung 4: Merkmale guter Modularisierung

Quellen

[1] Blaschek, G.; Pomberger, G.: Software-Engineering: Prototyping imd objektorientierte Software-Entwicklung , Carl Hanser Verlag, München, Wien.

[2] Pouget, P.: Ganzheitliches Konzept für rekonfigurierbare Produktionssysteme auf Basis autonomer Produktionsmodule, Düsseldorf: VDI Verlag 2000.

[3] Günthner, W.; Wilke, M.: 21. Dortmunder Gespräche, 2003, Materialflusstechnologie - Anforderungen und Konzepte für wandelbare Materialflusssysteme.

[4] Wilke, M.: Wandelbare automatisierte Materialflusssysteme für dynamische Produktionsstrukturen (Dissertation), München: Herbert Utz Verlag 2006.

[5] Klußmann, J.; Löllmann, F.; Nofen, D.; Wiendahl, P.: Regelkreisbasierte Wandlungsprozesse - Wandlungsfähigkeit auf Basis modularer Fabrikstrukturen, In: wt Werkstatttechnik online, H.4, 1993.