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06.11.2009

Sechs Entwicklungs­trends bei MES

Manufacturing Execution Systeme (MES) etablieren sich zunehmend. Angesiedelt in der Fertigungsleit­ebene stellen sie die Schnittstelle zwischen der Unternehmensleitebene und den Prozessführungssystemen sowie der Automatisierungstechnik dar...

Manufacturing Execution Systeme (MES) etablieren sich zunehmend. Angesiedelt in der Fertigungsleit­ebene stellen sie die Schnittstelle zwischen der Unternehmensleitebene und den Prozessführungssystemen sowie der Automatisierungstechnik dar. Mit weiter steigender Akzeptanz erhöhen sich auch die Anforderungen an die MES der Zukunft. Dr. Olaf Sauer vom Fraunhofer IITB hat sechs Trends herausgearbeitet, denen die MES-Entwicklung folgt.

Dr.-Ing. O. Sauer ist Leiter des Ge­schäftsfelds Leit­systeme am Fraunhofer Institut für Informations- und Datenver­arbeitung (IITB) in Karlsruhe

Dr.-Ing. O. Sauer ist Leiter des Ge­schäftsfelds Leit­systeme am Fraunhofer Institut für Informations- und Datenver­arbeitung (IITB) in Karlsruhe

„MES entwickeln sich zu Informations-Drehscheiben in der Fabrik. Sie unterstützen die in der VDI 5600 [1] definierten MES-Aufgaben“, sagt Dr.- Ing. O. Sauer, Leiter des Geschäftsfelds Leitsysteme am Fraunhofer Institut für Informations- und Datenverarbeitung (IITB) in Karlsruhe. Aufgrund neuer Anforderungen an die Produktion, der Dezentralisierung von Datenverarbeitungskapazität und Technologieentwicklungen in der IT erkennt es sechs Trends, die für MES von morgen relevant sind:

 

1. MES werden zukünftig voll an Systeme der digitalen Fabrik angekoppelt sein. Ziel ist unter anderem die permanente Planungsbereitschaft. Das heißt, sobald sich Änderungen in der Produktion ergeben, werden diese in den beteiligten Systemen nachgeführt.

2. MES der Zukunft werden mit der unterlagerten Fertigungsebene vertikal integriert sein. Dies geschieht in der Form, dass Standard „Plug-and-work“-Mechanismen diese Integration unterstützen. Das bedeutet, dass Anlagenbeschreibungen oder ergänzende Daten aus der digitalen Fabrik automatisch an das MES gesandt werden.

3. MES werden zukünftig durch mitlaufende Simulatoren unterstützt. Dabei fungiert der Simulator quasi als Frontend zum Anwender im Sinn einer Realtime-Simulation, sodass der Nutzer unmittelbar und effektiv auf unvorhergesehene Ereignisse in der Produktion reagieren kann.

4. Auf der MES-Ebene werden einzelne MES-Komponenten auch unterschiedlicher Hersteller horizontal integriert sein. Dies erfolgt durch Instrumente wie Ontologien und syntaktisch durchgängige Beschreibungen, einen serviceorientierten Aufbau und durchgängiges Datenmanagement.

5. MES der Zukunft sind skalierbar bis hin zur Unterstützung dezentral selbstorganisierender Produktion. Betriebsdatenerfassung wird durch automatische Erfassung, zum Beispiel durch RFID-Systeme, abgelöst.

6. MES werden den Anwendern rollen-, situations- und kontextbezogen Informationen zur Verfügung stellen, die diese benötigen, um exakt ihre Aufgabe im Prozess zu erfüllen.

 

Volle Kopplung an die digitale Fabrik

Werkzeuge der digitalen Fabrik kommen heute hauptsächlich zur Planung von Produktionssystemen zum Einsatz [3]; den operativen Betrieb hingegen unterstützen MES. „Daten werden zwischen beiden Systemwelten derzeit jedoch noch nicht in dem Maß ausgetauscht, wie es wirtschaftlich sinnvoll wäre“, stellt Dr. O. Sauer fest.

Durch das absehbare Zusammenwachsen von Planung und Betrieb ergibt sich ein Bedarf an Standardisierung, zum Beispiel von Schnittstellen zwischen den Systemwelten. Das Fraunhofer Institut für Informations- und Datenverarbeitung (IITB) mit seinem Geschäftsbereich Leitsysteme arbeitet daran, Daten aus der digitalen Fabrik für Manufacturing Execution Systems nutzbar zu machen. „Dazu zählt beispielsweise, dass Daten, die zur Projektierung von MES erforderlich sind, in einem neutralen Austauschformat aus Werkzeugen der digitalen Fabrik ausgelesen und der MES-Projektierung zur Verfügung gestellt werden“, verdeutlicht der Spezialist. „In der digitalen Fabrik werden Anlagenstruktur, Anlagenparameter, Fertigungsabläufe und Anordnung von Anlagen gehalten – Daten, die das Engineering von MES ebenfalls benötigt“, sagt er weiter. Es werden seiner Meinung nach zukünftig die in den Werkzeugen der digitalen Fabrik abgelegten Informationen genutzt, um Produktionsanlagen und überlagerte IT-Systeme zu parametrieren, virtuell in Betrieb zu nehmen und virtuell zu betreiben. Dabei sollen die entsprechenden operativen IT-Systeme möglichst schon zur Inbetriebnahme der geänderten oder neuen Produktionsanlagen voll verfügbar sein. „Dazu müssen sich MES nahtlos mit Werkzeugen zur virtuellen Inbetriebnahme verbinden lassen“, nennt er als Anforderung.

Grafische Darstellung zur Verdeutlichung der Einordnung von MES [1, 2]

Grafische Darstellung zur Verdeutlichung der Einordnung von MES [1, 2]

Simulation als Frontend

Im Zug eines Projekts in der Automobilindustrie wurde bereits ein mitlaufender Simulator für ein Produktionsleitsystem entwickelt [6]. „Sobald an einer Produk­tionsanlage eine Störung auftritt, prognostiziert der Simulator die zu erwartende Ausbringung und die Pufferstände in den kommenden Schichten“, erklärt Dr. O. Sauer. Für den Anwender ergibt sich der unmittelbare Nutzen dadurch, dass Auswirkungen von Störungen in komplexen Produktionssystemen sofort transparent werden. „Dem Anwender bleibt damit ein größerer Spielraum, um Gegenmaßnahmen einzuleiten und diese mithilfe des Simulators zu testen“, nennt er den Vorteil. In Bild 3 ist die Benutzeroberfläche des sogenannten Produktionsassistenten dargestellt. Er nutzt die Oberfläche des Laufzeitsystems und ist über Software-Agenten direkt mit dem Laufzeitsystem verbunden. „Darüber hinaus können zukünftige MES dem Anwender Vorschläge machen, mit welchen Maßnahmen unvorhergesehene Ereignisse schnell abzustellen sind“, lautet die Prognose des Experten.

MES der Zukunft: frühzeitige Kopplung von Planung und Betrieb [5]

MES der Zukunft: frühzeitige Kopplung von Planung und Betrieb [5]

Vertikale Integration mit der Fertigungsebene

Produktionssysteme werden ständig angepasst, weil sich Änderungen an den Produkten ergeben, Kapazitäten aufgrund schwankender Bedarfe neu justiert werden müssen oder rationellere Fertigungstechnologien eingesetzt werden. „In der Praxis führen Änderungen an Produktionsanlagen nicht nur zum räumlichen ,Verschieben‘ von Anlagen innerhalb eines Werks, sondern vor allem zu Anpassungen an der steuernden Software von Maschinen und Anlagen, wie SPS, sowie an der Informa­tionstechnik, die den unmittelbaren Anlagensteuerungen überlagert ist“, informiert Dr. O. Sauer. CIRP, die internationale Organisation produktionstechnischer Wissenschaftler, bezeichnet diese Fähigkeit zur permanenten Änderung als zukünftigen strategischen Wettbewerbsvorteil von Fabriken und Produktionssystemen [7]. Unter „Plug-and-work“ wird im Folgenden die automatische Erkennung von Anlagen im übergeordneten MES verstanden.

„Das Fraunhofer IITB arbeitet konkret an standardisierbaren Methoden, Software-Komponenten und Anwendungen, mittels derer Produktionsanlagen einfach, schnell und sicher in ein Produktionssystem integriert werden können bzw. Änderungen an Anlagen und deren Steuerungen automatisch in der überlagerten IT weitergeleitet werden [8]“, informiert Dr. O. Sauer über Tätigkeiten aus dem eigenen Haus. „Dazu werden existierende Standards genutzt – und zwar zur Beschreibung der statischen Eigenschaften von Produktionsanlagen, zum Beispiel CAEX (Computer Aided Engineering Exchange) und OPC UA für dynamische Komponenten“, sagt er weiter. CAEX wird in der Prozessindustrie eingesetzt, um den Aufbau und die Struktur verfahrenstechnischer Anlagen zu beschreiben, OPC UA dagegen für steuerungsrelevante Variab­len, deren Werte sich während der Produktion dynamisch verändern. „Dabei liefern Anlagen und ihre Steuerungen Dateien, die ihre Fähigkeiten beschreiben, in CAEX nach IEC-PAS-62424 [9]. Über Transformationen werden die Dateien in projektierungs- und visualisierungsrelevante Anteile aufgeteilt und daraus entweder Prozessführungsbilder automatisch erzeugt oder die Daten in eine Datenbank eingelesen, aus der jeweils EA- und Anlagenprojektierung für das Prozessabbild des Laufzeitsystems generiert werden [10]“, erklärt der Leitsystem-Spe­zialist.

Simulation als Frontend von MES am Beispiel eines Produktionsassistenten. Der Produktionsassistent ist eine Zusatzfunktionalität in „ProVis.Agent“. Er simu­liert die Ausbringung/Pufferstände in den kommenden Schichten und ist schon heute über Agententechnologie eingebunden

Simulation als Frontend von MES am Beispiel eines Produktionsassistenten. Der Produktionsassistent ist eine Zusatzfunktionalität in „ProVis.Agent“. Er simu­liert die Ausbringung/Pufferstände in den kommenden Schichten und ist schon heute über Agententechnologie eingebunden

Horizontale Integration

Aufgrund der arbeitsteiligen Organisation und der Charakteristik der variantenreichen Serienproduktion existieren beispielsweise in der Automobilindustrie für die verschiedenen MES-Aufgaben eigenständige IT-Systeme. „Diese Systeme arbeiten heute meist ohne Datenaustausch und Verbindung zu anderen MES-Komponenten. Ziel der Automobilhersteller ist es, die Einzelsysteme in den kommenden Jahren mitei­nander zu verbinden, um damit Synergiepotenziale auszuschöpfen. Damit wird es möglich, Entscheidungen, die auf der Werkstattebene getroffen werden, transparent und durchgängig zu unterstützen, zum Beispiel im Fall einer Maschinen-/Anlagenstörung die Auswirkungen auf Just-in-Sequence-Teile zu verdeutlichen“, verdeutlicht Dr. O. Sauer die Potenziale.

Als Haupttreiber für neue, integrierte Software-Lösungen nennt er einerseits die steigende Anzahl neuer Fahrzeugmodelle und andererseits die kürzeren Entwicklungs-, Anlauf- und Lebenszyklen. „IT-Systeme leben meist länger als die Produkte und müssen darum flexibler werden“, nennt er als Anforderung und schränkt aber gleichzeitig ein: „Allerdings ist mit den heute im Betrieb eingesetzten Software-Technologien eine wirkliche Integration vorhandener Systeme kaum machbar.“ So erfolge die Integration heute meist über große Datenbanken, die ein gemeinsames Datenmodell erfordern. „Speziell diejenigen Anwendungen, die Echtzeit-Datenverarbeitung benötigen, lassen sich damit aufgrund der mangelnden Performance nicht integrieren. Die In­teg­rationsansätze über ein gemeinsames Datenmodell und eine Datenbank sind zu unflexibel gegenüber Änderungen oder Erweiterungen. Spätestens, wenn eine neue Anwendung eingefügt werden soll, stößt die Lösung über ein gemeinsames Datenmodell an ihre Grenzen“, informiert er über den Status quo. Andererseits sei es nicht absehbar, dass es einen Lieferanten oder ein Systemhaus geben wird, der/das sämtliche MES-Komponenten eines Fahrzeugwerks integriert aus einer Hand anbieten kann. „Darum müssen für die Integration der MES-Komponenten zu einer durchgängigen Datenverarbeitung andere technische Lösungen gefunden werden“, meint er im Umkehrschluss. „Software-Systeme müssen zukünftig Mechanismen bereitstellen, die Wissen auf semantischem Niveau über die zu kommunizierenden Inhalte haben“, sagt er weiter. In „ProVis.Agent“, dem agentenbasierten Leitsystem des IITB, ist die Struktur der zu übertragenden Informationen in einer Ontologie definiert. Außerdem enthält die Ontologie eine semantische Interpretation der syntaktischen Definitionen. „Damit ist für zwei beliebige Software-Systeme, die auf Basis der gleichen Ontologie kommunizieren, die Bedeutung der Kommunikationsinhalte eindeutig festgelegt. Dieses Konzept ermöglicht die Integration mit Fremdsystemen auf der MES-Ebene [11]“, informiert er über das eigene Produkt.

Aktuell arbeitet das Fraunhofer IITB da­ran, an einem konkreten Beispiel in einem Automobilwerk eine Integration von Produktionsleitsystemen und Sequenzplanungssystemen zu schaffen.

Die Kopplung produktionsnaher Anwendungen am Beispiel der Automobilindustrie [12]

Die Kopplung produktionsnaher Anwendungen am Beispiel der Automobilindustrie [12]

Skalierbarkeit bis zur dezentral selbstorganisierenden Produktion

Seit geraumer Zeit steigen in der Produktion die Anforderungen durch kleinere Losgrößen, kürzere Lieferzeiten, zunehmende Variantenvielfalt bei unveränderter Forderung nach hoher Termintreue, niedrigen Rüstkosten und niedrigen Lagerbeständen. „In einem hochgradig unbeständigen Produktionsumfeld ist es müßig, einen exakten Plan zu erstellen, da selbst die nähere Zukunft in der Werkstatt nicht vorhersehbar ist“, so Dr. O. Sauer. Hier biete sich eine dezentrale Steu­erungslösung an [13]. Damit könne auf unvorhersehbare Ereignisse, wie Störungen oder Eilaufträge, sofort reagiert werden. „Hier helfen verteilte Ansätze, bei denen rein lokale Koordinationsformen zum Einsatz kommen“, informiert der Experte. Dabei würden Entscheidungen nicht länger durch eine zentrale Instanz getroffen und den Aufträgen und Ressourcen „aufgezwungen“. „Stattdessen werden Werkstücke, Maschinen und Materialflusssysteme zu Akteuren, bekommen selbst Entscheidungsfreiheit und die Entscheidungsgewalt, eigene Ziele zu verfolgen, sodass eine selbstorganisierende Produktion entsteht. Unplanbare Ereignisse, wie Störungen, fügen sich fast nahtlos in die autonome Entscheidungsfindung von Aufträgen und Ressourcen ein“, richtet er den Blick in die Zukunft.

 

Aufgaben- und rollenspezifische Versorgung der Anwender mit Informationen

Heute: zentrale Planung und Steuerung: hierarchische IT-Struktur, globale Informationsverarbeitung und

Heute: zentrale Planung und Steuerung: hierarchische IT-Struktur, globale Informationsverarbeitung und

Des Weiteren rechnet Dr. O. Sauer damit, dass MES von morgen Mitarbeiter mit unterschiedlichen Rollen und Interessen kontextsensitiv mit bedarfsgerechter Information unter Berücksichtigung ihrer Rolle und Authorisierung versorgen werden. Dies kann dann zent­ral in einer Leitwarte erfolgen, und zwar für unterschiedliche Rollen und Aufgaben, oder dezentral über mobile Endgeräte. „Smart Player in Fabriken mit dezentralisierter Intelligenz assistieren Mitarbeitern und Gruppen von Mitarbeitern bei der Lösung komplexer Aufgaben, zum Beispiel Inbetriebnahme, Störungsbeseitigung. Mittels mobiler Endgeräte, wie Mobiltelefon, PDA o.Ä., verbinden sich Produktionsmitarbeiter, Disponenten oder Meister automatisch während ihres Aufenthalts in der Produktion mit den Anlagen. Informationen über den Betriebszustand oder den gerade bearbeiteten Auftrag werden ihnen in geeigneter Weise aufbereitet präsentiert“, lautet eine weitere Zukunftsvision des Experten.

Zukunft: selbstorganisierende Steuerung: verteilte IT-Struktur: Kommunikation der Komponenten untereinander, lokale, autonome Informationsverarbeitung und Entscheidung

Zukunft: selbstorganisierende Steuerung: verteilte IT-Struktur: Kommunikation der Komponenten untereinander, lokale, autonome Informationsverarbeitung und Entscheidung

Fazit

Die beschriebenen Beispiele verdeutlichen, dass Manufacturing Execution Systems zukünftig aus der Fabrik nicht mehr wegzudenken sind. Die Informationstechnik wird vielmehr zum Katalysator neuer Prozesse und Strukturen in Produktion und Logistik. „Dringend benötigt werden Fachkräfte und entsprechende Studiengänge, die sowohl produktionstechnische, automatisierungstechnische und informationstechnische Inhalte vermitteln“, ruft Dr. O. Sauer abschließend auf. Interessenten können sich am 9. und 10. Juni 2010 auf dem Karlsruher Leittechnischen Kolloquium rund um das Thema informieren. Details dazu unter www.klkblog.de:http://www.klkblog.de oder www.mes.fraunhofer.de.

 

Literatur

[1] VDI 5600 Blatt 1:2007-12 Manufacturing Execution Systems (MES). Berlin: Beuth

[2] Eversheim, W.; Schuh, G.: (Hrsg.): Hütte, Taschenbuch für etriebsingenieure „Betriebshütte“. Berlin: Springer, 1996

[3] Sauer, O.: Einfluss der Digitalen Fabrik auf die Fabrikplanung. (2004) wt Werkstattstechnik online, H. 1/2, S. 31-34

[4] VDI 4499 Blatt 1:2008-02 Digitale Fabrik – Grundlagen. Berlin: Beuth

[5] Sauer, O.; Ebel, M.: Plug-and-work von Produktionsanlagen und übergeordneter Software.

In: Haasis, K.; Heinzl, A.; Klumpp, D. (Hrsg.): Aktuelle Trends in der Softwareforschung, Tagungsband zum doIT-Software-Forschungstag 2007, S. 24-33

[6] Sutschet, G.: Störung im Griff. Ein Produktionsassistent für die Automobilfertigung. (2001)

visIT H. 2, S. 6-7.

[7] Wiendahl, H.-P. et. al: Changeable Manufacturing – Classification, Design and Operation. (2007) Annals of the CIRP, Volume 56/2, pp. 783-809

[8] Sauer, O.; Sutschet, G.: ProVis.Agent: ein agentenorientiertes Leitsystem – erste Erfahrungen im industriellen Einsatz. VDE-Kongress 2006, Aachen: Innovations for Europe. 23.-25. Oktober 2006, Band 2: S. 297-302

[9] Draht, R.; Fedai, M.: CAEX – ein neutrales Datenaustauschformat für Anlagendaten – Teil 1 und 2. Automatisierungstechnische Praxis – atp Band 46 (2004), H. 2, S. 52-56 und H. 3, S. 20-27

[10] Sauer, O.: Digitale Fabrik und MES. IT&Production: MES Wissen Kompakt 2007, S. 18-21

[11] Sutschet, G.: Ontologien in der Leittechnik. (2006) visIT H. 2, S. 8-9

[12] Fiebig, A.: Die Bedeutung der Leittechnik bei AUDI ausgerichtet an der Strategie 2015;

In: Beyerer, J.; Sauer, O.: Tagungsband zum Karlsruher Leittechnischen Kolloquium 2006, S. 23-24

[13] Kresken, Th.; Baumann, M.: Selbst ist der Auftrag. ZWF Jahrg. 101 (2006), H. 5, S. 269- 272

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Dr. Wieselhuber & Partner: Ins & Outs 2015

INs 2015
  • Geschäftsmodelle verändern und neue Wege gehen:
    Industrie 4.0 bietet den Anlass und ist unabdingbar.
  • Potenziale der Industrie 4.0 kurzfristig heben:
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OUTs 2015
  • Über Industrie 4.0 reden, ohne es verstanden zu haben:
    Industrie 4.0 bietet durchaus kurzfristiges Potenzial.
  • Immer nur die „eigne Suppe“ kochen:
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