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MPDV

Industrie 4.0 ist ohne Manufacturing Execution Systems undenkbar

| Autor / Redakteur: Jürgen Kletti / Reinhold Schäfer

Der Einsatz mobiler MES-Komponenten wie der Smart MES Applications erleichtert viele Aufgaben im Fertigungsalltag.
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Der Einsatz mobiler MES-Komponenten wie der Smart MES Applications erleichtert viele Aufgaben im Fertigungsalltag. (Bild: MPDV)

Spätestens seit der Hannover-Messe ist Industrie 4.0 in aller Munde. Zukunftsweisende Strategien mit dem Fokus auf dezentralen Fertigungsprozessen generieren dabei neue Anforderungen an die Fertigungs-IT und die ausführenden Manufacturing Execution Systems (MES), ohne die Industrie 4.0 gar nicht denkbar ist.

Auch wenn die Euphorie zum Thema Industrie 4.0 nun wieder etwas gedämpft ist, bereitet MPDV sich mit dem Konzept MES 4.0 auf zukünftige Herausforderungen vor – ohne dabei den Blick auf das Heute zu verlieren. Der Name des zukunftsorientierten Konzepts Industrie 4.0 leitet sich aus den vier großen Meilensteinen der Industrialisierung her: der ersten industriellen Revolution durch Einsatz der Dampfmaschine, der zweiten industriellen Revolution durch Massenfertigung mithilfe elektrischer Energie und von Förderbändern, und der dritten industriellen Revolution durch Einsatz von Elektronik und IT und schließlich der vierten industriellen Revolution durch Einsatz von sogenannter Cyber-Physical Systems (CPS).

Vernetzte Systeme, die autonom handeln

Unter CPS versteht man vernetzte Systeme, die autonom handeln. In Bezug auf die Produktion spricht man zum Beispiel von intelligenten Werkstücken, die durch Kommunikation mit den Maschinen und anderen Systemen selbstständig den optimalen Weg durch die Fertigung finden und damit ohne eine zentrale Steuerung zum fertigen Endprodukt werden. Der Mensch greift nur bei Bedarf regulierend in das System ein.

Bei derartigen Fertigungskonzepten entstehen unweigerlich große Datenmengen, die Auskunft über den aktuellen Zustand des Gesamtsystems und der einzelnen Werkstücke geben. Zur Speicherung und Verarbeitung dieser Daten sieht Industrie 4.0 zum Beispiel IT-Lösungen aus der Cloud vor. Auch dort steht der Dezentralisierungsgedanke im Vordergrund.

Zurzeit beschäftigen sich viele Forschungseinrichtungen, aber auch Industrieunternehmen mit Industrie 4.0 und erproben unterschiedliche Ansätze zur Verwirklichung der visionären Ideen.

Manufacturing Execution Systems bilden Fertigung ab

Bei aller Dezentralität hat die Erfahrung gezeigt, dass die Vorzüge einer zentralen Instanz zur Koordinierung und Synchronisation nicht von der Hand gewiesen werden können. Schon heute profitieren Manufacturing Execution Systems von einer hohen Erfassungsdichte und einer Vielzahl von Sensoren in der Fertigung (Bild 1). Werden diese Daten in einer zentralen Produktionsdatenbank zusammengeführt, ergibt sich ein Gesamtbild, das die Grundlage für gesicherte Entscheidungen und die Optimierung der Fertigungsprozesse ist.

Ein MES hält Daten zentral in einem Rechner vor

Eine zentrale Grundlage für ein funktionsfähiges Fertigungssystem nach Industrie 4.0 ist die transparente Verfügbarkeit von Echtzeitdaten. Dies deckt sich mit den Kernfunktionen eines modernen MES. Der einzige Unterschied besteht darin, dass ein MES alle Daten zentral vorhält und nicht verteilt in der Cloud. Durch das zentrale, integrative Datenmanagement kann ein MES schneller mit den vorhandenen Informationen arbeiten, weil nicht erst mehrere Datenquellen angefragt werden müssen. Wenn nun das MES den autonomen CPS die Gesamtheit der Daten zur Verfügung stellt, dann wird auch deren Kommunikation effizienter, was wiederum positive Auswirkungen auf die Effizienz des Gesamtsystems hat beziehungsweise den dezentralen Ansatz überhaupt erst möglich macht.

MES unterstützt dezentrale Fertigungssysteme wirkungsvoll

Es gilt also festzuhalten, dass ein MES dezentrale Fertigungssysteme wirkungsvoll unterstützen kann. Es stellt sicher, dass der Mensch den Überblick über die autonomen Systeme und somit die übergeordnete Entscheidungsfähigkeit behält (Bild 2).

Damit ein MES den Anforderungen von Industrie 4.0 gerecht wird, muss es eine Vielzahl an neuen Funktionen und Fähigkeiten mitbringen. MES 4.0 fasst diese Bedarfe zu einem schlüssigen Konzept zusammen. Ausgewählte Themen und praktische Anwendungsfälle aus MES 4.0 sind die horizontale Integration und ein integratives Datenmanagement. Vornan steht die horizontale Integration, das heißt die Verknüpfung von Daten über alle Ressourcen hinweg, die am Fertigungsprozess beteiligt sind.

VDI-Richtlinie 5600 spricht Fertigung, Qualität und Personal an

Die VDI-Richtlinie 5600 spricht dabei von drei großen Bereichen: Fertigung, Qualität und Personal, die jedoch ganzheitlich zu betrachten sind. Horizontale Integration bedeutet, dass die erfassten Daten nicht in autonomen Insellösungen für die genannten Bereiche, sondern mit dem Vorteil der Vermeidung zusätzlicher Schnittstellen in einem integrierten System gespeichert sind. Auf dieser Basis können beispielsweise Auswertungen erzeugt werden, aus denen ersichtlich ist, welcher Artikel auf welcher Maschine mit welchem Werkzeug bei Verwendung welcher Rohstoffchargen von welchen Mitarbeitern gefertigt wurde und mit welcher Qualität dies erfolgt ist.

Auch bei der Ressourcenplanung ist ein integratives Datenmanagement von großem Nutzen. Sobald ein Auftrag in der Fertigung eingeplant wird, können mittels MES das benötigte Personal, die benötigten Werkzeuge und auch die passenden Prüfaufträge aus dem Qualitätsmanagement „beigestellt“ werden. Somit wird sichergestellt, dass alle Ressourcen rechtzeitig verfügbar sind und die Stillstandszeiten der Maschinen sowie in der Folge auch die Durchlaufzeit der Produkte signifikant reduziert werden. Daraus wiederum ergibt sich mehr Flexibilität im Hinblick auf die Variantenvielfalt und bessere Lieferfähigkeit aus Kundensicht.

VDI 5600 legt Online-Fähigkeit eines MES fest

Die Onlinefähigkeit eines MES wird bereits in der VDI 5600 festgelegt, wobei auch dort die Anforderungen an das Antwort-/Zeitverhalten steigen werden. Durch die sofortige Verarbeitung von erfassten Daten können zeitnah Informationen als Basis für möglicherweise zeitkritische Entscheidungen zur Verfügung gestellt werden.

Im Zuge der Dezentralisierung von Fertigungssystemen ist außer der Erfassung und Verarbeitung in Echtzeit auch die Offlinefähigkeit der MES-Bestandteile sehr wichtig. Sollte die Verbindung einer Maschine oder eines Sensors zu einer zentralen Datenbank einmal gestört sein, müssen intelligente Komponenten diese Zeit überbrücken können.

Fehlt die Offlinefähigkeit, gehen Prozesswerte und erfasste Mengen verloren

Eine Maschine beziehungsweise ein BDE-Terminal muss über einen Datenpuffer verfügen, um auch ohne Kontakt zum MES weiter produzieren zu können. Fehlt die Offlinefähigkeit, gehen beispielsweise Prozesswerte und erfasste Mengen verloren und Maschinen müssen möglicherweise zwischenzeitlich die Arbeit unterbrechen, weil keine Informationen über das zu bearbeitende Werkstück vorliegen. Beides ist im Hinblick auf eine optimale Produktivität und durchgängige Rückverfolgbarkeit nicht akzeptabel – ganz besonders in einer autonomen Fertigung nach Industrie-4.0-Gesichtspunkten.

Industrie 4.0 fordert wegen der vielen unterschiedlichen Systeme den Einsatz einer standardisierten Kommunikation wie UMCM (Universal Machine Connectivity for MES) zwischen den Maschinen und dem MES. Mit UMCM können die Maschinen ganz einfach angebunden und notwendige Daten wie Zeitstempel, Zählerstände, Maschinenstatus sowie Mengen und Prozesswerte übernommen werden (Bild 3).

Flexibilität: Konfiguration statt Programmierung

Gerade in flexiblen Fertigungsumgebungen stoßen Standardanwendungen sehr schnell an ihre Grenzen. Dann wird oftmals eine aufwendige und kostenintensive Softwareanpassung in Auftrag gegeben, was bedeutet, dass der Anbieter programmieren muss. Moderne Softwarekonzepte, die eine flexible Fertigung nach Industrie 4.0 unterstützen sollen, sehen vor, dass die meisten Anwendungsfälle genauso flexibel – also durch Konfiguration – im MES abgebildet werden können. Dieses kann erstens zeitnah und zweitens kostengünstig erfolgen. Zusätzliche Vorteile entstehen, wenn auch individuelle Services oder Anwendungen auf Basis einer serviceorientierten Architektur (SOA) ohne großen Aufwand hinzugenommen oder bestehende Dienste entfernt oder ausgetauscht werden können.

Management Support

Das Management eines Fertigungsunternehmens wird immer intensiver in die produktionsrelevanten Entscheidungsprozesse einbezogen. Gesicherte Entscheidungen lassen sich jedoch nur treffen, wenn den Verantwortlichen die dazu erforderlichen Informationen in geeigneter Form vorliegen. Das MES der Zukunft stellt deshalb Kennzahlen oder andere Auswertungen zu wichtigen Produktionsparametern zeitnah und managementtauglich zur Verfügung (Bild 4).

Interoperabilität und übergreifendes Informationsmanagement

In der Zukunft wird sich der Trend verstärken, dass Kunden aktiv auf die Produktionsprozesse ihrer Lieferanten Einfluss nehmen wollen. Ein typisches Beispiel dafür sind die Automobilhersteller, die bei ihren Zulieferern die Serienaufträge, die damit belegten Maschinen und die verwendeten Werkzeuge überwachen wollen. Der dafür notwendige unternehmensübergreifende Zugriff auf fertigungsrelevante Informationen beim Zulieferer kann über eine bidirektionale Kopplung der MES des Lieferanten und des Kunden realisiert werden, um damit den Umweg über die ERP-Ebene zu vermeiden.

Mitarbeiter müssen flexibler agieren können

Durch die Dezentralisierung von Prozessen in der Fertigung müssen auch die Mitarbeiter flexibler agieren können. Mobile Endgeräte und die dazu passenden MES-Anwendungen stellen alle Daten genau dort zur Verfügung, wo sie benötigt werden. Einige praxisnahe Szenarien sollen dies verdeutlichen:

  • „Smarte“ Instandhaltung: Über sein Smartphone wird ein Instandhalter über eine Maschinenstörung informiert. Mit dem gleichen Gerät kann sich der Mitarbeiter sofort die notwendigen Informationen zur betroffenen Maschine anzeigen lassen, online einen Instandhaltungsauftrag generieren und die Problempunkte vor Ort mit der eingebauten Kamera dokumentieren. Die Bilder werden automatisch dem Instandhaltungsauftrag und der Maschinenhistorie zugeordnet. Genauso kann sich der Instandhalter gespeicherte Informationen zu früheren Ausfällen ansehen. Basierend auf den historischen Daten und dem aktuellen Zustand kann er entscheiden, welche Maßnahmen ergriffen werden müssen, und diese sofort in die Wege leiten – und das alles ohne Wegezeiten und Handaufschreibungen direkt an der Maschine.

Kennzahlen und Qualitätsmanagement

  • Bei seinem Rundgang durch die Produktion bekommt der Fertigungsleiter eine Nachricht, dass die Ausschussquote signifikant angestiegen ist. Mit seinem Tablet-PC kann er mit wenigen Klicks feststellen, wo genau der Grund für die Verschlechterung zu suchen ist, und sofort Kontakt mit den Verantwortlichen aufnehmen. Diese klären mit den Mitarbeitern vor Ort, worauf die hohen Ausschusszahlen zurückzuführen sind. Weil es sich um ein Qualitätsproblem handelt, hat auch der QS-Beauftragte eine Nachricht bekommen. Über seinen Tablet-PC kann er sich den relevanten Prüfplan und die Prüfergebnisse der letzten Tage ansehen. Gemeinsam wird eine Lösung für das Problem gefunden, direkt in der Fertigung und ohne zeitraubende Meetings „im großen Kreis“.

Mobile Traceability

  • Eine flexible Fertigung profitiert unter anderem davon, dass Ein- und Auslagerungsprozesse auf ein Minimum beschränkt sind und anstelle zentraler Läger mit WIP-Beständen direkt in der Fertigung gearbeitet wird. Daraus resultiert das Problem, dass Halbfertigprodukte entstehen, die zwischen den einzelnen Bearbeitungsschritten gelagert werden und nicht ohne Weiteres identifizierbar sind. Dank der im Smartphone eingebauten Kamera können Halb- oder Fertigprodukte in WIP-Beständen über Identträger auf einfache Art und Weise gescannt werden. Mit einer mobilen MES-Lösung kann somit ein Meister bei seinem Fertigungsrundgang Material identifizieren sowie weitere Informationen dazu abrufen. Die Verbindung der realen Welt mit dem virtuellen Abbild im MES wird durch solche Funktionen einfach hergestellt.
    • Zu den eher trivialen Möglichkeiten mobiler Clients zählt die ortsunabhängige Verfügbarkeit von Informationen über den aktuellen Zustand der Fertigung oder einzelner Ressourcen. So kann sich beispielsweise ein Schichtführer über den Status der Aufträge in seinem Verantwortungsbereich informieren, auch wenn er gerade in der Produktionsbesprechung oder bei seinem Vorgesetzten im Büro ist. Dies vermeidet unnötige Anrufe und reduziert Wartezeiten.

    Zukünftige Techniken machen MES noch schlauer

    Einige der genannten Themen sind bereits heute in leistungsfähigen und auf dem aktuellen Stand der Technik konzipierten MES umsetzbar oder in Ansätzen realisiert. Zukünftige Technologien werden die heutigen MES-Lösungen noch smarter und flexibler machen.

    Ein wichtiger Schritt in Richtung MES 4.0 sind die Smart MES Applications (SMA) der branchenübergreifenden MES-Lösung Hydra von MPDV, die auf der Hannover-Messe vorgestellt wurden. Dabei handelt es sich um ein Set von Apps auf Smartphones oder Tablet-PC, welche die bereits bekannten stationären Clients beziehungsweise Terminals ergänzen und dabei die Funktionen zur Datenerfassung und -auswertung auf mobilen Endgeräten verschmelzen.

    Somit können beispielsweise die in den Szenarien genannten Prozesse smart abgebildet und alltägliche Aufgaben in der Fertigung effizienter bewältigt werden. Weil es sich bei SMA um eine Erweiterung der praxiserprobten MES-Lösung handelt, werden die neuen Clients ganz und ohne Schnittstellen in die Hydra-Umgebung integriert.

    Um die visionären Ideen von Industrie 4.0 in absehbarer Zeit umsetzen zu können, müssen nicht nur die Umsetzungskonzepte konkretisiert werden – auch die intensivere Nutzung von fertigungsunterstützender IT wie MES wird eine wichtige Rolle spielen. Der Einsatz von Insellösungen wird Industrie 4.0 nicht weiterbringen.

    Die deutsche Industrie muss sich auf ihre Stärken konzentrieren und die zukünftigen Herausforderungen ganzheitlich angehen – Effizienz und Standardisierung sind dabei wichtige Voraussetzungen. MM

    * Prof. Dr.-Ing. Jürgen Kletti ist Geschäftsführer der MPDV Mikrolab GmbH in 68723 Oftersheim, Tel. (0 62 02) 93 35-0, info@mpdv.de

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