Projektarbeit: ERP für die digitale Fabrik

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1 Projektarbeit: ERP für die digitale Fabrik Ausarbeitung zur digitalen Fabrik der Technikerschule München von Roman Euteneier Teil 1 Inhalt: 1. Fertigungskonzept der digitalen Fabrik Was wird produziert? Wie wird produziert? Ablauf in der Prozessebene 2. IT-Struktur der digitalen Fabrik Wie sind ERP und MES realisiert, welche Kommunikation gibt es? Was macht das ERP-System Was macht das ME-System 3. Positionierung der Projektarbeit

2 Die Digitale Fabrik der TS München stellt vereinfacht eine Fertigungsanlage dar wie sie moderne Unternehmen heutzutage haben. Dabei wird versucht die neuesten Entwicklungen im Bereich der rechnergesteuerten Produktionstechnik zu verwirklichen. Die wichtigsten Stichworte in diesem Zusammenhang sind Losgröße 1, lose bzw. starre Kopplung, Supply Chain Management (SCM) sowie Computer Integrated Manufacturing (CIM). Das Ziel ist es die Fertigung möglichst effizient Ablaufen zu lassen. Dies wird durch den Einsatz von ERP- und ME-Systemen erreicht. 1. Fertigungskonzept der digitalen Fabrik Was wird Produziert? Die Massenproduktion hat die Herstellung bestimmter Produkte günstiger und schneller gemacht. Doch hat die Massenproduktion auch Nachteile. So geht der Trend beim Kunden in Richtung mehr Individualität. In der digitalen Fabrik der Technikerschule München werden Türmchen produziert, die jeweils aus drei Segmenten bestehen, für jedes der Segmente ist jeweils eine Station zuständig. Jedes Segment ist wiederum in drei verschiedenen Farben verfügbar. Es sind somit 3³ = 27 verschiedene Kombinationen möglich. Um diese Vielzahl an Kombinationen wirtschaftlich fertigen zu können produzieren moderne Anlagen in Losgröße 1, so auch die digitale Fabrik. Losgröße 1 heißt, dass jedes gefertigte Teil individuell sein kann ohne dass auf automatisierte Fertigung per Produktionsstraße verzichtet werden muss, jedoch werden immer Chargen von 3 Produkten gefertigt um eine bessere Maschinenauslastung zu gewährleisten. Zwar haben alle Segmente die gleiche Form, doch symbolisiert jedes davon einen anderen Fertigungsschritt. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit einer Qualitätsprüfung am Ende des Fertigungsprozesses. Dies ist durch drei induktive Näherungsschalter realisiert, eins für jedes Segment. Da aber derzeit nicht alle Teile aus Metall bestehen soll auf eine Qualitätsprüfung bis auf weiteres verzichtet werden. Wie wird Produziert? Der Kunde kann über ein Webinterface (über einen Browser) ein beliebiges Produkt frei konfigurieren und anschließend bestellen. Der Auftrag wird danach an das ERP-System weitergeleitet. ERP steht für Enterprise Ressource Planing also Planung der Unternehmensressourcen und bezeichnet die Aufgabe die Ressourcen, die einem Unternehmen zur Verfügung stehen möglichst effizient einzusetzen. Das ERP-System überwacht das Lager und erfasst welche Teile für den derzeitigen Auftrag nötig und ob diese vorhanden sind. Falls nicht genug Teile vorhanden sind werden diese beim Zulieferer bestellt. Derzeit kann der Zulieferer nur das unterste der drei Segmente liefern. Sobald drei Produkte bestellt wurden erstellt das ERP-System einen Auftrag, welches es zusammen mit einer fortlaufenden Auftragsnummer an die MES- Ebene weiterleitet. Das ME-System koordiniert anschließend den Fertigungsprozessablauf, es sagt also der SPS wann welche Schritte ausgeführt werden sollen.

3 Derzeit läuft die Produktion in einem festen Anlagentakt ab (starre Kopplung). Das heißt dass alle Stationen gleichzeitig und im gleichen Takt arbeiten. Nachdem die erste Station also das erste Segment des ersten Türmchens auf das Band gebracht hat wird es um eine Station weitergefahren, anschließend platzieren die erste und die zweite Station das nächste Segment gleichzeitig. Es wird wieder um eine Station verschoben und beim nächsten Schritt arbeiten alle drei Stationen gleichzeitig. So lässt sich zwar berechnen wie viele Schritte die Anlage für eine bestimmte Anzahl von Türmchen braucht, jedoch ist die gesamte Produktion nur so schnell wie die langsamste Station. Eine lose Kopplung wäre effektiver, da hier das Band durchgängig laufen und jede Station in ihrem eigenen Takt arbeiten könnte. Dies ist eins der Ziele, die in Zukunft realisiert werden sollen. Ablauf in der Prozessebene Auf der Prozessebene wird jeder Fertigungszyklus durch ein sog. Handshake-Timing initiiert. Das Protokoll für die Kommunikation ist einheitlich festgelegt. Dabei zeigt z. B. die Slave-SPS der Master-SPS ihren aktuellen Zustand durch verschiedene Signale an, READY, ACKNOWLEDGE, BUSY und ERROR. Je nach Zustand kann die Master- SPS die Auftragsinformation anlegen und das Start-Signal erteilen. Die Kommunikation läuft dabei folgendermaßen ab: Sobald die Slave-SPS READY meldet (=1), legt die Master-SPS die Auftragsinformationen an und gibt ein START -Signal. Hat die Slave-SPS das Signal bekommen fängt es an den Auftrag auszuführen, während dieser Zeit meldet es mit BUSY, dass die Mechanik in Betrieb ist und derzeit keine weiteren Aufträge angenommen werden können, gleichzeitig meldet es mit ACKNOWLEDGE, dass das START -Signal erkannt wurde. Die Master-SPS kann nun das START -Signal zurücksetzen und darf auch keinen neuen Auftrag erteilen solange die Slave-SPS BUSY meldet. Die Slave-SPS erkennt nun, dass das START -Signal zurückgesetzt wurde und setzt auch ACKNOWLEDGE zurück. Sobald der Auftrag ausgeführt wurde setzt die Slave-SPS das BUSY -Signal zurück und die Master-SPS kann den nächsten Auftrag erteilen, der Prozess geht von vorne los. Sollte während des Prozesses ein Fehler auftreten meldet Slave-SPS ERROR und setzt gleichzeitig das READY -Signal zurück, es können keine Aufträge ausgeführt werden bis der Fehler behoben wurde. Auf die gleiche Weise kommuniziert WinCC (MES) mit der Master-SPS.

4 2. IT-Struktur der digitalen Fabrik Wie sind ERP und MES realisiert, welche Kommunikation gibt es? Das ERP- und die beiden ME-Systeme befinden sich auf jeweils einem eigenen Win2003- Server, sie kommunizieren miteinander über einen (Apache-) Webserver, dabei sind das MES des Stammwerks und das des Zulieferwerks die Webclients. Da das ME-System mit C-Skripten arbeitet während die ERP-Software (AvERP) CSV-Dateien liefert, benötigt man sog. Stubs, Kommunikationswerkzeuge um die beiden Datenformate in ein Standardformat umzuwandeln. Bei der digitalen Fabrik ist das Standardformat XML. Ein Beispiel: Das ERP-System stellt einen Auftrag über eine Charge von 3 Produkten als CSV-Datei auf dem ERP-Server bereit. Diese Datei beinhaltet die fortlaufende Auftragsnummer als tag sowie jeweils ein tag zu jedem Teil der anzufertigenden drei Türmchen und jeweils ein tag, der den Lagerplatz jedes der drei Türmchen als eine Zahl von Null bis drei (Null für Nullauftrag) beinhaltet. Da im Lager nicht genug Teile für die Türme vorhanden sind wird noch eine CSV-Datei mit dem Auftrag über drei Teile für den Zulieferer bereitgestellt, diese Datei enthält ebenfalls eine Auftragsnummer und jeweils einen tag für jedes der drei zu liefernden Teile. Im MES des Stammwerks wird regelmäßig von einem C-Programm ein VB-Script getriggert (lies_ca.vbs), welches den bereitgestellten Auftrag abholt. Hierzu wird der Stub lies_ca.php auf dem Apache-Webserver (per Remote Procedure Call) aufgerufen, der die Daten aus der bereitgestellten CSV-Datei ausliest und sie als XML-Daten zurück an den Webclient leitet wo die sie wiederum in C-Format umgewandelt werden. Das MES des Zulieferwerks kommuniziert mit dem Webserver indem es zyklisch per HTTP-Request den aktuellen Auftrag abfragt. Was macht das ERP-System? Das ERP-System kann eine Reihe von Aufgaben erledigen. Es erstellt Fertigungsaufträge für Chargen von je 3 Produkten, mit Zeitplänen, die an das ME-System weitergeleitet werden indem es die Aufträge als CSV-Dateien mit einer fortlaufenden Auftragsnummer bereitstellt. Dabei überwacht es den Lagerbestand. Falls nicht genug Teile für einen Auftrag vorhanden sind, erstellt das System rechtzeitig einen Auftrag für das MES des Zulieferers, sobald der Zulieferer bereit ist die benötigten Teile auszuliefern muss er auf die Freigabe warten, die das ERP-System erteilt, sodass die Lieferung nicht nur just in sequence sondern auch just in time erfolgen kann. Des weiteren übernimmt es auch die betriebswirtschaftlichen Schritte wie die Vorkalkulation vor dem Fertigungsprozess und Nachkalkulation nach dessen Ende. Es erstellt auch die Rechnung und Lieferscheine. Was macht das ME-System? Sowohl das MES des Stammwerks als auch das des Zulieferers ist in der digitalen Fabrik durch WinCC realisiert. Es holt sich durch einen Stub die vom ERP-System hinterlegten Aufträge ab. Ist die Auftragsnummer des aktuellen Auftrags höher als die des zuletzt bearbeiteten wird der Auftrag angenommen. Anschließend setzt WinCC den Auftrag in Fertigungszyklen um, die es dann in entsprechender Reihenfolge an den Zellenrechner (Master-SPS) weiterleitet. Hierbei werden die einzelnen Fertigungsschritte, sowie auch zwischen der Master- und der Slave- SPS, per Handshake-Timing eingeleitet.

5 3. Positionierung der Projektarbeit Diese Projektarbeit hat das ERP-System der digitalen Fabrik der Technikerschule München zum Thema. Zwar ist bereits eine ERP-Software im Einsatz, doch erfüllt sie nicht ganz die Anforderungen in Sachen Flexibilität. Da in jedem Schuljahr durch die Projektarbeiten die Anlage verändert wird ist das Ziel sie mit einer neuen, passenderen ERP-Software zu betreiben, welche man entsprechend an die Anlage anpassen kann. Des weiteren soll auch überlegt werden welche sinnvollen Verbesserungen sich zusätzlich realisieren lassen. Sollte die Anlage in Zukunft auf lose Kopplung umgestellt werden, könnte sich die Notwendigkeit ergeben das ERP-System auf das neue Konzept anzupassen. Genauso das Supply Chain Management (SCM). Sollten noch mehr Zulieferer an das Stammwerk gekoppelt, muss auch das ERP-System erweitert werden, denn schließlich läuft die gesamte Kommunikation darüber ab. Da das ERP auch betriebswirtschaftliche Prozesse abarbeitet, ist die Betriebsdatenerfassung sehr wichtig. So kann am Ende eines Fertigungsprozesses genauer berechnet werden welche Kosten durch den Betrieb entstanden sind. Dazu muss das System Produktivitätsdaten wie z.b. Maschinenlaufzeiten, Fertigungszyklusdauer, Ausfallzeiten usw. verarbeiten und in die Nachkalkulation mit einbeziehen. Nicht zuletzt sollte die Bedienung trotz allem überschaubar bleiben. Es soll den zukünftigen Teilnehmern möglich sein sich möglichst schnell mit der Software vertraut zu machen. Um dieses Ziel zu erreichen werden sich die Mitglieder der ERP-Gruppe sowohl mit der ERP-Software selbst als auch mit den Webservices befassen müssen mit denen die Kommunikation zwischen ERP und MES stattfindet.