Philipp Louis Manufacturing Execution Systems

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1 Philipp Louis Manufacturing Execution Systems

2 GABLER EDITION WISSENSCHAFT

3 Philipp Louis Manufacturing Execution Systems Grundlagen und Auswahl Mit einem Geleitwort von Prof. Dr. Paul Alpar GABLER EDITION WISSENSCHAFT

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Dissertation Universität Marburg, Auflage 2009 Alle Rechte vorbehalten Gabler GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2009 Lektorat: Frauke Schindler / Nicole Schweitzer Gabler ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: Regine Zimmer, Dipl.-Designerin, Frankfurt/Main Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Printed in Germany ISBN

5 V Geleitwort Manufacturing Execution Systeme (MES) stellen eine neue Klasse von Informationssystemen dar, die sich in wachsendem Maße in der produzierenden Industrie etablieren. Bisher beschränkte sich die IT-Unterstützung von Produktionsprozessen maßgeblich auf die Unterstützung von Einzelaktivitäten wie die Produktionsplanung. Auch neuere Ansätze wie die Betrachtung von Planungsaktivitäten über die gesamte Wertschöpfungskette mit Hilfe von Systemen für Supply Chain Management erweitern den Fokus lediglich intra- resp. interorganisatorisch, beziehen aber nicht sämtliche Tätigkeiten innerhalb der Produktion mit ein. Die flexible Steuerung der Produktionsprozesse, etwa in Form eines elektronischen Leitstands, blieb eher eine Vision als gelebte Wirklichkeit. MES hingegen haben das Ziel, direkt und zeitnah Produktionsprozesse durch den integrierten Einsatz eines oder einiger weniger Informationssysteme flexibel zu unterstützen und so systematische Verbesserungen zu ermöglichen. Zwischen der zunehmenden Nutzung der MES und ihrer methodischen wissenschaftlichen Erörterung und Fortentwicklung tut sich jedoch eine Lücke auf. Erste Schritte, diese zu schließen, sind ebenso Teil der Zielsetzung dieser Arbeit wie die Bereitstellung eines Ansatzes zur Auswahl geeigneter MES-Lösungen für die industrielle Praxis. Dafür werden die bisher im Schrifttum gebräuchlichen, häufig stark industriespezifischen Definitionen vereinheitlicht und daraus ein Framework erarbeitet, das die Anforderungen an ein MES auf die Charakteristika des jeweiligen Produktionssystems zurückführt. Dieser Ansatz konnte in einer empirischen Untersuchung in der deutschen Arzneimittelindustrie, die, nicht zuletzt wegen gesetzlicher Auflagen, hier zu Vorreitern bei der Anwendung von MES gehört, überprüft werden. Die vorliegende Arbeit kann einen guten Dienst bei der weiteren Entwicklung und Verbreitung von MES leisten, mit denen weitere Fortschritte bei der Flexibilität, Effizienz und Qualitätssicherung in der Produktion erreicht werden können, die ein Hochtechnologiestandort wie Deutschland benötigt, um seine Wettbewerbsfähigkeit zu verteidigen und auszubauen. Prof. Dr. Paul Alpar

6 VII Vorwort Diese Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Wirtschaftsinformatik und quantitative Methoden am Insitut für Wirtschaftsinformatik der Philipps-Universität Marburg und der praktischen Tätigkeit in der Abteilung Information Solutions der CSL Behring GmbH, Marburg. An erster Stelle möchte ich meinem akademischen Lehrer Prof. Dr. Paul Alpar für die diskursive Unterstützung meiner Promotion und die Schaffung einer angenehmen Arbeitsumgebung danken. Ich wünsche jedem Doktoranden einen Doktorvater, der einen Rahmen für die Promotion schafft und trotzdem so viel Flexibilität in der Ausführung der Arbeit zulässt und sich jede Zeit für Diskussionen und Fragen nimmt. Meinen Kollegen bei CSL Behring möchte ich für die angenehme und kollegiale Arbeitsatmosphäre danken. Vor allem meinem direkten Vorgesetzten, Herrn Dr. Christoph Kraus, danke ich für sein Engagement, seine fachliche Weitsicht und seine weit über das beruflich vorgegebene Mass hinausgehende Unterstützung meines Promotionsprojektes. Ein besonderer Dank geht an Herrn Prof. Dr. Ulrich Hasenkamp für die Übernahme der Zweitkorrektur und die trotz seiner vielfältigen Verpflichtungen überaus schnelle Erstellung des Zweitgutachtens, die mir eine Anreise von weit her zur Disputation erspart hat. Weiterhin danke ich den Herren Prof. Dr. Bernd Hayo und Prof. Dr. Stefan Dirkes für die Durchsicht der Arbeit und die Durchführung der Disputation. Mein größter Dank geht an dieser Stelle an meine ganze Familie, die mich auf meinem Lebensweg stets liebevoll unterstützt hat. Vor allem meiner Frau Janina und meinem (Doktor-)Vater gebührt hier ein besonderer Dank. Janina, vielen Dank dass Du mich immer (wenn auch zeitweise unkonventionell) motiviert und unterstützt hast ich liebe Dich und Du bist der Mittelpunkt meines Lebens! Papa, Dir möchte ich danken für das Engagement vieler Stunden, in denen Du mit mir methodische wie inhaltliche Punkte kritisch erörtert und mitunter näher auf den Punkt gebracht hast. Philipp Louis

7 IX Inhaltsverzeichnis Geleitwort... V Vorwort... VII Inhaltsverzeichnis...IX Abbildungsverzeichnis... XIII Tabellenverzeichnis... XV Abkürzungsverzeichnis... XVII 1 Einleitung Problemstellung Ziel der Arbeit Aufbau der Arbeit Manufacturing Execution Systeme (MES) Bisherige MES-Begriffsdefinitionen MES-Definition der Manufacturing Enterprise Solutions Association MES-Definition der Instrumentations, Systems, and Automation Society Arbeitsdefinitionen Manufacturing Execution System Anwendungssystemarchitektur MES-Ebene Funktionsgruppen der MES-Ebene Production Operation Management (POM) Maintenance Operation Management (MOM) Quality Operation Management (QOM) Inventory Operation Management (IOM) Abgrenzung zu Anwendungssystemen in der Industrie Betriebsdatenerfassungssysteme Produktionsplanungs- und Steuerungssysteme Elektronische Leitstände Enterprise Resource Planning Systeme CIM-Einordnung der Anwendungssysteme Vorgehensmodell zur Auswahl eines MES Charakterisierung der Produktionsprozesse Ableitung von Anforderungen an die MES-Ebene Identifikation der bisherigen IT-Unterstützung Szenariodefinition, -bewertung und -auswahl Typologische Merkmale der Produktion Zur Methode der Typologisierung Definition des Untersuchungszieles und des Untersuchungsbereiches Auswahl der zu untersuchenden Merkmale Produktionssystemmerkmale Spezialisierungsgrad der Elementarfaktoren Produktionsanordnung Fertigungsart...77

8 X Automatisierungsgrad Produktionsablauf Variabilität der Ablauffolge Betriebsmittel- und Prozesssubstituierbarkeit Auftragsart Produktionssystemtypen Zur Bildung von Verbundtypen Verbundtyp Verbundtyp Verbundtyp Verbundtyp Zur Ableitung von Anforderungen an die MES-Ebene Auswirkungen der Merkmale auf die Teilbereiche der MES-Ebene Production Operation Management Maintenance Operation Management Quality Operation Management Inventory Operation Management Anforderungsanalyse der Verbundtypen Verbundtyp Anforderungen an das Production Operation Management Anforderungen an das Maintenance Operation Management Anforderungen an das Quality Operation Management Anforderungen an das Inventory Operation Management Verbundtyp Anforderungen an das Production Operation Management Anforderungen an das Maintenance Operation Management Anforderungen an das Quality Operation Management Anforderungen an das Inventory Operation Management Verbundtyp Anforderungen an das Production Operation Management Anforderungen an das Maintenance Operation Management Anforderungen an das Quality Operation Management Anforderungen an das Inventory Operation Management Verbundtyp Anforderungen an das Production Operation Management Anforderungen an das Maintenance Operation Management Anforderungen an das Quality Operation Management Anforderungen an das Inventory Operation Management Vorgehen bei Kombinationen von Verbundtypen Empirische Überprüfung der Ableitung von Anforderungen Rahmenbedingungen innerhalb der pharmazeutischen Industrie Durchführung der Untersuchung Zur aktuellen Unterstützung der MES-Ebene Ergebnisse im Teilbereich Production Operation Management Ergebnisse im Teilbereich Maintenance Operation Management Ergebnisse im Teilbereich Quality Operation Management Ergebnisse im Teilbereich Inventory Operation Management Zusammenfassung...159

9 XI 7.4 Überprüfung der Ergebnisse der typologischen Ableitung Überprüfung des Teilbereichs POM Überprüfung des Teilbereichs MOM Überprüfung des Teilbereichs QOM Überprüfung des Teilbereichs IOM Ergebnis der Überprüfung Bewertung der Kosten von MES-Szenarien TCO-Modell der Gartner Group TCO-Modell zur Bewertung von Anwendungssystemen Direkte Kostenkategorien Indirekte Kostenkategorien Schlussbetrachtung Zusammenfassung Ausblick Literaturverzeichnis Anhang A Anforderungsprofile der Verbundtypen A.a Anforderungsprofil von Verbundtyp A.b Anforderungsprofil von Verbundtyp A.c Anforderungsprofil von Verbundtyp A.d Anforderungsprofil von Verbundtyp B Fragebogen der empirischen Untersuchung...206

10 XIII Abbildungsverzeichnis Abb. 1.1: Vorgehensweise der Arbeit...6 Abb. 2.1: MES als Verbund der 11 MESA-Funktionen...11 Abb. 2.2: Geltungsbereich des Purdue Reference Model...13 Abb. 2.3: Hierarchisches Modell des S95 Standards...14 Abb. 2.4: MES-ERP-Grenze des S95 Standards...15 Abb. 2.5: Anwendungssystemarchitektur...19 Abb. 2.6: MES-Ebene im Überblick...21 Abb. 2.7: Teilbereiche der MES-Ebene...22 Abb. 2.8: Generisches Funktionsgruppenmodell der MES-Ebene...23 Abb. 2.9: Funktionsgruppen des Production Operation Managements...24 Abb. 2.10: Funktionsgruppen des Maintenance Operation Managements...27 Abb. 2.11: Funktionsgruppen des Quality Operation Managements...30 Abb. 2.12: Funktionsgruppen des Inventory Operation Managements...32 Abb. 2.13: Stufenmodell des MRP II-Konzeptes...38 Abb. 2.14: Überschneidung der Aufgaben von PPS-Systemen und MES...39 Abb. 2.15: Graphische Darstellung der Arbeitsplatzplanung...41 Abb. 2.16: Funktionsumfang von mysap ERP von SAP...43 Abb. 2.17: Integrierte Informationsverarbeitung...44 Abb. 2.18: Eingeführte Anwendungssysteme im Y-CIM Modell...47 Abb. 3.1: Abgedeckte Phasen des generischen Vorgehensmodells nach Grochla...51 Abb. 3.2: Vorgehensmodell zur Auswahl eines MES...53 Abb. 3.3: Exemplarisches Ergebnis von Phase 2 (nur POM)...55 Abb. 3.4: Exemplarisches Ergebnis von Phase 3 (nur POM)...56 Abb. 4.1: Merkmalsklassen von Produktionssystemen...66 Abb. 4.2: Verbundtypen in Profildarstellung...67 Abb. 4.3: Produktionsfaktoren...71 Abb. 4.4: Flexibilität und Produktivität der Maschinentypen...72 Abb. 4.5: Kontinuierlicher und diskontinuierlicher Materialfluss...83 Abb. 4.6: Variable Ablauffolge in der Produktion...86 Abb. 4.7: Prozesssubstitution...88 Abb. 4.8: Produktion auf Lager...90 Abb. 6.1: Anforderungen des Verbundtyps 1 an das POM Abb. 6.2: Anforderungen des Verbundtyps 1 an das MOM Abb. 6.3: Anforderungen des Verbundtyps 1 an das QOM Abb. 6.4: Anforderungen des Verbundtyps 1 an das IOM...116

11 XIV Abb. 6.5: Anforderungen des Verbundtyps 2 an das POM Abb. 6.6: Anforderungen des Verbundtyps 2 an das MOM Abb. 6.7: Anforderungen des Verbundtyps 2 an das QOM Abb. 6.8: Anforderungen des Verbundtyps 2 an das IOM Abb. 6.9: Anforderungen des Verbundtyps 3 an das POM Abb. 6.10: Anforderungen des Verbundtyps 3 an das MOM Abb. 6.11: Anforderungen des Verbundtyps 3 an das QOM Abb. 6.12: Anforderungen des Verbundtyps 3 an das IOM Abb. 6.13: Anforderungen des Verbundtyps 4 an das POM Abb. 6.14: Anforderungen des Verbundtyps 4 an das MOM Abb. 6.15: Anforderungen des Verbundtyps 4 an das QOM Abb. 6.16: Anforderungen des Verbundtyps 4 an das IOM Abb. 7.1: Positionen der Interviewpartner Abb. 7.2: Durchschnittliche Anforderungen an die MES-Ebene und deren aktuelle Unterstützung durch derzeitige Anwendungssysteme Abb. 7.3: Anforderungen und aktuelle Unterstützung des POM Abb. 7.4: Anforderungen und aktuelle Unterstützung des MOM Abb. 7.5: Anforderungen und aktuelle Unterstützung des QOM Abb. 7.6: Anforderungen und aktuelle Unterstützung des IOM Abb. 7.7: Verbundtypenzuordnung und deren Abweichungen Abb. 7.8: Empirische und abgeleitete Anforderungen an das POM Abb. 7.9: Empirische und abgeleitete Anforderungen an das MOM Abb. 7.10: Empirische und abgeleitete Anforderungen an das QOM Abb. 7.11: Empirische und abgeleitete Anforderungen an das IOM Abb. 8.1: Grundsätzliche Aufteilung von TCO Abb. 8.2: Kostenkategorien des TCO-Modells der Gartner Group Abb. 9.1: Vorgehensmodell zur Auswahl eines MES...180

12 XV Tabellenverzeichnis Tab. 2.1: Teilbereiche und Funktionen der MES-Ebene...34 Tab. 3.1: Exemplarisches Ergebnis von Phase Tab. 3.2: Exemplarische Nutzwertanalyse von Szenarien...60 Tab. 3.3: Exemplarische Nutzwertanalyse nach Sensitivitätsanalyse...62 Tab. 4.1: Auswirkungen der Leitmerkmale auf Auftragsveranlassung und Auftragsüberwachung...68 Tab. 4.2: Wirkung der Merkmale auf die Teilbereiche der MES-Ebene...69 Tab. 4.3: Ausgewählte Merkmale der Typologisierung...70 Tab. 4.4: Elementartypenreihe Spezialisierungsgrad der Elementarfaktoren...73 Tab. 4.5: Elementartypenreihe Produktionsanordnung...77 Tab. 4.6: Elementartypenreihe Fertigungsart...80 Tab. 4.7: Ableitung der Automatisierungsgrade...81 Tab. 4.8: Elementartypenreihe Automatisierungsgrad...81 Tab. 4.9: Elementartypenreihe Prozessablauf...84 Tab. 4.10: Elementartypenreihe Variabilität der Ablauffolge...86 Tab. 4.11: Elementartypenreihe Betriebsmittel- und Prozesssubstituierbarkeit...88 Tab. 4.12: Elementartypenreihe Auftragsart...91 Tab. 4.13: Merkmale mit deren Elementartypenreihen...92 Tab. 5.1: Typologische Ausprägung von Verbundtyp Tab. 5.2: Typologische Ausprägung von Verbundtyp Tab. 5.3: Typologische Ausprägung von Verbundtyp Tab. 5.4: Typologische Ausprägung von Verbundtyp Tab. 6.1: Auswirkungen der Merkmale auf den POM - Teilbereich Tab. 6.2: Auswirkungen der Merkmale auf den MOM - Teilbereich Tab. 6.3: Auswirkungen der Merkmale auf den QOM - Teilbereich Tab. 6.4: Auswirkungen der Merkmale auf den IOM - Teilbereich Tab. 6.5: Auswirkungen der Merkmale auf die Teilbereiche der MES-Ebene Tab. 6.6: Kombination von Anforderungsprofilen Tab. 7.1: Gegenüberstellung der Mittelwerte Tab. 7.2: Korrelation zwischen allgemeiner und errechneter Bewertung Tab. 7.3: Unterschiede zwischen Anforderung und Unterstützung des POM Tab. 7.4: Unterschiede zwischen Anforderung und Unterstützung des MOM Tab. 7.5: Unterschiede zwischen Anforderung und Unterstützung des QOM Tab. 7.6: Unterschiede zwischen Anforderung und Unterstützung des IOM Tab. 7.7: Ergebnisse der offenen Fragen...160

13 XVI Tab. 7.8: Empirische und abgeleitete Anforderungen an die MES-Ebene Tab. 8.1: TCO Kostenkategorien eines MES...173

14 XVII Abkürzungsverzeichnis BDE BFS BPR B2MML CAP CFR CIM et al. ERP FDA GMP IOM IS ISA IT KPI KVP LIMS MDE MES MESA MOM MRP II NAMUR OMS OPC PAC PAT POM PPS PRM PZE QOM RAC RFID SAP SCM SLA SOA TCO TQM WBF WIP VDI Betriebsdatenerfassung Betriebsführungssystem Business Process Reengineering Business to Manufacturing Markup Language Computer Aided Planning Code of Federal Regulation Computer Integrated Manufacturing et alii Enterprise Resource Planning Food and Drug Administration Good Manufacturing Practice Inventory Operation Management Informationssystem Instrumentations, Systems, and Automation Society Informationstechnologie Key Performance Indicator kontinuierlicher Verbesserungsprozess Laboratory Information Management System Maschinendatenerfassung Manufacturing Execution System Manufacturing Enterprise Solutions Association Maintenance Operation Management Manufacturing Resource Planning Normenarbeitsgemeinschaft für Mess- und Regeltechnik in der chemischen Industrie Operation Management System OLE for Process Control Production Activity Control Process Analytical Technology Production Operation Management Produktionsplanung und -steuerung Purdue Reference Model Personalzeiterfassung Quality Operation Management Real Application Cluster Radio Frequency Identification Systeme, Anwendungen, Produkte in der Datenverarbeitung Supply Chain Management Service Level Agreement Service oriented architecture Total cost of ownership Total quality management World Batch Forum Work in Progress Verein deutscher Ingenieure

15 1 1 Einleitung 1.1 Problemstellung Unternehmen in der heutigen - maßgeblich durch die Globalisierung geprägten - Welt stehen in einem starken nationalen und internationalen Wettbewerb. Sie müssen in immer größerem Maße ihre Prozesse durch IT-Systeme unterstützen, um ihre Wettbewerbsfähigkeit zu erhalten und zu steigern. Das bietet ihnen jedoch gleichzeitig die Chance, über eine innovative Unterstützung ihrer Prozesse durch IT-Systeme Wettbewerbsvorteile gegenüber ihren Konkurrenten aufzubauen. Bisher lag der Fokus bei der Geschäftsprozessunterstützung vor allem in den administrativen und dispositiven Unternehmensbereichen, wo eine starke Standardisierung und Formalisierung der Prozesse seit je her bestand, so dass die Unterstützung durch Informationssysteme nahezu auf der Hand lag und durch die Fortentwicklung der Informationstechnologie vorangetrieben wurde. Dort wurde in den letzten Jahrzehnten ein hoher Unterstützungsgrad erreicht, so dass größere Rationalisierungspotentiale in diesen Bereichen eher nicht mehr gesehen werden. Gleichzeitig stand die Unterstützung der Produktionsprozesse (der so genannten Shop- Floor-Prozesse) eher im Hintergrund. 1 Mittlerweile rückt die Unterstützung eben dieser Produktionsprozesse, die ungleich komplexer und weniger strukturiert aufgebaut sind, zunehmend in den Fokus der Rationalisierungsbestrebungen von Unternehmen. 2 So hat eine Umfrage unter den Fertigungsunternehmen der Vereinigten Staaten von Amerika ergeben, dass über 80% der befragten Unternehmen Prozessverbesserungen innerhalb der Produktion vornehmen wollen. 3 Hinzu kommt, dass die Produktionsprozesse - und damit auch die sie unterstützenden Systeme - häufig wachsende Richtlinien erfüllen und dabei hoch flexibel und anpassbar bleiben sowie beständig hohe Produktqualität garantieren müssen. 4 Nach der weitgehenden Ausschöpfung der Rationalisierungspotentiale in der Administration können zukünftig Kosteneinsparungen und damit einhergehende Wettbewerbsvorteile vor allem also durch eine integrierte, unternehmensweite Unterstützung der Produktionsprozesse realisiert werden. Für die zumeist sehr flexiblen Produktionsprozesse haben sich die klassischen betrieblichen Anwendungssysteme wie zum Beispiel Produktionsplanungs- und Steuerungssysteme (PPS-Systeme) 5 mit einem primär administrativen und planerischen Fokus als wenig geeignet herausgestellt, da diese der gebotenen Flexibilität nicht gerecht werden kön Vgl. ohne Autor '02 Vgl. Kozian et al. '01, S. 19 Vgl. Vinas '05 Vgl. Accomazzo & Molinari '04 Vgl. dazu auch Abschnitt 2.4.2

16 2 nen. 6 So ist die Steuerung und Unterstützung der konkreten Produktion 7 durch PPS-Systeme eher nachrangiger Teil einschlägiger Softwarepakete und wird von manchen Softwarehäusern gar nicht angeboten. Aber auch für die Planung gilt, dass PPS-Systeme sich gerade bei komplexeren Prozessen und der damit einhergehenden Streuung der Durchlaufzeiten als nicht a- däquat erweisen. 8 Zudem können die Produktionsprozesse nicht in dem Umfang an die Möglichkeiten der Informationssysteme angepasst werden, wie dies zum Teil im administrativen Bereich geschehen ist. Vielmehr müssen die unterstützenden Informationssysteme relativ passgenau auf die bestehenden Prozesse zugeschnitten werden. 9 So sind schon die Computer- Integrated-Manufacturing (CIM) Konzepte der 80er Jahre maßgeblich aufgrund der mangelnden Flexibilität im Verhältnis zur Produktion gescheitert. 10 Unter diesen Randbedingungen hat sich in den letzen Jahren eine eigene Klasse von Anwendungssystemen gebildet, die eine integrative Basis für eine flexible Unterstützung der Produktionsprozesse und damit für die Ausnutzung der Rationalisierungspotentiale und die Bildung von Wettbewerbsvorteilen darstellen. 11 Sie werden unter dem Begriff Manufacturing Execution System (MES) 12 gefasst. Trotz der mittlerweile großen Bedeutung der Anwendungssystemklasse in der Praxis - so nutzen laut einer Untersuchung aus dem Jahre 2004 die produktivsten Fabriken innerhalb der Vereinigten Staaten von Amerika 13 Manufacturing Execution Systeme - und immer weiter wachsender Marktvolumina 14 (ca. 1 Mrd. $ in 2004 mit jährlichen Wachstumsraten von über 10%) 15 wurden MES in der Wissenschaft bisher allenfalls in Teilen diskutiert. So wurden zwar etliche Teilaspekte und Funktionen anderen Themenbereichen zugerechnet und dort auch häufig ausführlich analysiert. Als Beispiele seien hier die Betriebsdatenerfassung (BDE) oder die Produktionsfeinplanung genannt. Eine ganzheitliche Betrachtung der Potentiale einer Unterstützung sämtlicher Produktionsprozesse durch ein integriertes Informationssystem ist bisher allerdings nicht erfolgt. So wurde weder eine einheitliche Definition des Begriffs MES Vgl. dazu z.b. Gorbach '04 Unter Produktion soll im Folgenden nach Gutenberg die Kombination von Elementarfaktoren (Arbeit, Werkstoffe und Betriebsmittel) durch die derivaten Faktoren (Planung und Organisation) zum Zwecke der Leistungserstellung verstanden werden. Ausgeklammert wird damit explizit die Produktion von Dienstleistungen, die hier nicht untersucht werden soll. Vgl. Gutenberg '83, S. 1 ff. Vgl. dazu z.b. Adam '01, S. 627 ff. Vgl. Scherer '98, S Vgl. Katzy '01, S. 36 Vgl. Schumacher '04, S. 19; MESA '97b Zum Teil wird in der deutschen Literatur der Begriff Betriebsführungssystem (BFS) verwendet. Im englischsprachigen Raum sind auch die Begriffe Production Activity Control (PAC) oder Operation Management System (OMS) gebräuchlich. Vgl. Vollmann et al. '97, S. 165; Banker et al. '06 Vgl. Fraser '04 Vgl. Wingate '96, Trebilcock '06 Nach einer Studie von AMR Research, vgl. Smith '05, S. 45

17 3 noch eine allgemein anerkannte Abgrenzung zu anderen Systemen in der Architektur der Informationssysteme erarbeitet. 16 Aus den bisher zumeist von Softwarelieferanten oder deren Organisationen betriebenen Begriffsprägungen und abgrenzungen ergibt sich eine begriffliche Unschärfe 17, die einerseits droht, MES als Buzz-Word verkommen zu lassen, und andererseits in Praxis und Wissenschaft eine ganze Reihe von Problemen ungelöst lässt. So ist zwar MES als Schlagwort in vieler Munde- vor allem bei Beratungsunternehmen und Angehörigen des Top-Managements -, es mangelt aber an einem einheitlichen Verständnis, was diese Systeme leisten können und welche Probleme sich mit ihnen lösen lassen. Dies wurde auch von Lindemann bei einer empirischen Untersuchung in 2006 belegt. 18 Insbesondere eine klare Abgrenzung der Funktionen eines MES und damit auch des Konzeptes hinter dem Begriff MES ist nicht erkennbar. 19 Diese Problematik schlägt sich oft auch im konkreten Management von MES-Projekten nieder. So ist häufig bei hoher Komplexität der eigenen Fertigung und des zumeist nur implizit bei den Mitarbeitern vorhandenen Wissens über die Produktionsprozesse schon eine klare und präzise Anforderungsdefinition an ein einzusetzendes MES mit großen Schwierigkeiten verbunden, was wiederum die Auswahl einer geeigneten MES-Lösung sehr schwer macht. Zusätzlich bezeichnen Softwarehersteller, mitbegünstigt durch die unpräzise Begriffsabgrenzung, unterschiedlichste Produkte mit dem Label MES, was die Anbieterauswahl weiter erschwert Ziel der Arbeit Aufgrund der damit aufgezeigten Problematik des MES-Themenkomplexes, vor allem der unklaren Begrifflichkeiten, des möglicherweise erheblichen Einflusses der Systeme auf die Flexibilität und Rentabilität der Unternehmen sowie der häufig hohen Komplexität der Produktionsprozesse soll in dieser Arbeit ein systematisches Vorgehensmodell zur Auswahl von MES entwickelt werden. Es soll hierbei insbesondere gezeigt werden, wie man, ausgehend vom Produktionssystem 21 eines konkreten Produktionsbereiches, eine spezifische Definition des MES-Funktionsumfanges im Sinne einer Auswahl der in der Produktion benötigten und So spricht auch Mertens von einer denkbar unscharfen Definition. Je nach Verfasser stehe MES synonym für Fertigungssteuerung oder für eine umfassende Prozessunterstützung in der Produktion. Vgl. Mertens '04, S. 129 Vgl. zu der grundsätzlichen Problematik einer unklaren Begriffabgrenzung auch Mertens '05, S Vgl. Lindemann et al. '06, S. 33 Vgl. Celarier & Harris '99 Vgl. Stahl '05 S. 29 Unter einem Produktionssystem sollen im Folgenden die Produktiveinheiten (Arbeitskräfte und Betriebsmittel) und die zwischen ihnen bestehenden Beziehungen verstanden werden, die als Ganzes Produkte schaffen. Vgl. dazu auch Zäpfel '82, S. 9 und Zäpfel '00, S. 91

18 4 sinnvoll einsetzbaren Funktionen 22 erarbeiten kann, und darauf aufbauend, wie mit Hilfe des Vorgehensmodells eine fundierte Auswahl eines MES getroffen werden kann und so ein möglichst optimaler Mix von Standardsoftware bezüglich Funktionalität und Kosten erreicht werden kann. Bedingt durch die mitunter hohe Komplexität, die Vielzahl von möglichen Fertigungsprozessen und die Interdependenzen zwischen Merkmalen der Produktionssysteme erscheint es kaum möglich, zu allgemein gültigen Aussagen zu gelangen. Mithin kann die Ableitung der Anforderungen an ein spezifisches MES nicht allgemein gültig nach starren Regeln erfolgen. Vielmehr sollen Produktionssystemtypen gebildet werden, an denen eine Ableitung erfolgen soll und deren Praxisrelevanz an Beispielen diskutiert und überprüft werden soll. 1.3 Aufbau der Arbeit Um eine Auswahl eines MES auf Grundlage von Anforderungen aus den Produktionssystemen durchzuführen zu können, müssen zuerst sowohl der Themenkomplex MES als auch die Merkmale der Produktionssysteme genauer untersucht und systematisiert werden. Dafür wird in Kapitel zwei die bisherige Begriffsvielfalt des Themas MES überblicksartig dargestellt mit dem Ziel, eine allgemeine MES-Definition zu erarbeiten sowie die Menge an Funktionen zu bestimmen, die in den Bereich der Manufacturing Execution Systeme gehören sollen. Gleichzeitig werden MES in die Architektur der betrieblichen Informationssysteme unter Verwendung des CIM-Konzeptes eingeordnet und somit von anderen Informationssystemen abgegrenzt, die im Umfeld der Produktion eingesetzt werden. Das Vorgehensmodell zur Auswahl eines MES wird in Kapitel drei eingeführt. Hierbei werden vier Phasen des Vorgehens dargestellt. Die einzelnen Kapitel der Arbeit werden den Phasen des Vorgehensmodells zugeordnet. Kapitel drei stellt somit die logische Klammer um die weiteren Kapitel dieser Arbeit dar (vgl. Abb. 1.1). Zur Charakterisierung der Produktionssysteme wird im vierten Kapitel die Methode der Typologisierung erläutert, so dass die zur angestrebten Entscheidungsfindung relevanten Produktionssystemmerkmale ausgewählt und mit ihren möglichen Merkmalsausprägungen genauer dargestellt werden können. Mit Hilfe dieser Merkmale werden dann im fünften Kapitel praxisrelevante Verbundtypen gebildet und beschrieben. Dadurch soll die Anzahl möglicher Ausprägungen einzelner Merkmale auf eine überschaubare Anzahl reduziert werden, um so zu einem operationalen Vorgehen zu gelangen. 22 Vgl. zur Abhängigkeit des Funktionsumfanges vom Produktionssystem z.b. Philipp '06

19 5 Anhand der identifizierten Produktionssystemtypen wird dann im sechsten Kapitel erläutert, wie man aus der Kombination der Merkmale von Produktionssystemen auf den sinnvollen Funktionsumfang eines MES schließen und somit eine fallspezifische MES-Spezifikation mit einem adäquatem Funktionsumfang erarbeiten kann. Die Aufstellung des typologischen Rahmens in Kapitel vier und die zuvor erfolgte Ableitung der Anforderungen an die MES-Ebene auf Basis der Verbundtypen werden in Kapitel 7 einer kritischen Überprüfung unterzogen. Hierfür wurde eine empirische Untersuchung in der pharmazeutischen Industrie durchgeführt. Für die Bewertung von einzelnen MES Szenarien im Rahmen des hier vorgeschlagenen Vorgehensmodells wird in Kapitel 8 ein modifiziertes TCO-Modell eingeführt. Es werden notwendige Anpassungen an den vorhandenen Kostenkategorien vorgeschlagen und Interdependenzen zwischen einzelnen Kostenkategorien diskutiert. In Kapitel neun wird eine Zusammenfassung der hier vorliegenden Arbeit gegeben und im Rahmen eines Ausblickes weitere Forschungsfragen skizziert, die einer Klärung zugeführt werden könnten. Abb. 1.1 stellt den logischen Aufbau und die Zusammenhänge der Kapitel untereinander nochmals grafisch dar.

20 6 Einleitung & Motivation (Kapitel 1) Grundlagen Manufacturing Execution Systems (Kapitel 2) Vorgehensmodell zur Auswahl eines MES (Kapitel 3) Typologische Merkmale der Produktion (Kapitel 4) Produktionssystemtypen (Kapitel 5) Zur Ableitung von Anforderungen an die MES-Ebene (Kapitel 6) Emprische Überprüfung der Ableitung von Anforderungen (Kapitel 7) Bewertung der Kosten von MES-Szenarien (Kapitel 8) Schlussbetrachtung (Kapitel 9) Abb. 1.1: Vorgehensweise der Arbeit

21 7 2 Manufacturing Execution Systeme (MES) Für das Ziel der Arbeit, ein systematisches Vorgehensmodell für die Auswahl von Manufacturing Execution Systemen oder MES, basierend auf dem jeweiligen Produktionssystem, vorzustellen, muss zuerst eine einheitliche Definition des Begriffes MES erarbeitet werden. Da bisher weder in der Praxis noch in der Wissenschaft eine einheitliche Begriffsbildung vorhanden ist, werden im Folgenden zuerst die bisher in der Literatur häufiger verwandten Definitionen wiedergegeben und einer kritischen Würdigung unterzogen. Auf dieser Basis werden dann dem Untersuchungsziel der Arbeit entsprechende Arbeitsdefinitionen entwickelt. Auf Basis des einzuführenden Instrumentations, Systems, and Automation Society (ISA) Standards S95 23 soll dann eine Übersicht über die wesentlichen Funktionsgruppen der noch zu definierenden MES-Ebene 24 erarbeitet werden, welche eine wesentliche Basis für das Vorgehensmodell in Kapitel 3 bildet. 25 Dabei wird die von der ISA vorgenommene Aufteilung der MES-Ebene in die Teilbereiche Production, Maintenance, Inventory und Quality Operation Management übernommen. 26 Abschließend erscheint es aufgrund der schon angeführten Unschärfen des Begriffes MES sinnvoll, Manufacturing Execution Systeme von anderen im Unternehmen verwendeten Klassen von Anwendungssystemen mit engem Produktionsbezug abzugrenzen, damit sie dadurch auch in die Anwendungssystemarchitektur eines Unternehmens eingeordnet werden können Bisherige MES-Begriffsdefinitionen In der wissenschaftlichen Literatur hat das Thema MES bisher noch keine größere Aufmerksamkeit erhalten, daher liegt bis dato noch keine dominierende Definition aus der Wissenschaft vor. Die aus der Praxis heraus entwickelten MES-Definitionen lassen sich grob in branchenspezifische resp. branchenfokussierte und brachenunabhängige Definitionen klassifizieren. Da sich diese Arbeit keiner Branche im Speziellen widmen soll, sondern den Ansatz eines branchenunabhängigen Vorgehensmodells verfolgt, werden die branchenspezifischen MES-Definitionen im Folgenden nicht näher diskutiert. 28 Zudem bauen die branchenspezifischen Definitionen Vgl. dazu Abschnitt 2.1.2, ISA '00, ISA '01 und ISA '05a Vgl. zur Definition der MES-Ebene Abschnitt Vgl. Vorgehensmodell der Arbeit in Abschnitt 1.3 Vgl. ISA '05a Vgl. dazu z.b.: Hoff & Endres '02, S. 47f Zum Beispiel die MES-Definition der Normenarbeitsgemeinschaft für Mess- und Regeltechnik in der chemischen Industrie (NA 94), die vor allem für die Prozessindustrie also die Fertigung von nicht stückorientierten Produkten - gelten soll. Vgl. Namur '96 & Namur '03

22 8 zumeist auf den beiden wesentlichen, hier diskutierten branchenunabhängigen Definitionen auf. Für den deutschsprachigen Raum wurde vom Verein deutscher Ingenieure (VDI) eine branchenunabhängige Definition eines MES in Form einer Norm 29 entwickelt, die aber auf die Aufgaben und den Nutzen von MES abstellt und ansonsten auf die ISA-S95- Definition verweist. Sie wird daher hier nicht weiter betrachtet, zumal sie eng mit der vom Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung erstellten Definition verknüpft ist, welche MES im Wesentlichen als Bindeglied zwischen Enterprise-Resource-Planning (ERP)- Systemen und dem Shop-Floor versteht und die Funktionen eines MES in Datenmanagement-, Entscheidungs- und Dokumentations- und Auswertefunktionen klassifiziert. 30 Im Folgenden werden die zwei bisher in der Literatur dominierenden praxisnahen MES-Definitionen der Manufacturing Enterprise Solutions Association und der Instrumentations, Systems, and Automation Society vorgestellt und anschließend einer kritischen Würdigung unterzogen MES-Definition der Manufacturing Enterprise Solutions Association Die Manufacturing Enterprise Solutions Association (MESA) ist eine Non-Profit- Organisation, in der sich Vertreter von Industrie, Softwareherstellern und Unternehmensberatern 1992 zusammengeschlossen haben, um einen Informationsaustausch untereinander zu führen über die Möglichkeiten und die Integration von produktionsnaher Informationstechnologie sowie die Verbreitung von MES. 31 Als eine der häufig zitierten Definitionen versteht die MESA unter MES Systeme, "that deliver information enabling the optimization of production activities from order launch to finished goods. Using current and accurate real-time data, MES guides, responds to, and reports on plant activities as they occur. The resulting rapid response to changing conditions, coupled with a focus on reducing non-value added activities, drives effective plant operation and processes." 32 Durch diese Definition wird ein MES als ein System definiert, das die Bereitstellung von Real-Time-Daten über den gesamten Produktionsprozess zur Aufgabe hat. Betrachtet man die Hervorhebung der Produktionsprozessoptimierung und der möglichen Einsparpotentiale einer MES-Einführung, so erkennt man dort relativ klar die Zielsetzung einer Organisation, die einen Zusammenschluss von MES-Herstellern repräsentiert Vgl. dazu VDI '06, S. 2 Vgl. dazu Wiendahl et al. '04 S. 33 f Vgl. dazu auch MESA 00a Vgl. MESA '00a

23 9 Zusätzlich zu dieser Definition hat die MESA eine Aufstellung der Hauptfunktionen erstellt, die nach ihrer Einschätzung Teil eines umfassenden MES sein sollten. Diese 11 Funktionen sollen zum Beispiel dazu verwandt werden, eine Compliance 33 mit der MESA-Definition eines MES nachzuweisen. 34 Sie dienen ebenso zur Operationalisierung der Definition und werden daher im Folgenden kurz dargestellt. 35 Die Funktion Resource Allocation and Scheduling soll die Verwaltung, Reservierung und Zuordnung der einzelnen in der Produktion verwendeten Ressourcen wie Maschinen, Arbeiter, Dokumente und Material zu den jeweiligen Plänen sicherstellen. 36 Operations/Detail Scheduling stellt eine Feinplanungsfunktion dar. Sie soll unter Berücksichtigung von Rüstzeiten, Durchlaufzeiten, Prioritäten und anderen Restriktionen einen optimalen Produktionsfeinplan erstellen. Im Rahmen der Funktion Dispatching Production Units sollen die für den jeweiligen Prozesszeitpunkt relevanten Aufträge an die verschiedenen Produktionseinheiten verteilt werden. Dabei werden die jeweiligen Arbeitsschritte in Echtzeit in der Reihenfolge angezeigt, in der sie erfolgen. Das System soll in der Lage sein, Arbeitsschritte zu variieren und selbständig Nachbesserungen und Korrekturen auf Basis der Real-Time-Daten anzustoßen. Gleichzeitig behält es die Kontrolle über den Arbeitsaufwand im Prozess und über eventuelle Puffer. Die Verwaltung und Erstellung aller mit dem Prozess im Zusammenhang stehenden Dokumente wie Produktionsvorschriften, Arbeitsanweisungen, Rezepte und Protokolle werden in der Funktion Document Control zusammengefasst. Sie soll automatisch die benötigten Informationen an die entsprechenden Stellen in der Produktion verteilen und empfängt von dort neue Informationen. Umgebungsdaten und Korrekturmaßnahmen werden ebenfalls mit aufgezeichnet. Zusätzlich soll eine Dokumentenhistorie vorhanden sein. Die Data-Collection/Acquisition Funktion soll eine Schnittstelle zur Verfügung stellen, um die Daten aus dem Produktionsbereich für die Produktionsprotokolle und Formulare zu sammeln. Die Erfassung der Daten im Produktionsbereich kann sowohl manuell als auch automatisch erfolgen Unter Compliance wird die Einhaltung bzw. Erfüllung von Richtlinien oder Gesetzen verstanden. Vgl. dazu z.b. Snoeij & Visser '01 Zu der Fragestellung einer Gegenüberstellung der elf MESA-Funktionen zu den gebräuchlichen Anwendungssystemenklassen und deren Funktionen in der wissenschaftlichen Literatur sei hier auf die Zuordnung der S95-Funktionen in Abschnitt 2.3 verwiesen, da sich die 11 von der MESA definierten Funktionen vollständig den S95-Funktionen zuordnen lassen. Vgl. zu der Zuordnung ISA '00 S. 139f Vgl. dazu und den folgenden Funktionen MESA '97c S. 12