Manufacturing Execution Systems (MES)

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1 Wissen Kompakt Zeitschrift für erfolgreiche Produktion Manufacturing Execution Systems (MES) Berichterstattung Fakten, Hintergründe, Trends Marktübersicht MES-Anbieter Im Portrait Hersteller und Produkte 2011/12 In Kooperation mit:

2 Zwei Namen Eine Lösung. M+W Process Automation GmbH und teufel software GmbH Companies of the M+W Group Echtes Collaborative Production Management (CPM) durch Integration und Optimierung aller Prozesse vom Auftragseingang über die Beschaffung, Logistik, Produktion bis hin zur Lieferung und Customer Relationship Management (CRM). Geschäftsprozess Beschaffung Produktion Vertrieb Versand Service Fordern Sie uns: teufel software GmbH A Company of the M+W Group Steigäcker Balgheim, Deutschland M+W Process Automation GmbH A Company of the M+W Group Am Herrschaftsweiher Ludwigshafen, Deutschland

3 MES Wissen Kompakt Das Magazin mit dem MES Sachgeschichten für die Produktion Wenn man den Begriff weit fasst, schreibt das wohl bekannteste Technikmagazin einmal mehr Mediengeschichte: Seit nunmehr 40 Jahren erscheint die Sendung mit der Maus regelmäßig nicht nur auf deutschen Bildschirmen und es dürfte schwierig werden, hierzulande einen Fernsehzuschauer zu finden, der die beliebte Sendung zumindest vom Hörensagen her nicht kennt. Wir gratulieren der rot-braunen Maus und ihren Machern herzlich zum Geburtstag! Eines der Erfolgsrezepte der Kindersendung, deren Zuschauer nach WDR-Angaben im Durchschnitt allerdings so alt sind wie die Zeichentrickfigur mit den Klimperaugen selbst: Komplizierte Sachverhalte verständlich darzustellen. Die Bandbreite der aus Köln stammenden Sendung reicht von der Zahnpastaproduktion über den Flugzeugbau bis hin zu Umwelt- und Alltagsthemen. Der Erfolg gerade bei erwachsenen Zuschauern zeigt: Klarer Ausdruck und regelmäßiges Auffrischen von Wissensgrundlagen zahlt sich auch im technischen Umfeld aus. In diesem Sinne laden wir Sie zum mittlerweile sechsten Mal zur Lektüre unseres aktuellen Überblicks zu fertigungsnahen IT-Lösungen ein. Neben der umfangreichen Marktübersicht (S.22) erwarten den Leser Tipps für Systemauswahl (S.28) und Systemeinführung (S.6) genauso wie der aktuelle Forschungsstand zur Systemzusammenarbeit (S.14) und Hilfestellungen für den gezielten Einsatz von Kennzahlen im Produk- tionsumfeld (S.18). Zugegeben: Eine komplett fremdwortfreie Zone kann ein Fachmagazin für Fertigungstechnologie sicherlich nicht sein. Dennoch stellen wir den Maus-Anspruch auch an unsere Publikationen: Komplexe Themen lesernah aufzubereiten, und dabei die Fragen nach dem wie und warum nicht hintenan zu stellen. An diesem Anspruch wollen wir uns messen lassen: Schreiben Sie uns per an welche IT-Themen und -Fragen Ihr Unternehmen im Produktionsumfeld beschäftigen und ob die Berichterstattung in der IT&Production Ihren Informationsbedürfnissen Rechnung trägt. Redakteur IT&Production 3

4 MES Wissen Kompakt 2011/12 Einführungsprojekte für Software sprengen häufig Zeit- und Kostenrahmen. Für die erfolgreiche Einführung eines Manufacturing Execution-Systems ist daher zielgerichtetes Vorgehen unabdingbar. Seite 06 Bild: Fotolia - Alterfalter Erfolgsfaktoren für die Systemeinführung Projektmanagement bei der MES-Einrichtung S.06 Modulare Montageleitsysteme Bedarfsgerechter Einsatz in der Produktion S.10 Herausforderung Interoperabilität Standards für die digitale Fabrik S.14 Fertigungsmanagement auf der Agenda MES als strategisches Hilfsmittel S.18 Die Investitionsgüterindustrie benötigt Anpassungsfähigkeit und höheres Entwicklungstempo. Ein wichtiger Eckpfeiler für produzierende Unternehmen ist dabei die Fertigungsorganisation. Seite 18 Bild: Fotolia - Phoenixpix Marktübersicht Manufacturing Execution-Systeme S.22 Tipps für die erfolgreiche Systemauswahl Effizient steuern mit Manufacturing IT S.28 Komplexität in der Produktion beherrschen Entscheidungen durch MES-Einsatz absichern S.32 Erfolgsfaktor für die Produktion Auf dem Weg zur übergreifenden Lösung S.36 Die Anforderungen an die Produktionsplanung sind gestiegen. Heutige, komplexe Planungs- und Steuerungsprozesse lassen sich vielfach nicht mehr ohne den Einsatz produktionsnaher Systeme beherrschen. Entscheidungshilfe MES oder BDE/MDE Systeminvestitionen langfristig planen S.40 Seite 32 Bild: Fraunhofer IPA Ansprechpartner für die Industrie MES-Verbände und -Initiativen im Überblick S.44 Impressum S.74 4

5 Hersteller und Produkte A+B Solutions GmbH S. 48 advenco Consulting GmbH S. 49 AIS Automation Dresden GmbH S. 50 ccc software gmbh S. 51 Digital-Zeit GmbH S. 52 Fastec GmbH S. 53 Seite 49 Freudenberg IT KG S. 54 gbo datacomp GmbH S. 55 Gfos mbh S. 56 Guardus Solutions AG S. 57 IGZ Logistics + IT GmbH S. 58 innotec Systemtechnik GmbH S. 59 InQu Informatics GmbH S. 60 ism integral systemtechnik GmbH S. 61 Istec GmbH S. 62 Seite 62 Seite 62 itac Software AG S. 63 M+W Process Automation GmbH S. 64 MPDV Mikrolab GmbH S. 65 Orbis AG S. 66 ProSes BDE GmbH S. 67 Psipenta Software Systems GmbH S. 68 SAP Deutschland AG & Co. KG S. 69 Sear GmbH S. 70 T.I.G. Technische Informationssysteme GmbH S. 71 Seite 72 Trebing & Himstedt Prozeßautomation GmbH & Co. KGS. 72 Wonderware GmbH S. 73 5

6 MES Wissen Kompakt: MES-Strategien Projektmanagement beim MES-Einsatz Erfolgsfaktoren für die Systemeinführung Bild: Fotolia - Alterfalter Einführungsprojekte für Software stehen in dem Ruf, häufig Zeit- und Kostenrahmen zu sprengen. Die Einrichtung eines Manufacturing Execution-Systems macht da keine Ausnahme: Für eine erfolgreiche Installation ist zielgerichtetes Vorgehen gefragt. Das Budget hat nicht ausgereicht. Der Terminplan wurde nicht eingehalten. Es wurden nicht alle Anforderungen erfüllt. Solche oder ähnliche Aussagen fallen bei der Einführung von Software-Systemen immer wieder. Die Gründe liegen meist in Fehlern bei Projektvorbereitung und Begleitung, etwa wenn komplexe Zusammenhänge unterschätzt wurden. Diese Gefahr besteht auch und gerade bei der Einführung eines Manufacturing Execution-Systems (MES), bei dem zahlreiche Abteilungen und unterschiedlichste Personen eines Produktionsunternehmens involviert sind. Gerade beim Einsatz einer Software-Lösung gilt es, drei wesentliche Größen in den Griff zu bekommen, die über den Erfolg eines solchen Projektes entscheiden: Funktionelle Anforderungen an das MES Vorhandenes Budget Geplanter Zeitrahmen Angelpunkt Anforderungsmanagement Bereits bei der Auswahl des passenden Anbieters spielt die Definition der Anforderungen im Rahmen eines Pflichtenheftes eine entscheidende Rolle. Denn nur eine exakt beschriebene Aufgabenstellung gestattet die spätere Kontrolle des Projektverlaufs und vermeidet Diskussionen um Funktionsumfang und Anpassungen. Moderne MES werden auf Basis eines modular aufgebauten Baukastensystems eingerichtet. Anwender sollten daher zuerst die Frage für sich beantworten, welche Komponenten sie in welchem Umfang im Betrieb einsetzen wollen und ob zusätzliche Änderungen an der Software benötigt werden. Hauptbestandteile einer MES-Lösung sind Betriebs- und Maschinendatenerfassung (BDE/MDE) zur Erfassung von Auftrags- und Maschinendaten. Hinzu kommen Komponenten für die Fertigungssteuerung 6

7 beziehungsweise Feinplanung zur Reihenfolgebildung und Terminierung der Fertigungsaufträge. Daneben steht in der Regel ein Ressourcenmanagement für Maschinen, Werkzeuge, Material und Personal zur Verfügung. Zahlreiche Systeme bieten außerdem Funktionen für Qualitätsmanagement, Instandhaltung und Rückverfolgbarkeit an. Auch fertigungsspezifische Kennzahlenauswertungen (KPI) zählen zum Leistungsspektrum aktueller MES. Rahmenbedingungen im Pflichtenheft festschreiben Um die benötigten Komponenten eines MES in der gewünschten Ausprägung festzuhalten, empfiehlt sich der Einsatz eines Pflichtenheftes. Das Dokument sollte auch die Beschreibung der Ist-Situation im Betrieb enthalten, insbesondere wenn es um die Ablösung oder Integration bestehender Lösungen oder Komponenten geht. Abhängigkeiten und Schnittstellen zu anderen Systemen, etwa Enterprise Resource Planning (ERP), sollten ebenfalls beschrieben sein. Darüber hinaus gilt es, technische Rahmenbedingungen frühzeitig zu klären und zu dokumentieren. Das zeigt das Beispiel einer geplanten integrierten Maschinendatenerfassung: Aus der Anforderung, Daten zu Rüsten, Produktion, Stillstand, Störungen und Prozessverlauf zu erfassen, ergibt sich, dass eine technisch einfache Kommunikation über digitale oder analoge Signale nicht möglich ist. Stattdessen muss ein Datenaustausch mit der Steuerung der Maschine erfolgen. Dazu gilt es anschließend zu klären, ob die Maschinen auf eine SPS-Kommunikation vorbereitet sind und die gewünschten Informationen zur Verfügung stehen. Diese Fragen sollten frühzeitig durch Rücksprache mit dem Maschinenhersteller geklärt werden. Denn im frühen Projektstadium lässt sich zumeist noch rechtzeitig ermittelten, ob und mit welchem Aufwand Anpassungen möglich sind. Lösungen verschiedener Anbieter vergleichen Im Rahmen des Auswahlprozesses kann dann unter anderem in Workshops mit Software-Anbietern überprüft werden, ob die vorgestellte Lösung die im Pflichtenheft definierten Anforderungen abdeckt. Hierbei gilt es auch darauf zu achten, wie flexibel sich das MES an Detailanforderungen anpassen lässt. Denn im späteren Projektverlauf - etwa bei Feinkonzeption, Implementierung und im Betrieb - können sich noch Änderungswünsche ergeben. Betriebe sollten sich daher informieren, welche Anpassungen das eigene IT-Personal am System vornehmen kann, und welche Änderungen der Lieferant der Lösung im Rahmen einer Programmanpassung durchführen muss. Moderne MES gestatten beispielsweise die Änderung von Rückmeldefunktionen am BDE-Erfassungsterminal ohne tiefgehende Programmkenntnisse. So lassen sich aufwändige und kostenintensive Programmanpassungen vermeiden und Vorteile einer Standardlösung gezielt nutzen, ohne auf die Berücksichtigung individueller Anforderungen zu verzichten. Bild: GFOS Professionelles Projektmanagement spielt bei der Einführung von IT-Lösungen eine entscheidende Rolle. Denn wer die Abhängigkeiten im Projektverlauf aus den Augen verliert, riskiert steigende Kosten und Integrationszeiten. 7

8 MES Wissen Kompakt: MES-Strategien Feinkonzept entwicklen und erste Prototypen einsetzen Nach der Entscheidung für ein MES ist es in der Regel sinnvoll, die im Pflichtenheft definierten Anforderungen in einem Feinkonzept zu konkretisieren. Denn während das Pflichtenheft etwa Auswertungsbedarfe mit Stichworten und Kopien bestehender Auswertungen umschreibt, kommt es im Feinkonzept darauf an, Details wie die genaue Datenherkunft zu klären und zu definieren, welche Selektionskriterien, Ausgabefelder, Formate und Berechnungen erforderlich sind. Der Einsatz von Standardpublikationen wie dem VDMA-Einheitsblatt zur Definition von MES-Kennzahlen und ausführlichen Funktionsbeschreibungen des MES- Lieferanten können diese Prozesse merklich beschleunigen. Darüber hinaus hat sich der Einsatz von Prototypen für Funktionen wie BDE-Erfassungsdialoge bewährt, bei denen viele Anwender mit der Lösung in Berührung kommen. Steht das Feinkonzept, sollten die Projektverantwortlichen des Betriebs und des Software-Anbieters die Dokumentation schriftlich freigeben. Nicht vergessen werden darf hier der Betriebsrat. So wird erreicht, dass das Feinkonzept mit dem erforderlichen Augenmerk geprüft wurde und als Basis für die Realisierungsphase dienen kann. Der Kostenfalle Change Request einen Riegel vorschieben Sind alle Anforderungen definiert und im MES-Projektvolumen berücksichtigt, ist eine wesentliche Weichenstellung für die Einhaltung des Budgets gelegt. Denn die Einhaltung des Budgets hängt maßgeblich von der Qualität der ursprünglichen Anforderungsdefinitionen ab. In der Vorbereitung gilt es, neben technischen Gegebenheiten genau zu prüfen, wer an welcher Stelle zu beteiligen ist und welche Schulungsmaßnahmen durch internes oder externes Personal erforderlich sein werden. Bei der Erstellung des Terminplans ist zu berücksichtigen, wie viel Zeit die Projektbeteiligten erübrigen können. Denn vielfach müssen Mitarbeiter, die in der Theorie in Vollzeit an Für die effiziente Gestaltung etwa von Erfassungsdialogen bietet sich der Einsatz von Prototypen in der Fertigungsumgebung an. der MES-Einführung arbeiten, gleichzeitig das Tagesgeschäft weiterführen. Hier ist ein sinnvoller Kompromiss für eine realistische Terminplanung unabdingbar, der auch Raum für ungeplante Ereignisse im Tagesgeschäft lässt, denn bereits leichte Terminverschiebungen bei einem Projektverantwortlichen können an anderer Stelle zu weitreichenden Verzögerungen führen. Falls ungeachtet sorgfältiger Vorbereitung im Laufe der Systemeinführung Änderungsanforderungen auf Englisch change requests aufkommen, sollten die Verantwortlichen sorgfältig prüfen, ob und zu welchen Kosten etwa zusätzliche Wünsche für eine Datenauswertung unmittelbar berücksichtigt werden sollen. Änderungen auf Zuruf gilt es grundsätzlich zu vermeiden, da einzelne Mitarbeiter den gesamten Zeit- und Kostenplan des Projektes nur selten überblicken können. Bild: Fotolia - Anthony Leopold 8

9 Projektmanagement als Eckpfeiler für die Systemeinführung Bei einer MES-Einführung handelt es sich um ein Unternehmensprojekt. Der konsequenten Anwendung von Projektmanagement-Methoden kommt daher wesentliche Bedeutung für die erfolgreiche Systemeinführung zu. Zu den typischen Zielsetzungen zählen dabei die standardisierte Projektabwicklung, die Verbesserung von Projektabläufen sowie der ständige Überblick über Projektstatus und anstehende Aufgaben für alle Beteiligten. Gleichzeitig kommt die konsequente Dokumentation der Arbeitsqualität und der Rechtssicherheit bei der Projektdurchführung zugute. Nicht zuletzt soll der regelmäßige Blick auf Termine und Aufgaben dafür sorgen, dass der geplante Zeitrahmen eingehalten wird. Klare Anforderungen und Zuständigkeiten In der Projektvorbereitung geht es um die Festlegung des Fahrplans für den späteren Projektablauf. Dazu muss geklärt werden, welche administrativen Tätigkeiten zum Projektstart erforderlich sind. Ebenso gilt es, Zielsetzung und Gründe für das Projekt festzuhalten sowie die Rahmenbedingungen für die Durchführung zu bestimmen. Die Frage nach den Leistungen, die zu den expliziten Bestandteilen der IT-Lösung zählen, müssen auch im Detail geklärt werden. Hinzu kommt die Betrachtung der nötigen Arbeitsschritte und ihren Abhängigkeiten. Auch die Risiken auf dem Weg zur Zielerreichung sollten dokumentiert werden. Nicht zuletzt sind Zuständigkeiten und Kommunikationsstruktur festzulegen. Bereits in dieser sehr frühen Projektphase werden also wesentliche Weichen und Spielregeln für den Erfolg gestellt. Im Rahmen der Projektdurchführung kommt der kontinuierlichen Überwachung des Projektes insbesondere in Bezug auf die Projektfortschritte, Termine und Budget eine wichtige Rolle zu. So kann frühzeitig auf Planabweichungen reagiert und gegengesteuert werden. Der Einsatz einfacher Mittel - beispielsweise regelmäßigen, wöchentlichen Statusberichten an alle Projektverantwortlichen - macht den Projektstatus transparent und nachvollziehbar. Das Einführen von schriftlichen Bestätigungen stellt sicher, dass alle Beteiligten den Status kennen und akzeptieren. Sollte es trotz eines guten Projektmanagements zu Abweichungen gekommen sein, sind die Gründe hierfür spätestens in der Nachbereitung zu hinterfragen und zu dokumentieren, um aus möglichen Abweichungen und Fehlern für Folgeprojekte zu lernen. Den Erfolgsfaktor Mensch im Blick In Zeiten, in denen die Alleinstellungsmerkmale einer Software immer geringer werden, darf nicht vergessen werden, dass in einem MES-Projekt der Faktor Mensch entscheidend zum Erfolg beiträgt. So hängt nicht nur die zielgerichtete Einführung von IT-Systemen stark von der Motivation der Projektbeteiligten und ihrer Identifikation mit dem Projekt ab. Kommunikation und mögliche Spannungen innerhalb des Projektteams beeinflussen ganz entscheidend den Ausgang eines Projektes. Schließlich arbeiten zahlreiche Abteilungen mit vielfach sehr verschiedenen Interessen und Herangehensweisen mit dem Softwarehersteller zusammen. Hier ist ein Projektleiter gefordert, der neben den fachlichen Voraussetzungen auch passende Führungsqualitäten mitbringt. Mit seinen Fähigkeiten sowie seiner Leitungskompetenz steht und fällt das Projekt. Autor Stefan Schumacher ist Leiter des Bereiches MES-Beratung bei der GFOS mbh in Essen. 9

10 MES Wissen Kompakt: Montageleitsysteme Bedarfsgerechter IT-Einsatz in der Produktion Modulare Montageleitsysteme Wer Rentabilität und Produktivität steigern will, kommt über den Einsatz von IT in der Fertigung kaum herum. Denn das Potenzial in der Produktionstechnik ist vielerorts bereits ausgeschöpft. Dabei müssen im Umfeld von Produktion und Logistik nicht unbedingt monolithische Systeme zum Einsatz kommen. Für produzierende Betriebe mit hohem Anteil wechselnder Tätigkeiten und Änderungsabläufen in der Fertigung kann sich der Einsatz von standardisierten Framework-Lösungen lohnen, die zur Einbindung anpassbarer Einzelmodule etwa zur Kennzahlenermittlung oder für E-Kanban dienen. Bild: Istec Der Schlüssel für mehr Rentabilität liegt für deutsche Industriebetriebe in Produktion, Montage und Fertigung. Wenig Fläche, schneller Durchlauf und hohe Effizienz der Fertigungs- und Zuführungsprozesse sind gefragt. Das zeigt auch eine Aussage von Dr. Kurt Bettenhausen, dem Vorsitzenden der VDI/VDE- Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik auf dem VDI-Kongress in Baden-Baden: Nicht mit Dienstleitungen wird Deutschland reicher, sondern mit effizienter Produktion. Transparente Prozesse Die ISO-Spezifikation beschreibt einen Prozess als Tätigkeit, die Ressourcen verwendet und die Umwandlung von Eingaben in Ergebnisse zum Ziel hat. Solche Abläufe können durch viele Faktoren verbessert werden: Klare Vorgaben, eindeutige Regelungen, verbindliche Absprachen sowie eine strukturierte und abgestimmte Vorgehensweise. Denn während das Verbesserungspotenzial der Fertigungstechnologie vielerorts ausgereizt ist, bietet die Gestaltung der Betriebsabläufe jede Menge Spielraum. Schließlich muss jeder, der am Fertigungsprozess mitarbeitet, sich mit Arbeitsinhalt und -ergebnis identifizieren können, um einen optimalen Beitrag zu leisten. Dies gilt vom Werksleiter über den Shop-Floor-Manager bis hin zum Staplerfahrer im Lager. Jedem müssen dabei die passenden Informationen über den Prozess zur Verfügung stehen Verfügbarkeit, Vollständigkeit und Transparenz der Daten sind für ein modernes Unternehmen auf allen Managementebenen ein wesentli- 10

11 cher Aspekt zur Optimierung der Produktion und erfolgreichen Positionierung am Markt. Dazu zählen unter anderem: Überschaubare, produktbezogene und kostenverantwortliche Einheiten Klar strukturierte Abläufe in und um die Wertschöpfungskette, die analysiert, kontrolliert und optimiert werden IT-gestützte Prozessdarstellung und -abwicklung Unabhängig arbeitende Prozessinstanzen IT-Unterstützung für das Tagesgeschäft Durch den Einsatz moderner IT-Systeme lassen sich Prozessvorgaben und -regelungen einfach und strikt überwachen. So muss etwa die ständige Überprüfung eines Pressdrucks oder Mindestbestands kein Personal binden, wenn die Werte digital vorliegen und eine Überwachung per Software möglich ist. Die dazu eingestzten IT-Lösungen werden Manufacturing Execution Systeme (MES) genannt. ME-Systeme stellen die IT-Verbindung zwischen Unternehmensleitung und Fertigung her. Die Lösungen erfassen Betriebs- und Maschinendaten (BDE/MDE) und können durch unmittelbaren Zugriff auf Fertigungsdaten Kennzahlen und andere wichtige Werte wie etwa Durchlaufzeiten und Bestandsreichweiten ermitteln und bewerten. Daraus lassen sich wiederum Regeln zur Prozessoptimierung ableiten. Der stetige Kostendruck sorgt seinerseits dafür, dass hier schlanke Systeme gefragt sind, deren Funktionsumfang auf die Bedürfnisse des Wertschöpfungsprozesses zugeschnitten ist. Spagat zwischen Standard und Individualität Dieses Vorgehen gestattet Unternehmen, die oft als gegensätzlich zitierten Ansprüche an Standardisierung und Individualität zu verbinden. Denn die einzelnen Software-Komponenten sind standardisiert, die Zusammenstellung, Parametrierung und Einrichtung erfolgt aber auf Anforderung des Unternehmens hin. Diese Vorgehensweise bietet zudem den Vorteil, eine möglichst schlanke Lösung zu implementieren, da sich die Zahl und Umfang der Module am Bedarf im Unternehmen orientieren. Das vermeidet den Einsatz zu komplexer Systeme und Abläufe. Der komponentenorientierte Ansatz erleichtert außerdem die Abwicklung der Business-Logik in einer zentralen Datenbank, was wiederum Wartbarkeit und Erweiterbarkeit des Systems zugute kommt. Neue oder geänderte Komponenten können eingesetzt oder ausgetauscht werden, ohne die Funktion anderer Systemteile zu behindern. Die Anpassung der Software kann also vielfach ohne Stillstandszeiten vollzogen werden. Vom Arbeitsplan zur Montagesteuerung Gerade im Bereich Montagesteuerung lassen sich so auch Systeme, die im unteren Preissegment angesiedelt sind, einsetzen. Dabei müssen Anwender nicht auf grundlegende MES-Funktionen wie Planen, Steuern, Überwachen und Optimieren verzichten. Den Schlüssel dazu stellt eine konsistente Datenbasis dar, um auf Basis des Arbeitsplans eine vollständige Aufteilung in einzelne, steuerbare Arbeitsvorgänge zu ermöglichen. Der Arbeitsplan legt dabei fest, was, wie, wo und in welcher Reihenfolge von wem mit welchen Mitteln bearbeitet werden soll. Aber auch ein ausgereiftes, erprobtes Datenmodell kann nicht alle Anforderungen einer spezifischen Produktionsumgebung erfüllen. Daher sollten Unternehmen beim Einsatz modularer Lösungen darauf achten, dass das Modell ohne großen Programmieraufwand um neue Funktionen erweitert werden kann. Das gleiche gilt für Schnittstellen zu angrenzenden Systemen: Wer auf Standards setzt, erleichtert die Integration in Geschäftssysteme genauso wie die parametrierbare Kommunikation mit der Automatisierungstechnik. So lassen sich Auftragsdaten aus dem ERP gemäß der im ME-System definierten Granularität und Ressourceninformationen zu Planungsdaten für die Steuerung der Montage verarbeiten. Durch entsprechende Pflege der logistischen Stammdaten etwa zu Stationen und Arbeitsschritten kann nahezu jede Produktionslogistik abgebildet und vom System unterstützt werden. 11

12 MES Wissen Kompakt: Montageleitsysteme Feinplanung für den Fertigungsprozess Dabei optimiert die Feinplanungskomponente auf Basis der Auftragsdaten die Bearbeitungsfolge. Im Rahmen des Planungsprozesses spielen unter anderem Material- und Ressourcenverfügbarkeit, Rüst- und Durchlaufzeiten sowie die Transportwege eine wichtige Rolle. Welche Instrumente dabei zum Einsatz kommen, hängt von den Gegebenheiten vor Ort ab. Die Bandbreite aktueller Software umfasst eine automatische Plantafel genauso wie manuelle Planung sowie Rückwärts- oder Vorwärtsplanung. Das Ziel bleiben aber immer kurze Planungszyklen, um auch angesichts steigender Variantenvielfalt wettbewerbsfähig produzieren zu können. Auch Darstellung und Weitergabe der Arbeitsanweisungen unterscheiden sich von Betrieb zu Betrieb und reichen vom einfachen Ausdruck des Arbeitsplanes über eine gezielte Bedienerführung am Montageplatz bis zur elektronischen Arbeitsanweisung an eine Automatisierungseinheit. Dementsprechend unterschiedlich erfolgt die Vollzugsmeldung. Der Bediener quittiert per Mausklick, per Barcode-Scan oder durch Eingabe am Bedienerdialog, die Maschine schickt elektrisch auswertbare Informationen über den vollzogenen Arbeitsschritt. Schichtbezogene Ereignisse, Ergebnisse und Anmerkungen werden in einem elektronischen Montagebuch gesammelt. Auftragssteuerung und -rückmeldung Die Arbeitsschritte werden dann vom Montageleitsystem in einem Montageverlauf protokolliert. Arbeitsschritte können bei Bedarf auch als Fortschrittsmeldung an das überlagerte ERP-System geleitet werden. Um die Montage effizient mit Material zu versorgen, arbeiten einige Montageleitsysteme mit einer integrierten Kanban-Komponente, auch als E- Kanban bezeichnet. Dieses einfache, ursprünglich aus Japan stammende Verfahren regelt die Materialversorgung. Die Methode lässt sich aber bei hoher Variantenvielfalt und Änderungshäufigkeit vielfach nur IT-gestützt sinnvoll einsetzen. Um die Abläufe über das Montageleitsystem effizient überwachen und steuern zu können, sollten Unternehmen auf den Einsatz einer leistungsfähigen und anpassbaren Cockpit-Komponente achten. Die Schautafeln sollten aussagekräftige Produktionskennzahlen und relevante Fertigungsdaten in der vom Anwender geforderten Detaillierung anzeigen. Ergänzende Überwachungsmechanismen und Alarmierungsmethoden gestatten die schnelle Reaktion auf Ereignisse in der Werkhalle. In der Praxis haben sich die folgenden Plantafeln bewährt: Aufträge und Maschinenauslastung Bearbeitungsreihenfolge und Umplanen Personaleinsatzplanung und -auswertung Auftrags- und personalbezogene Schichtprotokolle Qualitätssichten zu Fertigung und QS-Alarmierung Zustände von Maschinen und Anlagen Auswertungen zu produktionslogischen Kennzahlen Ziel der Produktion ist die zeitgerechte, kostengünstige Herstellung von Artikeln mit höchster Qualität. Unverzichtbar ist dabei, die richtigen IT-Werkzeuge einzusetzen. Sie müssen einfach handhabbar sein und stets aktuellen Überblick ermöglichen. Ein schlankes, flexibel konfigurierbares, kostengünstiges Montageleitsystem kann dabei einer der zentralen Schlüssel zur Steigerung der Effizienz in der Produktion sein. Autor Uli Möhrmann ist Bereichsleiter Produktion und Logistik bei der ISTEC GmbH. 12

13 MES M EHRWERT SCHAFFEN E FFIZIENZ STEIGERN S TANDORT SICHERN Effizienter Produzieren mit Manufacturing Execution Systemen (MES) von MPDV! höhere Nutzgrade bessere Termintreue geringere Energiekosten gesteigerte Qualität vollständige Traceability Optimieren mit Kennzahlen Nutzen Sie unsere bewährten MES-Funktionen für mehr Transparenz und Effizienz: BDE, Maschinendaten, Leitstand, Material - fluss, DNC, Werkzeuge/Ressourcen, Tracking/Tracing, Fertigungsbegleitende Prüfung, SPC, CAQ, Personalzeit, Perso - naleinsatzplanung, Leistungslohnermitt- lung und Zutrittskontrolle. Stand 17.B54 MPDV Mikrolab GmbH

14 MES Wissen Kompakt: Schnittstellen Informationstandards für die digitale Fabrik Herausforderung Interoperabilität Einer der Treiber für moderne Produktion, deren effiziente Organisation und internationale Vernetzung ist die Informationstechnik. Die Integration von IT-Systemen spielt dabei eine immer bedeutendere Rolle, um Geschäftsprozesse durchgängig zu unterstützen und Informationen entsprechend der jeweiligen Arbeitsaufgabe bereit zu stellen. Zu den Integrationsaufgaben zählen die vertikale Systemintegration, etwa von der Unternehmensleitebene zur Fertigungsebene, die horizontale Integration zur Unterstützung von Prozessen beispielsweise auf der MES-Ebene, sowie die Integration über den Lebenszyklus einer Anlage hinweg. Für MES zeichnen sich folgende Entwicklungen ab: 1. ME-Systeme werden in Zukunft über standardisierte Plug-and-work -Mechanismen mit unterlagerten Fertigungsebenen vertikal zusammenarbeiten. 2. Auf der MES-Ebene werden Komponenten auch unterschiedlicher Hersteller horizontal integriert sein. Dabei kommen Instrumente wie Wissensnetzwerke oder Ontologien, service-orientierter Aufbau und durchgängiges Datenmanagement zum Einsatz. 3. MES werden voll an Systeme der Digitalen Fabrik angekoppelt sein. Ziel ist unter anderem die permanente Planungsbereitschaft: Sobald sich Änderungen in der Produktion ergeben, werden diese in sämtlichen beteiligten Systemen nachgeführt. Um umfassende Interoperabilität in diesen Gebieten zu erreichen, müssen die im Fertigungsbetrieb zu kommunizierenden Inhalte strukturiert werden. Dazu gilt es auch, die zugehörigen Bedeutungen und Kommunikationsmechanismen festzulegen. MES in der Architektur der industriellen Automatisierung Mit diesen neuen Informationsanforderungen geht der Bedarf nach einem neuen Referenzmodell einher, das den bisherigen pyramidenähnlichen Aufbau der Informationstechnik in Produktionsunternehmen ablöst und der zunehmenden Datenintegration Rechnung trägt. Das gängige Modell der Automatisierungspyramide orientiert sich an Menge, Bedarf und Zeitanforderungen der anfallenden Informationen. Dabei wird etwa zwischen prozessorientierter Datenverarbeitung in Echtzeit auf der Fertigungsebene oder benutzerorientierter Informationsverarbeitung auf der Unternehmensleitebene unterschieden. Ein tragfähiges Modell muss aber die drei Dimensionen vertikaler und horizontaler Integration sowie die Integration über den Lebenszyklus von Produktionsanlagen abbilden, damit etwa ein MES zur durchgängigen Kommunikation in diesen Dimensionen in der Lage ist. Horizontale Integration zwischen MES-Lösungen Aufgrund der arbeitsteiligen Organisation und der Charakteristik der variantenreichen Produktion existieren in der Industrie für verschiedene MES-Aufgaben eigenständige IT-Systeme. Diese Lösungen arbeiten heute meist ohne Datenaustausch und Verbindung zu anderen MES-Komponenten. Ziel produzierender Unternehmen ist es, die Einzelsysteme in den kommenden Jahren miteinander zu verbinden, um damit Synergiepotenzial auszuschöpfen. Damit wird es möglich, Entscheidungen, die auf der Werkstattebene getroffen werden, transparent und durchgängig zu unterstützen. Allerdings ist mit den heute im Betrieb eingesetzten Software-Technologien eine wirkliche horizontale Integration kaum machbar. Softwaresysteme müssen zukünftig Mechanismen bereitstellen, die Wissen auf semantischem Niveau über die zu kommunizierenden Inhalte haben. 14

15 Vertikale Integration zwischen MES und Fertigungsebene Die Integration zwischen der Unternehmensleitebene und MES kann als weitgehend gelöst gelten. Zur vertikalen Integration zwischen MES und Fertigungsebene sind hingegen noch standardisierbare Methoden, Softwarekomponenten und Anwendungen erforderlich, über die Produktionsanlagen und Komponenten etwa Feldgeräte schnell und sicher in ein Fertigungssystem integriert werden können, sowie Änderungen an Anlagen und Steuerungen automatisch in die überlagerte IT übertragen werden. Integration in den Lebenszyklus einer Anlage Welche Daten über den Lebenszyklus ausgetauscht werden müssen, zeigen beispielhaft die Aufgaben zur Projektierung eines Leit- oder MES-Systems: Konfigurieren der physikalischen Verknüpfungselemente wie OPC-Server oder Bedienstationen Zuordnung dieser Verknüpfungselemente zum Lageplan etwa einer Produktionshalle Konfigurieren von Anlagentypen und -komponenten auf Basis ihrer Anordnung in der Linie Strukturdefinition für Anlagentypen und -komponenten, beispielsweise aggregierte Signale Verknüpfung der physikalischen Prozesssignale mit der Struktur der Anlagen Zuordnung der Anlagen zu physikalischen Verknüpfungspunkten Verknüpfen von statischen Bedienelementen mit realen Signalen Erstellen statischer Visualisierungselemente unter Beachtung der Topographie und Topologie In der Praxis werden die Ergebnisse der Planungsphasen in Papierform oder als digitales Dokument übergeben. Dabei handelt es sich aber meist um ausformulierte Texte oder Tabellen in Formaten wie Excel, CSV oder XML, die Informationen müssen vielfach manuell in die Zielsysteme eingepflegt werden. Diese Situation entsteht durch unterschiedliche System- und Informationsstrukturen in den einzelnen Systemen. Nur das Expertenwissen der Ingenieure wirkt Missverständnissen oder Fehlern entgegen. OPC-UA als Kommunikationsstandard Als Basis für den Informationsaustausch bieten sich Kommunikationsstandards wie der in der Automatisierung gebräuchliche OPC an, der die Kommunikation in der Fabrik unterstützt. Im Jahr 2006 stellte die OPC-Foundation ihre Unified Architecture (UA) vor. Die darin enthaltenen, protokollunabhängigen UA-Base-Services dienen als Basis, auf der jeder Anwender Informationsmodelle definieren und herstellerspezifische Informationen hinzufügen kann. Ein so vernetztes Informationsmo- 15

16 MES Wissen Kompakt: Schnittstellen dell gestattet Benutzern, Anlagenkomponenten und Datenobjekte über eine objektorientierte Modellierung zu repräsentieren. Klare Strukturen für Informationsinhalte Softwaresysteme müssen in Zukunft nicht nur einheitliche Datenschnittstellen anbieten. Zur Verarbeitung von Informationen müssen Mechanismen bereitstehen, die Anhaltspunkte über die zu kommunizierenden Inhalte liefern. Dazu können inhaltiche Struktur und Gliederungsinformationen in einer separaten Datenbasis hinterlegt werden. Eine solche Ontologie liefert die Grundlage zur eindeutigen Kommunikation zwischen zwei Softwaresystemen. Als Basis für eine standardisierte Beschreibung auszutauschender Daten zwischen Maschinen und MES empfiehlt sich eine Ontologie, wie sie Blatt 2 der VDI-Richtlinie 5600 vorstellt: 1. Produkt: Der Begriff kann beispielsweise Werkstücke, Baugruppen, Halbfabrikate, Rohmaterial oder Rohstoffe bezeichnen. Zu einem Produkt gehören unter anderem Test- und Prüfergebnisse, Dokumentation und Beschreibung. Diese Definition ähnelt der in der ISA95 enthaltenen Product Definition. 2. Produktionsauftrag: Ein Produktionsauftrag bezeichnet schlichtweg einen Fertigungsauftrag. 3. Prozess: Dieser Datenpunkt umfasst Fertigungsprozesse einschließlich Prozessparametern, Prozessablauf und Prozessplanung. Diese Definition ähnelt dem Production Schedule in der ISA Ressourcen: Dieser Datenpunkt beschreibt produzierende Ressourcen wie Anlagen, Roboter, Maschinen sowie deren Zustand, Vorrichtungen oder mögliche Meldungen. Die Definition lehnt sich an das Equipment in der ISA95 an. 5. Zeitsynchronisation: Diese Information ist erforderlich, um die Zeit des MES mit derjenigen der Maschine abzugleichen. Ein Beispiel hierfür wäre die Zeitsynchronisierung mit der SPS. 6. Allgemeiner Datenpunkt: Hier finden sich unabhängige Werte und Parameter wie Umgebungs- und Umweltbedingungen mit Luftanalysewert, Luftfeuchtigkeit, Schadstoff oder Umgebungstemperatur. Der lange Weg zum Industriestandard Interoperabilität auf MES-Ebene ist nicht mit einer Methode abzudecken. Forschung und Entwicklung stehen noch vor einigen Aufgaben, darunter die Festlegung geeigneter Lösungen für Kommunikationskanal und -inhalte. Auch das vielfach geforderte Informationsmodell bedarf der Beschreibung und Standardisierung. Denn ohne Standardisierung wird das Ziel der Interoperabilität von MES-Komponenten in der Fabrik nicht zu erreichen sein. Derzeit beschäftigen sich Gremien wie die VDI-Fachausschüsse Digitaler Fabrikbetrieb, MES-Maschinenschnittstellen sowie Durchgängiges Engineering von Leitsystemen mit diesem Thema. Mit AutomationML arbeitet auch ein industriegetriebenes Konsortium daran, für das Engineering von Produktionsanlagen einen verbindlichen Standard für den durchgängigen Datenaustausch aufzustellen. Dynamische Aspekte der Veränderung, Wandlungsfähigkeit, Adaptivität bezogen auf die Software müssen zusätzlich berücksichtigt werden. Autoren Dr. Olaf Sauer (links) ist Leiter des Geschäftsfelds Leitsysteme beim Fraunhofer IOSB in Karlsruhe, Dipl. Ing. Miriam Schleipen (rechts) verantwortet beim IOSB den Bereich Engineering und Interoperabilität. 16

17 Ihr Werkzeug für optimale Betriebsabläufe: GFOS-Production Die effiziente Prozesssteuerung. Optimierte Fertigungsprozesse Verbessertes Controlling Transparente Produktion Fokussierung auf Kernaufgaben GFOS mbh, D Essen Tel.: + 49 (0)201 /

18 MES Wissen Kompakt: Fertigungsorganisation Fertigungsmanagement auf der Agenda MES als strategisches Hilfsmittel zur Produktivitätssteigerung Die Reaktion der Investitionsgüterindustrie auf die Krise des vergangenen Jahres äußert sich in einer Vielzahl von strukturellen und organisatorischen Veränderungen in den Unternehmen. Die Branche weiß, dass Stillstand Rückschritt ist und eine nachhaltig sichere und stabile Stellung im Weltmarkt nur durch Anpassungsfähigkeit und höheres Entwicklungstempo erreicht werden kann. Ein wichtiger Eckpfeiler bei diesen Überlegungen ist für Fertigungsunternehmen natürlich die Fertigungsorganisation. Wichtige Hilfsmittel für eine umfassende Reorganisation des Fertigungsbereichs sind Manufacturing Execution-Systeme (MES), die hohes Potenzial für die Fertigungsorganisation bergen. Die VDI-Richtlinie 5600 liefert eine aufgabenorientierte Beschreibung von MES und gibt einen guten Überblick über den möglichen Leistungsumfang solcher Systeme: Feinplanung und -steuerung Diese MES-Aufgabe befasst sich mit der Erledigung des Arbeitsvorrats unter Berücksichtigung der beschränkten Produktionsressourcen. Es müssen also die verfügbaren Produktionsmittel den Personalkapazitäten und dem zugehörigen Material so zugeordnet werden, dass eine Fertigungsabfolge entsteht, die auf das Erreichen der Fertigungstermine optimiert ist. Dabei wird einerseits die planende Komponente von MES genutzt, die unter anderem die Simulation von Fertigungsszenarien gestattet. Zum anderen wird auch die steuernde Komponente eingesetzt, die eine Reaktion auf Störungen und Veränderungen der laufenden Fertigungsprozesse in Echtzeit zulässt. Betriebsmittelmanagement Ziel dieser Aufgabe ist die Sicherstellung der terminund bedarfsgerechten Verfügbarkeit und der technischen Funktionsfähigkeit der Anlagen und Maschinen in der Fertigung. In der Praxis existiert hierbei ein typischer Zielkonflikt zwischen der Forderung nach langen Verfügbarkeitszeiten und der gewünschten hohen Zuverlässigkeit, da mit steigender Maschinenlaufzeit auch der Verschleiß zunimmt. Materialmanagement Hier geht es um die termin- und bedarfsgerechte Versorgung der Fertigung mit Material, darunter fällt auch die Entsorgung von Abfällen und der Abtransport von Werkstücken. Dabei werden die für die Fertigung im ERP- oder PPS-System reservierten Lagerbestände durch MES übernommen und als Umlaufbestände verwaltet. Dies kann Ausgangsmaterial, Material in Zwischenbearbeitungsstufen oder auch Endprodukte betreffen. Dieses Leistungsmerkmal bietet auch die Möglichkeit, die Umlaufbestände auch als Work in Process (WIP) bezeichnet gesondert zu betrachten und zu überwachen. Personalmanagement Die termingerechte Bereitstellung von Personal mit geeigneter Qualifikation für den Produktionsprozess steht im Zentrum der Personalmanagement-Funktionen. Dabei gilt es, personalbezogene Kapazitäts- 18

19 Bild: Fotolia - Phoenixpix daten wie Wochenarbeitszeiten und Schichtpläne oder auch Urlaube zu berücksichtigen. Zu dieser Aufgabe kann auch die Führung von Zeitkonten gehören. Datenerfassung Ziel dieser Aufgabe ist die ereignisgesteuerte Erfassung der Daten aus dem Fertigunsablauf. Neben dem automatischen Datentransfer sind halbautomatische und manuelle Erfassungen der Daten möglich, etwa per Etikettenscan oder Terminaleingabe. Die Aufgabe Datenerfassung übernimmt neben der Eingangsverarbeitung und Vorverarbeitung auch die Verdichtung der Daten und stellt zudem Statusinformationen bereit. Die dazwischen geschaltete Plausibilitätsprüfung hilft, Erfassungsfehler zu vermeiden. Leistungsanalyse Dieses Funktionsmodul adressiert zwei Bereiche. Zum einen geht es um Regelkreise mit kurzer Zykluszeit im Takt von Stunden oder Schichten. Hier sollen festgestellte Soll-Ist-Abweichungen operativ beeinflusst werden. Zum anderen werden bei Regelkreisen mit längerer Zykluszeit, die etwa über Wochen, Monate oder Jahre reichen, Vorgaben zur Optimierung dieser Prozesse qualifiziert. MES liefert hier die Entscheidungsgrundlagen für langfristige Verbesserungen der Fertigungsorganisation. Darüber hinaus ermöglicht diese MES-Aufgabe, Leistungsindikatoren und Soll-Ist-Vergleiche zu führen, in Echtzeit zu aktualisieren sowie darzustellen. Qualitätsmanagement Die MES-Aufgabe Qualitätsmanagement unterstützt die Sicherstellung der Produktqualität und der Fähigkeit der Prozesse, auch als Prozessqualität bezeichnet. Darin sind zum einen Qualitätsplanung, Prüfplanung, Maschinenfähigkeit und Prozessfähigkeit enthalten. Zum anderen findet sich hier die Qualitätsprüfung mit statistischer Prozesslenkung (SPC), Prüfauftragssteuerung und -abwicklung, Probenzugsteuerung und In-Process-Control. Schließlich findet sich hier auch das Prüfmittelmanagement. Der Bereich umfasst also Aktivitäten, die mit dem unmittelbaren Produktionsprozess verknüpft sind. Andere Qualitätssicherungsaufgaben, beispielsweise Lieferantenbewertung oder Laborprüfungen, können außerhalb des MES stattfinden. 19

20 MES Wissen Kompakt: Fertigungsorganisation Informationsmanagement Diese Aufgabe beschreibt die Integration anderer MES- Aufgaben und Workflows bei der Abarbeitung der Aufträge und der Prozessoptimierung. Informationsmanagement gestattet die Zuordnung von Auftragsdaten, Produktionsvorgaben und Prozessparametern. Das gilt auch im Hinblick auf die Traceability. Ein weiteres Ziel des Informationsmanagements ist die Bereitstellung von Dokumentationen zum jeweiligen Arbeitsplatz oder Prozessschritt im Sinne einer papierlosen Fertigung. Dabei werden für Überwachung und Analyse Fertigungsdaten unterschiedlicher Granularität benötigt: Während es etwa bei der Prüfung der Zugefstigkeit von Zigarettenhülsen auf Sekundenbruchteile ankommt, erfolgt die Aufzeichnung des Wickelns von Kühlspulen in deutlich längeren Intervallen. MES liefern dazu eine einheitliche Sicht auf Daten, die in unterschiedlicher Fülle und Dichte vorliegen. Leistungsbeurteilung anhand von MES-Kennzahlen Neben dem Blick auf die Systemfunktionen wird das Leistungsspektrum von MES am Besten deutlich, wenn man sich die Kennzahlen vor Augen führt, die aus den Fertigungsmanagementsystemen gewonnen werden können. Aus diesem Grund entstand das VDMA-Einheitsblatt , in dem die gängigen MES-Kennzahlen zusammengefasst und erläutert werden. Ergänzend liegt das VDMA-Einheitsblatt vor, das ein Kennzahlen-Wirkmodell zu den beschriebenen Kennzahlen bereitstellt. Der Überblick gestattet Anwendern und MES-Entscheidern anhand von grafischen Darstellungen nachzuvollziehen, welche Regelgrößen welche Kennzahlen beeinflussen. Datenquellen und Erhebungskriterien Der erste Teil des VDMA-Einheitsblatts beschreibt betriebswirtschaftliche Kennzahlen auch Key Performance Indicators (KPI) genannt für ein Manufacturing Execution-System. Diese Fertigungskennzahlen dienen vor allem dazu, Produktionsfortschritt oder Fertigungserfüllungsgrad in Bezug auf Ziele oder Erfolgskriterien innerhalb einer produzierenden Organisation zu messen. Dazu informieren die komprimierten Produktionszahlen in kompakter Form über Zustände und Trends von Geschäftsabläufen. Bild: VDMA Einsatz von MES-Kennzahlen: Die Kennzahl 'Beleggrad' beschreibt das Verhältnis der Belegungszeiten beteiligter Arbeitsplätze (BLZ) zur gesamten Durchlaufzeit der Aufträge (DLZ). Der Wert liefert wichtige Anhaltspunkte zur Höhe der Umlaufbestände in der Fertigung (WIP-Bestand) sowie zu den Warte- und Liegezeiten. 20

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