Industrie 4.0 Cloud-basierte MES in der Praxis und die Produktion der Zukunft. MES in der Praxis (Manufacturing Execution System)

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1 Industrie 4.0 Cloud-basierte MES in der Praxis und die Produktion der Zukunft MES in der Praxis (Manufacturing Execution System) Andreas Zerfas Director Productmanagement itac Software AG

2 Agenda MES in der Praxis Definition zu MES smart Electronic Factory Initiative IT-Infrastruktur in der Smart Electronic Factory MES Funktionalitäten innerhalb eines Unternehmens Auftragsfeinplanung (Advanced Planning and Scheduling) Vertikale MES Integration Horizontale MES Vernetzung Supply Chain Industrie Sicherheit in der vernetzten Fertigung Industrie 4.0 in der Fertigung Bestandsaufnahme Smart Electronic Factory Das Internet der Dinge und Dienste in der Fertigung Sensoren und Aktoren Smart Manufacturing Vorteile Ausblick 2

3 Definition zu MES Manufacturing Execution Systems (MES), bieten eine sinnvolle funktionale Ergänzung, um alle Fertigungsprozesse zeitnah zu planen und zu steuern, die Prozesstransparenz zu gewährleisten und den Material- und Informationsfluss innerhalb der Supply-Chain aktuell abzubilden. Darüber hinaus ergeben sich Möglichkeiten zur Unterstützung des kontinuierlichen Verbesserungsprozesses (KVP) Quelle: VDI 5600, Seite 2 Oft wird der deutsche Begriff Produktionsleitsystem synonym verwendet. 3

4 Grundfunktionalität MES (allgemein) Informationsfluss Materialfluss Prozesskontrolle Baugruppenpass Verpackung & Versand Manufacturing Execution System Fertigung Ein MES stellt im Idealfall alle benötigten Funktionen zur Verfügung. 4

5 Initiatoren MES in der Praxis und die smart Electronic Factory Initiative Applikationen Technologien Infrastruktur 5

6 Fertigung (Shop-Floor) Kommunikation AppServer und Datenbanken GUI Voraussetzungen der smart Electronic Factory Moderne IT-Infrastruktur mit ERP, MES und CAD/CAM ERP- GUI MES- Workplace AOI- Repair Client HMI- Client Repair Station CAD/CAM- GUI EWMII ihap: API Service ERP ERP Service CAD/CAM Service CAD/CAM ERP- DB MES- DB CAD/CAM -DB itac.artes / http Corba / IOOP itac.artes / https AOI- Interface SMT- Interface DLL DLL.NET OPC ims-api Gateway OPC File Interface Fuji Trax SPS SPS.NET Device Windows OS on PC.DLL Teradyne Göpel AOI Fuji SMT Electric Overhead track Repair- Station Pressing Station Shopfloor Devices Shopfloor Devices 6

7 Funktionalitätsportfolio eines MES am Beispiel der itac.mes.suite Materials & Logistics Aktueller Materialverbrauch Active Traceability Rückverfolgbarkeit der Produkte und Prozesse in Echtzeit für eine Null-Fehler- Produktion Computer Aided Quality Qualitätsanalysen und Reports Manufacturing Intelligence High performance BI- Portal; Analysen von Prozess, Business, Machinen und Qualität Production Management Performance-Analyse, Datensammlung Prozess und Maschine Add-on Services Zusätzliche funktionale Komponenten (inkl. Archivierung, Alert Management) Advance Planning & Scheduling Produktionspläne basierend auf verfügbarem Material, Personal und Kapazität 7

8 Beispiele Voraussetzungen der smart Electronic Factory MES Funktionalitäten innerhalb eines Unternehmens CAE (Computer Aided Engineering) CAD (Computer Aided Design) PLM (Product Lifecycle Management) ERP (Enterprise Resource Planning) Stammdaten MES / Traceability Built as Planned Stückliste Rohmaterialien Software-Versionen Arbeitsplan Arbeitsfolge Betriebsmittel / Werkzeuge Produktdaten Test-Vorschriften Prüfprogramme Dokumente Arbeitsanweisungen Anlagen-Integration, Standard-Clients, kundenspezifische Clients (imsapi, PLC, Interfaces) Laser SMT AOI THT ICT EOL Wareneingang Warenausgang Process Interlocking itac Software AG Industrie 4.0, Cloud-basierte MES in der Praxis und die Produktion der Zukunft 8

9 Auftragsfeinplanung Cloud basiertes APS (Advanced Planning Scheduling) ERP (z. B. SAP) 1 itac.mes.suite 2 freigegebene / nicht-freigegebene Fertigungsaufträge Bi-direktionales Ganttplan API Maschine / Anwendung - Auftragsaktivierung - Ausfallzeiten Eingeplante Aufträge 3 GanttPlan - Produktionsdaten - Maschinendaten idoc basierte SAP Schnittstelle <> itac.mes.suite GPAPS Schnittstelle (library) itac.mes.suite <> GANTTPLAN Datenkommunikation itac.mes.suite <> Shop-floor mit Online-update von GANTTPLAN itac Software AG Industrie 4.0, Cloud-basierte MES in der Praxis und die Produktion der Zukunft 9

10 Auftragsfeinplanung Cloud basiertes APS (Advanced Planning Scheduling) GANTTPLAN.APS Service Auftragsübersicht Bidirektionale Kopplung zur Fertigung Darstellung der Produktionsressourcen mit Online-Status Information Eingeplante Fertigungsaufträge Warnsystem / Überwachung des Auftragsfortschritts: grün = gestartet orange = kritisch rot = verspätet grau = beendet t 0 Nicht produktive Zeiten (grau markiert) 10

11 MES MES MES ERP PLM MES MES MES Vertikale Integration in der Unternehmenslandschaft Eindeutige Produktkennzeichnung 11

12 Horizontale Integration - Supply Chain Traceability (SCT) ProductDataeXchange (PDX) basierend auf der IPC 2571 Norm Diese Norm beschreibt eine XML Struktur, in der eine komplette Produktdefinition inklusive aller Supply Chain Interaktionen abgebildet werden kann. Dabei werden auch technische Informationen wie: - BOM (Stückliste) - approved manufacturer list (AML), as-built product configuration - und allgemeine Änderungen (engineering, production, product) übermittelt. 12 ESC

13 Cross-plant: Horizontale & vertikal Integration Beispiel eines weltweit agierenden Elektronikkonzerns Great Britain UKF Netherland NLF France Privas Montbonnot VR China Xiamen USA PA Harrisburg USA CA Costa Mesa UAE Dubai Philippines Cavite Danam IPAI India Uttlaranchal India Bangalore Bangalore Private Cloud MES-Level Private Cloud Big Data Level Private Cloud MES-Test Level Kommuniation Werk / MES-Level Kommunication MES-Coud-Level Kommunication Werk / MES-Test Level Kommunication MES-Level / Big Data Level Beispiel: Elektronikkonzern (Stand 11/2013) 14 Werke / 3 Reparaturzentren 4.200/+ Maschinen über alle Werke 1.700/+ direkte Anwender 6 private Cloudsysteme als weltweite Infrastruktur 13

14 Industry 4.0 Sicherheit in der vernetzten Fertigung Security: über Netzwerk erreichbare Geräte sind potentielle Ziele für Angreifer Kommunikationskanäle müssen abgesichert werden wenn vertrauliche Daten ausgetauscht werden sollen (End-to-end Security) Sicherung der Firmware und Bootloader bei embedded devices (smart Devices) über Hardware um zu verhindern, dass Hintertüren zur Aushebelung von Sicherheitsmechanismen geschaffen werden Maschinen sind mit Aktoren ausgestattet, es ist unerlässlich diese zu schützen sonst drohen immense Schäden Beispiel: Stuxnet wurde dafür entwickelt industrielle Controller (SPS) anzugreifen 14

15 Industrie 4.0 in der Fertigung Bestandsaufnahme Häufig besteht eine Produktionslinie aus Maschinen unterschiedlicher Hersteller und Schnittstellen Manche ältere Maschinen bieten keine netzwerkfähigen Schnittstellen Lokale Datenhaltung Inselbildung durch Fokussierung auf einen Prozess MES Manufacturing Execution System konsolidiert die losgelösten Prozesse und ermöglicht prozessübergreifende Lösungen 15

16 Smart Electronic Factory Hintergründe Industry 4.0 und Smart Manufacturing Initiativen adressieren die Realisierung einer Smart Factory mit adaptiven Prozessen Fundamentale Bestandteile von Industrie 4.0: Cyber Physical Systems (CPS) Ein System von zusammenarbeitenden Softwareelementen zur Steuerung von physikalischen Geräten und Prozessen über Rückkopplungsschleifen IoT Internet of Things ein Netzwerk aus eindeutig gekennzeichneten Geräten ausgestattet mit Sensorik und Aktoren Interaktion und Zusammenarbeit sind die Schlüsselelemente 16

17 Industrie 4.0 Schnittstellen Interoperabilität Plug & Play Fähigkeiten werden benötigt um die Kosten der Maschinenintegration zu reduzieren Standards auf allen Kommunikationsebenen sind erforderlich z.b. OPC UA als Industrie 4.0 Standard in der Kategorie Communication Layer RAMI 4.0 Wir benötigen den USB Konnektor für Fertigungseinrichtungen Jede Anlage muss über einen Netzwerkanschluss verfügen (LAN, WLAN, ). Fertigungszellen sollten flexibler gestaltet werden. 17

18 Industrie 4.0 embedded devices Herausforderungen? Software muss im Push-Prinzip auf die Devices verteilt werden Hardware Lebenszyklus von Produktionsequipment liegt im Bereich von 15 Jahren und höher Standard Betriebssysteme wie Windows besitzen eine vergleichsweise kurze Lebensdauer im Vergleich zu einer Produktionsmaschine (ein hoher Prozentsatz nutzt beispielsweise weiterhin Windows XP) Hardware Lieferanten müssen ihre Produkte über einen langen Zeitraum unterstützen Die Kombination von Hard- und Software vergrössert die Komplexität und birgt ein hohes Riskio für Kompatibilitätsprobleme. Abwärtskompatible vertikale Schnittstellen sind gefordert 18

19 itac.mes.suite Multi-Tenant smart Electronic Factory Reporting / Big Data / Data Analytics Private / Public Cloud Infrastruktur Fertigung First- and Second-Tier vs. MPLS Network smart.sensordevice Stromverbrauchsdaten Multi- Tenant embedded System smart.sensordevice Temperatur / Feuchtigkeit usw. Public Cloud / Big Data Instanzen und Public Cloud MES Test Instanzen Kommunikation Werk / MES / BI Instanz (Multi-Tenant) Kommunikation First- / Second-Tier smart.mesdevices 19

20 Systemkomponenten zum Aufbau eines CPS in der smart Electronic Factory Cloud-basiertes MES End-to-end-Lösung mit marktführender Funktionaltät Basiert auf Middleware itac.artes mit marktweit höchster Performance & Security 24/7 Solution Cloud-based Software Cloud basierte BI Portal Anwendung Unterstützung verschiedener mobiler Endgeräteplattformen Einfache Handhabung (keine zusätzlichen Datenbanken, minimierter TCO) Schnelle und übersichtliche Anwendung Personalisierte Reportgenerierung Industrie 4.0 taugliches smart Device zum Aufbau eines CPS Embedded Linux Device M2M Kommunikation über OPC UA Diverse I/O-, Relayund SMEMA- Schnittstellen Industrietaugliches IP 54 / 65 Device App-Versorgung über smart.factoryappstore 24/7 tauglich Industrie 4.0 taugliche Einstiegslösung für KMU Embedded Linux System auf Basis neuester Virtualisierungstechnologien Optimale Einstiegslösung für kleine, mittelständische Unternehmen Linienbezogene Erfüllung von Traceability Anforderungen itac.smart.sensordevice Integration von Sensoren zur Messung von Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit usw. über drahtlose Kommunikation (z.b. BLE) M2M (Machine to Machine) Kommunikation über OPC UA Raspberry PI2 basiertes Device Embedded System / Devices Industrie 4.0 taugliches smart Device für durchgängige Materialchargenerfassung Automatisches Generieren von Materiallabeln verschiedener Halbleiterhersteller Umfangreiche Materiallabel Bibliothek; selbstständig erweiterbar Verarbeitungszeiten <1 Sekunde 20

21 Smart Manufacturing Ausblick und Vorteile Mit der Datenerfassung und Steuerung individueller Prozess kann nun der Regelkreis in der Fertigung geschlossen werden. Die gesammelten Erkenntnisse werden für eine prozessinterne und -übergreifende Steuerung und Adaption verwendet. Die gesammelten Daten müssen analysiert werden Abhängigkeiten sind zu identifizieren und Fehlerschwerpunkte mit der jeweiligen Ursache / Quelle aufzudecken. Die Analyse großer Datenmengen (Big Data) ist zwingend erforderlich - online und offline. Eine Rückmeldung der Ergebnisse / Erkenntnisse in die Produktion ist Voraussetzung für einen zielgerichteten Aufbau einer smart Factory. Das Ziel ist die Optimierung der Produktivität, Ausschuss zu reduzieren und dafür zu sorgen in einem globalen Markt konkurrenzfähig zu bleiben. 21

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Andreas Zerfas Director Productmanagement itac Software AG Aubachstr Montabaur, Germany T: +49 (0)