Jürgen Kletti (Hrsg.) MES - Manufacturing Execution System

Jürgen Kletti (Hrsg.) MES - Manufacturing Execution System

Jürgen Kletti (Hrsg.) MES Manufacturing Execution System Moderne Informationstechnologie zur Prozessfähigkeit der Wertschöpfung Mit 100 Abbildungen 13

Dr.-Ing. Jürgen Kletti (Hrsg.) MPDV Mikrolab GmbH Römerring 1 74821 Mosbach j.kletti@mpdv.de Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar. ISBN 10 3-540-28010-3 Springer Berlin Heidelberg New York ISBN 13 978-3-540-28010-1 Springer Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Verviefältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch 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. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.b. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Umschlaggestaltung: medionet AG, Berlin Satz: Digitale Druckvorlage der Autoren Herstellung: medionet AG, Berlin Gedruckt auf säurefreiem Papier 68/3020 /M 5 4 3 2 1 0

Geleitwort Mit der Veränderung der klassischen Fabrik von einer Produktionsstätte zu einem modernen Dienstleistungszentrum ergeben sich Führungsprobleme, auf die viele Unternehmen noch nicht vorbereitet sind: Wirtschaftlichkeit der modernen Wertschöpfung ist keine Eigenschaft der Produkte, sondern des Prozesses. Das führt dazu, dass die entscheidenden Potenziale der Unternehmen weniger in ihrer Produktionsfähigkeit, als in ihrer Prozessfähigkeit liegen. Mit dem Anspruch der Prozessfähigkeit, der inzwischen auch die Grundlage der Zertifizierungsregelwerke ist, entsteht für die Fertigungsbetriebe die Forderung nach einer Ausrichtung aller wertschöpfenden Prozesse auf das Prozessergebnis und damit den Kunden. Voraussetzung einer Prozesstransparenz ist die Fähigkeit, den Wertstrom des Unternehmens zeitnah und ohne Erfassungsaufwand abzubilden eine Aufgabe, welche die herrschenden ERP-Systeme kaum bieten können. Real-Time-Anwendungen bieten heute moderne Manufacturing Execution Systeme (MES). Sie erzeugen aktuelle und auch historische Abbilder von Fertigungseinrichtungen und können so als Basis für Optimierungen herangenommen werden. Mit solchen Techniken hatte man bereits unter dem Begriff Betriebsdatenerfassung oder Maschinendatenerfassung Anfang der 80er Jahre begonnen. Doch während in der Vergangenheit zunächst eine verbesserte Maschinenauslastung im Vordergrund stand, geht es heute überwiegend darum, den Wertstrom (Suppy- Chain) zeitnah abzubilden. Dabei erfordert die zunehmende Komplexität in der Fertigung eine gesamtheitliche Sicht auf die Produktions- und Dienstleistungseinrichtungen: Feinplanung, Zustandserfassung, Qualität, Performance-Analyse, Materialverfolgung usw. müssen integriert erfasst und dargestellt werden. Aus diesen Erfordernissen heraus hat sich Mitte der 90er Jahre in den USA der Begriff MES Manufacturing Execution System entwickelt. Eine Non-Profit- Organisation namens MESA (Manufacturing Execution System Association) hat begonnen, diese Anwendungen zu normieren und damit drei Anwendungsschichten eines Fertigungsbetriebes zum Prinzip erhoben. MESA definiert die E- bene der eigentlichen Fertigung, die Ebene des Fertigungsmanagements, also MES, und die Ebene des Unternehmensmanagements. Weitere Normierungen zu diesem Thema sind bereits im Werden. So ist eine ISA S95 verabschiedet, ein Verband von Prozessfertigern namens NAMUR hat für ihre Fertigungswelt eine eigene Richtlinie verabschiedet. In jüngster Zeit hat der Verein Deutscher Ingenieure (VDI) sich dieses Themas angenommen und ist bestrebt, eine auf europäische Belange zugeschnittene Richtlinie herauszubringen.

2 Geleitwort Die Erwartungen an ein Manufacturing Execution System zur Steigerung der Performance sind entsprechend hoch. Für den Praktiker stehen insbesondere Themen wie TQM, SIX Sigma, Fertigungsplanung oder optimierte Materialbewegungen im Mittelpunkt. Schon heute zeigt die zunehmende Verwendung des Begriffs MES in der Fachliteratur und Marktübersichten und nicht zuletzt auch die Normierungsbemühungen verschiedener Gremien ein wachsendes Interesse. Um Fertigungsbetrieben einen möglichst umfassenden Überblick über die Leistungsfähigkeit und die unterschiedlichen Anwendungsmöglichkeiten eines Manufacturing Execution Systems (MES) zu bieten und damit die Möglichkeit zu schaffen, sich mit dem gewonnenen Überblick in einem breiten Marktangebot zu orientieren, soll der Begriff MES methodisch systematisiert werden. Dazu beleuchten erfahrene Fachleute in dem vorliegenden Buch detailliert die verschiedenen Aspekte eines Manufacturing Execution Systems, ohne das ein modernes Unternehmen heute nicht wirtschaftlich zu führen ist. Die Beherrschung der Prozesse wird für die Unternehmen in zunehmendem Maße zur Voraussetzung, auch am Standort Deutschland gewinnbringend zu produzieren. Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Johann Löhn Präsident Steinbeis-Hochschule Berlin Regierungsbeauftragter für Technologietransfer Baden-Württemberg

Inhaltsverzeichnis 3 Inhaltsverzeichnis 1 Neue Wege für die effektive Fabrik...9 1.1 Anforderungen an die Produktion von morgen...9 1.2 Fertigungsstrukturen...12 1.2.1 Ausrichtung an Kennzahlen...12 1.2.2 Steuerungsmethoden...13 1.2.3 Kombinationen aus Fertigungsstruktur und Steuerungsmethode...15 1.2.4 Schwachstellen der traditionellen PPS-Systeme...15 1.2.5 Funktionsebenen...16 1.2.6 Fertigungstypen...17 1.3 Klassische IT-Unterstützung in der Fertigung...19 1.4 Manufacturing Execution Systeme (MES)...21 1.4.1 Entstehung der MES-Idee...21 1.4.2 Aktuelle Standards...25 1.4.3 Das ideale MES...30 1.4.4 Technische Voraussetzungen...35 1.5 Vertikale und Horizontale Integration...36 1.6 Einsatz eines MES-Systems im Unternehmen...40 1.6.1 Organisatorische Voraussetzungen...40 1.6.2 Technische Voraussetzungen...41 1.6.3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung...41 1.6.4 Unterstützung des KVP und aktueller Zertifizierungen...42 1.6.5 Zieldefinition und -verfolgung...43 1.7 Praxisbeispiele für Nutzenpotenziale...44 2 MES für die Prozessfähigkeit...47 2.1 Die Wirtschaftlichkeit als Prozesseigenschaft...47 2.1.1 Der prozessorientierte Ansatz der ISO 9001/TS 16949...48 2.1.2 Das Prozesspotenzial in Zahlen...48 2.2 Die Prozessfähigkeit der Organisation...49 2.2.1 Das Identifizieren systematischer Fehler...50 2.2.2 Die systematische Fehlerbearbeitung...51 2.2.3 Maßnahmeverfolgung...52 2.3 Prozessfähigkeit der Mitarbeit...53 2.3.1 Verschwendete Mitarbeit...53 2.3.2 Zielvereinbarungen...55 2.4 Prozessfähigkeit der Informationsabläufe...56 2.4.1 Das Unternehmen als Papierfabrik...56

4 Inhaltsverzeichnis 2.4.2 Schnittstellen ohne Wertschöpfung...57 2.4.3 Der Weg zur papierlosen Fertigung...58 2.5 Die Prozessfähigkeit der Durchlaufsteuerung...60 2.5.1 Deterministische Steuerung...60 2.5.2 Rückgekoppelte Regelung...60 2.6 Zusammenfassung...64 Literatur...65 3 Mehrwert durch Software...67 3.1 Das Unternehmen als Informationssystem...67 3.1.1 Produktionsfaktor Information...67 3.1.2 Reengineering und Integration...68 3.1.3 Informationsverarbeitung in der Fertigung...69 3.1.4 Maschinen als informationsverarbeitende Systeme...69 3.2 MES in der Investitionsgüterindustrie...70 3.2.1 Kennzeichen der Investitionsgüterindustrie...71 3.2.2 MES in der IT-Softwarelandschaft...72 3.2.3 MES im Technology-Lebenszyklus...73 3.2.4 MES aus Anwendersicht...74 3.2.5 MES aus Marktsicht...75 3.3 Vorbereitung eines MES-Einsatzes...77 3.3.1 Erarbeitung der Zielsetzung...77 3.3.2 Systematische Prozessentwicklung...78 3.3.3 Abschätzung eines Return on Investment...78 3.3.4 Der Systemabgleich...79 3.3.5 Die MES-Einführung im Unternehmen...80 3.3.6 Der Betrieb der MES-Lösung...80 3.4 Innovative Technologien im Umfeld von MES...81 3.4.1 Die digitalisierte Fabrik...81 3.4.2 Die Digitale Fabrik...82 3.4.3 Die echtzeitfähige Fabrik...83 4 MES die neue Klasse von IT-Anwendungen...85 4.1 Einleitung und Motivation...85 4.2 Ist-Zustand in den Fertigungsunternehmen...86 4.2.1 Hilfsmittel und Systeme für die operative Ebene...86 4.2.2 Manuelle Informationsbeschaffung und andere Hilfsmittel...88 4.2.3 Probleme bei der Zusammenführung der Daten...90 4.3 Der angestrebte Soll-Zustand...90 4.3.1 Lückenlose, automatisierte Datenerfassung...90 4.3.2 Der I-Punkt für die Fertigung...92 4.3.3 Die Idee des Manufacturing Cockpits...93 4.3.4 Eskalationsmanagement und Workflow...99 4.5 Ausblick und weitere Entwicklung von MES-Systemen...101 Literatur...102

Inhaltsverzeichnis 5 5 Aufbau eines MES-Systems...103 5.1 Software-Architektur eines MES-Systems...104 5.1.1 Basisfunktionen...105 5.1.2 Datenschicht...107 5.1.3 Anwendungsschicht Business-Objekte und Methoden...108 5.1.4 Prozessabbildung...109 5.1.5 Die Vorteile der ESA-Architektur für MES-Systeme...110 5.2 Schnittstellen eines MES-Systems...111 5.2.1 Schnittstellen zu übergeordneten Systemen...112 5.2.2 Schnittstellen für die horizontale Integration...115 5.2.3 Schnittstellen zum Produktionsmittel...115 5.3 Benutzeroberflächen eines MES-Systems...117 5.3.1 Technologien für Benutzeroberflächen...117 5.3.2 Benutzeroberflächen für Konfiguration, Monitoring und Reporting 119 5.3.3 Benutzeroberflächen für die Erfassung...119 5.4 Ausblick...120 6 Integriertes Fertigungsmanagement mit MES...123 6.1 MES-Systeme ermöglichen Fertigungsmanagement...123 6.2 Das MES-Modell...123 6.3 Datenanalyse Informationen eines MES-System...125 6.4 Betriebsmittel Maschine oder Anlagenteil...126 6.4.1 Auftrag/Arbeitsgang...127 6.4.2 Material...127 6.4.3 Ressourcen und Fertigungshilfsmittel...128 6.4.4 Prozesswerte...128 6.4.5 Personal...129 6.4.6 Prüfmerkmal...129 6.5 MES-Erfassungsfunktionalität...129 6.5.1 Ausstattung des Erfassungsterminals...130 6.5.2 Informationsbereitstellung für den Werker...133 6.5.3 Modularität unterstützt die Vielfalt der Erfassungsdialoge...134 6.5.4 Plausibilität im Erfassungsprozess...135 6.5.5 Welche Schnittstellen zum Prozess lassen sich sinnvoll nutzen?...136 6.5.6 Datenkorrekturen im MES-System...137 6.5.7 Verfügbarkeit und Ausfallsicherheit des MES-Systems...138 6.6 MES-Informationen für das Fertigungsmanagement...138 6.6.1 Transparenz durch MES-Aktualiät...139 6.6.2 Anwendergerechte Auswertungen...140 6.6.3 Fertigungsnahe Zieldefinition...142 Literatur...143 7 Feinplanung und Steuerung mit MES...145 7.1 Überblick und Zielsetzung...145 7.2 Einsatz von MES zur Feinplanung und Steuerung...148 7.2.1 Überblick...148

6 Inhaltsverzeichnis 7.2.2 Umgang mit primären Kapazitäten in MES...150 7.2.3 Modellierung der Prozesse im MES...153 7.2.4 Personal die besonders wertvolle Ressource...155 7.2.5 Modellierung der technischen Sicht...156 7.2.6 Strategien zur Ressourcenbelegung...158 7.2.7 Konfliktauflösung durch Simulation & Optimierung...160 7.2.8 Monitoring des Auftragsdurchlaufs...164 7.2.9 Reaktive Planung mit MES...165 7.3 Verwaltung von Produktionsmitteln (Ressourcen)...166 7.3.1 Statusverwaltung...167 7.3.2 Anonyme und individualisierte Ressourcen...168 7.4 Zusammenfassung...169 8 Qualitätssicherung mit MES...171 8.1 Gelebte Qualität...171 8.2 Geplante Qualität...172 8.2.1 Qualitätsstammdaten eines MES...172 8.2.2 Präventive Fehlervermeidung mit FMEA...174 8.2.3 Prüfplanung das Fundament der Produktqualität...174 8.2.4 Prüfmittel Reduktion von Messunsicherheiten...176 8.2.5 Lieferantenbewertung Optimierung des Beschaffungsprozesses.177 8.2.6 Aufbau von Workflows mit Eskalationsszenarien...178 8.2.7 Qualitätsplanung innerhalb der Fertigungsvorbereitung...179 8.3 Integrierte Qualität...181 8.3.1 Qualität durch Informationsmanagement...182 8.3.2 Sicherstellung der Zulieferqualität...182 8.3.3 Fertigungsbegleitende Qualitätssicherung...183 8.3.4 Optimierung der Prüfmittelüberwachung...184 8.3.5 Transparentes Reklamationsmanagement...185 8.4 Dokumentierte Qualität...186 8.4.1 Vernetzung von Informationen...187 8.4.2 Qualitätsdaten zielgerecht nutzen...187 8.4.3 Traceability...190 8.5 Analysierte und bewertete Qualität...192 8.5.1 Verbesserungspotenziale in der Fertigung...193 8.5.2 Aus Reklamationen lernen...194 8.5.3 Six Sigma der Verschwendung Einhalt gebieten...194 8.5.4 Qualitätsinformationen Mehrwert im MES...196 9 Personalmanagement mit MES...199 9.1 Überblick...199 9.2 Personalzeiterfassung...200 9.2.1 Aufgaben der Personalzeiterfassung...200 9.2.2 Zeitwirtschaft im MES- oder ERP-System...201 9.2.3 Flexibilisierung der Arbeitszeit...202 9.3 Motivation und Mitarbeiterführung...204

Inhaltsverzeichnis 7 9.3.1 Leistungs- und Prämienentlohnung...204 9.3.2 Qualifizierung der Mitarbeiter...206 9.4 Personaleinsatzplanung...206 9.4.1 Urlaubs- und Schichtplanung...207 9.4.2 Prüfung der Personalkapazitäten bei der Feinplanung...208 9.4.3 Einplanung der Mitarbeiter auf die Arbeitsplätze...209 9.5 Sicherheit im Fertigungsunternehmen...210 9.6 Ausblick...212 Literatur...212 10 MES unter SAP...213 10.1 Motiva...213 10.2 Einordnung des MES im SAP-Umfeld...214 10.2.1 Entwicklung des MES in der SAP-Historie...214 10.2.2 Anforderungen an ein MES im SAP-System-Umfeld...215 10.2.3 Ebenendarstellung eines Fertigungsunternehmens...215 10.2.4 Unternehmensprozesse in mysap ERP und MES-System...217 10.3 MES als integrierte Lösung im SAP-System...221 10.3.1 Bedeutung des SAP NetWeaver für die Integration des MES...221 10.3.2 Schnittstellen zu den mysap- ERP-Anwendungen...224 10.3.3 Integration von MES-Funktionen über das SAP-Portal...227 10.4 Unterstützung der Adaptive Manufacturing Initiative der SAP...229 10.4.1 Skalierbarkeit der MES-Lösung...229 10.4.2 MES für die horizontale Integration...230 10.4.3 Anbindung der Maschinen- und Steuerungsebene...230 10.4.4 Beispiele für die Integration von MES und mysap ERP...232 10.5 Zusammenfassung...237 11 MES in der Kunststoffverarbeitung...239 11.1 Besonderheiten der Kunststoffindustrie...239 11.2 Einsetzbare MES-Module...240 11.3 Leitstand...241 11.4 Erfassung der Maschinen- und Betriebsdaten...243 11.5 Anschluss der Spritzgießmaschinen...244 11.6 Visualisierung und Auswertungen...245 11.7 Verbindung Qualitätssicherung und Prozessdaten...247 11.8 Werkzeugbau...248 11.8.1 Überwachung der Wartungsintervalle durch ein MES-System...248 11.8.2 BDE und Leitstand im Werkzeugbau...249 11.9 DNC, Chargenverfolgung und Nachweispflicht...250 11.10 Management Information System (MIS)...251 11.11 Rentabilität (Return on Investment)...252 11.12 Zusammenfassung...254 Abkürzungsverzeichnis...255

8 Inhaltsverzeichnis Checkliste...257 Vorbemerkung für den Bearbeiter...257 Allgemeine Kriterien...257 Systemkonzept...258 Fertigung...258 Qualität...259 Personal...259 Datenerfassung...259 MES im SAP-Umfeld...260 Aktualisierungen...260 Autorenverzeichnis...261 Sachverzeichnis...267