Von Michael Lickefett, Ute Mussbach-Winter

Kann an allen Produktionsstandorten eines Unternehmens das gleiche Manufacturing Execution System (MES) eingesetzt werden? Diese Frage taucht bei vielen Projekten auf, die eine Optimierung der Auftragsabwicklung und Informationsverarbeitung in der Produktion zum Ziel haben. Von zentraler Bedeutung ist dabei der jeweilige Produktionstyp des Unternehmens – Stückgut- oder Prozessfertigung – beziehungsweise der einzelnen Standorte .

Im Maschinen- und Anlagenbau dominiert der Produktionstyp Stückgutfertigung. Typische Vertreter der Prozessfertigung sind die Nahrungsmittel- und die Pharma-Industrie sowie die klassischen Chemiebranchen. Allerdings sind Merkmale der Prozessfertigung durchaus auch in Unternehmen der Stückgutfertigung zu finden – und umgekehrt. In der Halbleiterfertigung oder der Großserienproduktion von Elektronikbaugruppen gibt es beispielsweise ausgeprägte Fließprozesse auf physisch verketteten Produktionsanlagen. Und viele prozessorientierte Produktionen haben am Anfang und am Ende einen stückgutorientierten Bereich – den Wareneingang (Tankwagen, Säcke, Behälter), die Verpackungstechnik sowie die Lagerlogistik.

Typische Produktionskonzepte im Maschinen/ Anlagenbau reichen von kundenspezifischen Varianten auf Basis von Produktfamilien mit einer hohen Variantenvielfalt bis hin zur Fertigung von Einzelstücken. Entweder stellen die Produkte komplette Anlagen/Produktionssysteme dar oder werden als Komponenten in solche eingebaut. Die Ausrichtung der Produkte an den spezifischen Kundenanforderungen ist oft mit einem hohen Anteil auftragsspezifischen Engineering verbunden. Dies führt oft zu Fertigungsaufträgen mit kleinen Losgrößen (Stückzahl 1) und geringer Wiederholrate.

Merkmalsprofile einer prozessorientierter Produktion (oben) und der für den Maschinen- und Anlagenbau typischen Stückgutfertigung.

In der Regel erfolgt die Herstellung der Produkte auf universellen Maschinen. Daher überwiegt im Bereich der mechanischen Bearbeitung die Werkstattfertigung als Fertigungsprinzip mit Anordnung der Arbeitsplätze nach dem Verrichtungsprinzip (räumliche Zusammenfassung gleicher Technologien) sowie für die Montage das Inselprinzip oder bei großen Maschinen die Baustellenfertigung.

Den überwiegend in kleinen Stückzahlen hergestellten Produkten des Maschinenbaus steht eine geringere Produktvielfalt bei Prozessfertigern gegenüber. Dafür haben die Aufträge ein größeres Volumen und eine höhere Wiederholrate. Die Produktion erfolgt oft auf Anlagen, die für ein einziges Produkt oder ähnliche Produkte individuell konzipiert wurden. Je nach Branche, beispielsweise die Pharmaindustrie, sind die Anlagen von Behörden beziehungsweise dem Kunden oft nur für bestimmte Produkte zertifiziert. Eine Produktionsverlagerung bei Störungen oder Kapazitäts-Engpässen ist dann selbst bei Verfügbarkeit technisch vergleichbarer Anlagen unzulässig.

Die MES-Kategorien

Die MES-Funktionen lassen sich in die drei Kategorien Datenmanagement, Entscheidungsfunktionen sowie Auswertung und Dokumentation gliedern.

Unter Datenmanagementfunktionen wird die Bereitstellung von Stammdaten (Artikel-, Kapazitäts- und Personalstammdaten), Fertigungsauftragsdaten aus dem ERP-System (Fertigungsauftragsverwaltung) sowie von Rückmeldungen aus dem Produktionsprozess verstanden. Zu den Entscheidungsfunktionen zählen sämtliche Planungs- und Steuerungsfunktionen. Hierzu gehören die Feinplanung und -steuerung, mit deren Unterstützung die Bearbeitungsreihenfolge der Aufträge in der Fertigung (Maschinenzuordnung und Abarbeitungsreihenfolge) festgelegt wird. Die Feinplanung muss mögliche Ressourcen-Konflikte (Engpässe bei Betriebsmitteln, Personalverfügbarkeit) aufzeigen und gegebenenfalls Lösungen vorschlagen. Das Materialmanagement als eine weitere Entscheidungsfunktion bestimmt den Materialbedarf nach Art, Menge und Termin sowie die Materialbereitstellung am jeweiligen Verbrauchsort. Darüber hinaus muss das MES bei chargen- beziehungsweise dokumentationspflichtigen Teilen die Bereitstellung und Verwendung der jeweils zulässigen Chargen sicherstellen. Dem Betriebsmittelmanagement obliegt die Verwaltung der Werkzeuge und Maschinen sowie die Steuerung der Instandhaltungsmaßnahmen.

Bei einer Prozessfertigung stehen die Dokumentations- und Auswertefunktionen im Mittelpunkt.

Die Auswerte- und Dokumentationsfunktionen umfassen sämtliche Leistungsanalysen wie Kapazitätsauslastung oder Auftragsdurchlaufzeiten. Hinzu kommt die Berechnung von Kennzahlen für das Qualitätsmanagement mit Überwachung der Qualitätskriterien und Bereitstellung der für die betrachteten Produktionsbereiche festgelegten Qualitätskennzahlen. Darauf setzt dann das Informationsmanagement mit den Unterfunktionen Auftragspapiere und Dokumentenmanagement auf.

Im Maximalausbau unterstützen MES-Lösungen alle drei Funktionskategorien. Viele Lösungen konzentrieren sich auf einzelne Funktionsbereiche. Hierbei orientieren sich die MES-Anbieter oft an den Bedürfnissen einzelner Branchen, die sich aufgrund unterschiedlicher Fertigungsprinzipien, Marktanforderungen oder den gesetzlichen Regelungen teilweise erheblich unterscheiden.

Prinzipiell benötigen Stückgut – und Prozessfertiger die gleichen Datenmanagementfunktionen. Unterschiede bestehen jedoch bezüglich der zu erfassenden und zu verwaltenden Daten, der Erfassungsart (manuell, online von Maschine) sowie der Erfassungshäufigkeit (ereignis-orientiert, zyklisch).

Maschinenbau: Komplexe Planung

„Feinplanung und -steuerung“ dagegen nur für den Maschinen/Anlagenbau relevant. Die Ursache liegt in der häufig praktizierten Werkstattfertigung, bei der die Fertigungsaufträge immer mehrere Maschinen- oder Arbeitsplatzgruppen bei Abarbeitung der einzelnen Arbeitsvorgänge durchlaufen müssen. Unter Planungs- und Steuerungsaspekten stellt daher jeder Arbeitsplatz eine eigenständige Kapazitätseinheit dar. Deswegen müssen die Fertigungsaufträge unter Berücksichtigung der verfügbaren Kapazitäten sowie konkurrierender Fertigungsaufträge auf jeder Kapazitätseinheit so eingeplant werden, dass der vorgegebene Endtermin eingehalten und gleichzeitig die Auftragsdurchlaufzeit über alle Arbeitsvorgänge minimiert wird (Auftragssicht).

Für Stückgutfertiger wie Maschinenund Anlagenbauer gehört die Feinplanung zu den Kernfunktionen eines MES, die kritische Produktionsbereiche rechtzeitig aufzeigt.

Aus Ressourcensicht sind darüber hinaus Anforderungen bezüglich der Reihenfolgeplanung (Rüstaufwand-Minimierung, Optimierung der Produktqualität) und Kapazitätsauslastung zu berücksichtigen. Die Terminierung und kapazitive Einlastung dieser komplexen Auftragsnetze ist manuell sehr aufwendig – bei konkurrierenden Randbedingungen aufgrund der Komplexität des Planungsproblems oft sogar unmöglich. Zudem muss aufgrund von Soll/Ist-Abweichungen bei Terminen und der Ressourcenverfügbarkeit die Planung ständig aktualisiert werden.

Bei Unternehmen mit Prozessfertigung ist die Auftragsplanung und -steuerung einfacher. Aufgrund der Produktion nach dem Fließprinzip in verketteten Produktionseinrichtungen werden die Produktionsaufträge auf einer Kapazitätseinheit komplett fertiggestellt. Ein Wechsel der Kapazitätseinheiten bei jedem Arbeitsvorgang, wie in der Werkstattfertigung notwendig, besteht nicht. Die geringere Anzahl an Planungsereignissen in Verbindung mit einer n:1-Zuordnung von Produkt zu Produktionsanlage reduziert die Komplexität des Planungs- und Steuerungsproblems erheblich.

Zur Terminierung der Produktionsaufträge nutzen viele Prozessfertiger manuelle Plantafeln mit einer Steckleiste je Produktionsanlage, in die Auftragsbelege oder Markierungsstreifen mit einer Länge entsprechend der Laufzeit des Produktionsauftrags eingesteckt werden.

Das Materialmanagement mit den Unterfunktionen Bestandsmanagement und Produktrückverfolgung ist für beide Produktionsprinzipien relevant. Allerdings hat die Produktrückverfolgung bei Prozessfertigern aufgrund der vielfach bestehenden Vorschriften eine sehr viel höhere Bedeutung als im Maschinen/ Anlagenbau. Aber auch hier ist, bedingt durch Forderungen des Marktes oder Auflagen der Behörden, der Trend zu einer umfassenderen Dokumentation der Produkthistorie zu erkennen.

Prozessindustrie: Fokus auf die Dokumentation

Bei den Auswerte- und Dokumentationsfunktionen unterscheiden sich die beiden Produktionsprinzipien hinsichtlich der verwendeten Unterfunktionen und ihrer Gewichtung. Beim Prozessfertiger dominieren die Funktionen Rückmeldedatenverarbeitung und Produktionscontrolling. Dies verdeutlich das folgende Beispiel: Um die Produktionsergebnisse über alle Fertigungsstandorte hinweg aktuell und vergleichbar zu dokumentieren, wurde in einem Unternehmen der Nahrungsmittelindustrie eine unternehmensweit einheitliche MES-Lösung eingeführt. Aufgabenstellung für das Projektteam war die Implementierung eines Systems mit automatisierter Datenübernahme aus den vorhandenen Prozessleitsystemen sowie der Integration separat generierter Daten. Diese Informationen sollten analysiert und zu Berichten verdichtet werden sowie für die betriebliche SAP-Anwendung bereitgestellt werden. Das Projektteam analysierte dazu die Datenerfassungsverfahren an den verschiedenen Standorten sowie die bislang erstellten Berichte und Kennzahlen, um daraus die Anforderungen an die MES-Lösung abzuleiten. Bei Unterschieden zwischen Standorten war zu klären, welche Berichte als Best-Practise-Lösung auf die anderen Standorte zu übertragen sind.

Ganz anders der Fokus eines Maschinenbauers: Im Vordergrund stand die Feinplanung und Steuerung der Produktion sowie der Instandhaltung als produktionsnaher Bereich. Ziel des Projekts war eine deutliche Verbesserung der Termintreue auf über 90% sowie die Halbierung der Durchlaufzeiten. Dazu war es notwendig, konzeptionell eine durchgängige Planungslösung – von der Auftragsannahme über die übergreifende Auftragseinplanung bis zur Anlagenbelegungsplanung – vorzusehen und eine darauf abgestimmte Steuerung der Ressourcen zu implementieren. Die Lösung besteht aus einem in das vorhandene ERP-System integrierten MES mit einer kapazitätsgeprüften Liefertermin-Ermittlung und Auftragseinplanung. Durch die Transparenz über das Fertigungsgeschehen ist eine aktuelle Entscheidungsgrundlage hinsichtlich eventuell notwendiger Kapazitätsanpassungen gegeben. Unterstützend dazu wurden Maßnahmen zur Arbeitszeit-Flexibilisierung, Materialbereitstellung und Flächenkennzeichnung umgesetzt. Für die Zukunft ist der weitere Ausbau des Systems zur Einbindung vor- und zwischengelagerter Bereiche (Lieferanten und Unterlieferanten) vorgesehen.

Autoren

Michael Lickefett ist Gruppenleiter im Themengebiet Produktionslogistik am Fraunhofer-Institut IPA in Stuttgart.

Ute Mussbach-Winter ist beim Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart, im Themengebiet Unternehmenslogistik tätig.