Der Begriff Industrie 4.0 leitet sich von den vier großen Meilensteinen der Industrialisierung ab: der Dampfmaschine, dem Förderband, der Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) und schließlich den Cyber-Physical Systems (CPS). Unter CPS versteht man vernetzte Systeme, die autonom handeln. In Bezug auf die Produktion spricht man zum Beispiel von „intel­ligenten Werkstücken“, die durch Kommunikation mit den Maschinen und anderen Systemen selbstständig den optimalen Weg durch die Fertigung finden und damit ohne eine zentrale Steuerung zum fertigen Endprodukt werden. Der Mensch greift nur bei Bedarf regulierend in das System ein.

Bei derartigen Fertigungskonzepten entstehen große Datenmengen, die Auskunft über den aktuellen Zustand des Gesamtsystems und der einzelnen Werkstücke geben. Zur Speicherung und Verarbeitung dieser Daten sieht Industrie 4.0 innovative IT-Lösungen aus der Cloud vor. Auch hier steht der Dezentralisierungsgedanke im Vordergrund.

Ansatzpunkte für MES

Bei aller Dezentralität hat die Erfahrung gezeigt, dass die Vorzüge einer zentralen Instanz zur Koordinierung und Synchronisation nicht von der Hand zu weisen sind. Schon heute profitieren Manufacturing Execution Systems von einer hohen Erfassungsdichte und einer Vielzahl von Sensoren in der Fertigung. Werden diese Daten in einer zentralen Produktionsdatenbank zusammengeführt, ergibt sich ein Gesamtbild der Fertigung, das die Grundlage für gesicherte Entscheidungen und die Optimierung der Fertigungsprozesse ist.

Ein funktionsfähiges Fertigungssystem nach Industrie 4.0 setzt die transparente Verfügbarkeit von Echtzeitdaten voraus. Dies deckt sich mit den Kernfunktionen eines modernen MES. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass ein MES alle Daten zentral vorhält und nicht verteilt in der Cloud. Durch die ressourcenübergreifende, zentrale Datenhaltung kann ein MES schneller mit den vorhandenen Informationen arbeiten, da nicht erst mehrere Datenquellen angefragt werden müssen. Wenn nun das MES den autonomen CPS die Gesamtheit der Daten zur Verfügung stellt, wird auch deren Kommunikation effi-zienter, was wiederum positive Auswirkungen auf die Effizienz des Gesamtsystems hat.

Es gilt also festzuhalten, dass ein MES dezentrale Fertigungssysteme wirkungsvoll unterstützen kann. Es stellt sicher, dass der Mensch den Überblick über die autonomen Systeme und somit die übergeordnete Entscheidungsfähigkeit behält. Damit ein MES den Anforderungen von Industrie 4.0 gerecht wird, muss es eine Vielzahl an neuen Funktionen und Fähigkeiten mitbringen: Das Zukunftskonzept MES 4.0 entsteht.

Horizontale Integration

Vornan steht die horizontale Integra­tion, also die Verknüpfung der am Fertigungsprozess beteiligten Daten über alle Ressourcen hinweg. Die VDI-Richtlinie 5600 spricht hierbei von drei großen Bereichen: Fertigung, Qualität und Personal. Horizontale Integration bedeutet, dass aus den erfassten Daten der Artikel verschiedene Details zu deren Herstellung ersichtlich sind:

Arbeitsplatz der Gegenwart: So wird ein MES zukünftig kaum noch bedient. Der Wandel hin zur Mobilität zeichnet sich ab.

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Auf welcher Maschine, mit welchem Werkzeug, unter Verwendung welcher Rohstoffchargen, von welchen Mitarbeitern und mit welcher Qualität wurden die Artikel gefertigt? In einigen sicherheitsrelevanten Produktbranchen, wie im Automobil- und Flugzeugbau, sind all diese Zusammenhänge für jedes Endprodukt zu dokumentieren. Einen auftretenden Fehler eingrenzen zu können und – falls nötig – einen Rückruf der betroffenen Produkte einzuleiten, ist hier Pflicht. Je detaillierter die vorliegenden Daten sind, desto enger ist ein potenzieller Fehler bereits im Vorfeld einzugrenzen. Ein Unternehmen kann sehr viel effizienter arbeiten, wenn aus­reichend Daten vorliegen, die mittels horizontaler Integration miteinander zu korrelieren sind.

Auch bei der Ressourcenplanung ist die horizontale Integration von großem Nutzen. Wird ein Auftrag in der Fertigung eingeplant, können mittels MES das benötigte Personal, die nötigen Werkzeuge und auch die passenden Prüfaufträge aus dem Qualitätsma­nagement „beigestellt“ werden. So ist sichergestellt, dass alle Ressourcen rechtzeitig verfügbar sind und die Stillstandzeiten der Maschinen sowie in der Folge auch die Durchlaufzeit der Produkte auf ein Mindestmaß reduziert sind. Hieraus wiederum ergibt sich mehr Flexibilität im Hinblick auf die Variantenvielfalt und eine bessere Lieferfähigkeit.

Echtzeit- und Offline-Fähigkeit

Die Echtzeit-Fähigkeit eines MES wird bereits in der VDI-Richtlinie 5600 festgelegt, wobei hier zukünftig die Anforderungen an das Antwort-/Zeitverhalten steigen. Die sofortige Verarbeitung von erfassten Daten ermöglicht es, zeitnah Informationen als Basis für zeitkritische Entscheidungen zur Verfügung  zu stellen. Im Zuge der Dezentralisierung von Fertigungssystemen wird neben der Erfassung und Verarbeitung in Echtzeit die Offline-Fähigkeit der MES-Bestandteile immer wichtiger. Sollte die Verbindung einer Maschine oder eines Sensors zu einer zentralen Datenbank einmal gestört sein, müssen intelligente Komponenten diese Zeit überbrücken können. Eine Maschine oder ein Terminal zur Betriebsdatenerfassung muss über einen Datenpuffer verfügen, um auch ohne Kontakt zum MES weiter produzieren zu können. Fehlt die Offline-Fähigkeit, gehen beispielsweise Prozesswerte und erfasste Mengen verloren und Maschinen müssen möglicherweise zwischenzeitlich die Arbeit unterbrechen, da keine Informationen über das zu bearbeitende Werkstück vorliegen. Beides ist im Hinblick auf durchgän-gige Rückverfolgbarkeit und optimale Produktivität nicht akzeptabel – insbesondere in einer autonomen Fertigung nach Industrie 4.0.

Universelle Maschinen­anbindung

In einer modernen Industrie-4.0-Fertigung geht man davon aus, dass eine Vielzahl unterschiedlicher Maschinen zur Verfügung steht. Umso wichtiger ist hier der Einsatz einer standardisierten Kommunikation wie UMCM (Universal Machine Connectivity for MES) zwischen den Maschinen und dem MES. Mit UMCM können die Maschinen auf einfache Art und Weise angebunden und notwendige Daten wie Zeitstem-pel, Zählerstände, der Maschinenstatus, Mengen und Prozesswerte übernommen werden. Als Transportschicht dienen bewährte Standards wie XML, OPC oder OPC-UA, über die auch Daten wie Einstellparameter oder NC-Programme in die Maschinensteuerungen zu übertragen sind.

Im Zukunftskonzept MES 4.0 nehmen mobile MES-Kom­ponenten in den Produktionsprozessen eine zentrale Rolle ein – tägliche Heraus­forderungen lassen sich effizient erledigen.

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Konfiguration statt Programmierung
Gerade in flexiblen Fertigungsumgebungen stoßen Standardanwendungen sehr schnell an ihre Grenzen. Dann wird oftmals eine kostenintensive Software-Anpassung in Auftrag gegeben, bei deren Umsetzung der Anbieter programmieren muss. Moderne Software-Konzepte, die eine flexible Fertigung nach Industrie 4.0 unterstützen, sehen eine Abbildung der meisten Anwendungsfälle im MES durch Konfiguration vor. Dies kann meist zeitnah und kostengünstiger erfolgen. Zusätzliche Vorteile entstehen, wenn auch indivi­duelle Services und Anwendungen auf Basis einer service­orientierten Architektur (SOA) ohne großen Aufwand hinzuzunehmen oder bestehende Dienste zu entfernen oder auszutauschen sind.

Mobile MES-Komponenten
Durch die Dezentralisierung von Prozessen in der Fertigung müssen darüber hinaus die Mitarbeiter flexibler agieren können. Das geschieht durch mobile Endgeräte und die dazu passenden MES-Anwendungen, die alle Daten genau dort zur Verfügung stellen, wo sie benötigt werden. Einige praxisnahe Szenarien sollen dies verdeut­lichen:

• Smarte Instandhaltung
  Über eine Meldung auf dem Smartphone wird ein Techniker über eine Maschinenstörung informiert. Mit dem gleichen Gerät lässt sich der Mitarbeiter sofort die notwendigen Informationen zur betroffenen Maschine anzeigen. Als nächstes generiert er online einen Instandhaltungsauftrag, meldet sich auf diesen Auftrag an und macht sich auf den Weg zur Maschine. Dort angekommen, analysiert er die Situation und dokumentiert die Problempunkte mit der Kamera seines Mobiltelefons. Die Bilder werden automatisch dem Instandhaltungsauftrag und der Maschinenhistorie zu­geordnet. Ebenso kann sich der Techniker gespeicherte Informationen zu früheren Ausfällen ansehen. Basierend auf den historischen Daten und dem aktuellem Zustand entscheidet er, welche Maßnahmen zu ergreifen sind und leitet diese sofort in die Wege. Nach getaner Arbeit meldet er den Instandhaltungsauftrag wieder ab und speichert damit automatisch die erfassten Daten. Das alles geschieht ohne Wegezeiten und Handaufschreibungen direkt an der Maschine.

• Kennzahlen und Qualitätsmanagement
  Bei seinem Rundgang durch die Produktion bekommt der Fertigungsleiter eine Nachricht, dass die Ausschussquote signifikant angestiegen ist. Mit seinem Tablet-PC kann er nun feststellen, wo der Grund für die Verschlechterung zu suchen ist und sofort Kontakt mit den Verantwortlichen aufnehmen. Diese klären mit den Mitarbeitern vor Ort, worauf die hohen Ausschusszahlen zurückzuführen sind. Da es sich um ein Qualitätsproblem handelt, hat auch der QS-Beauftragte eine Nachricht bekommen. Über seinen Tablet-PC kann er sich den relevanten Prüfplan und die Prüfergebnisse der letzten Tage ansehen. Gemeinsam wird eine Lösung direkt in der Fertigung und ohne zeitraubende Meetings „im großen Kreis“ gefunden.

• Mobile Rückverfolgbarkeit
  Eine flexible Fertigung profitiert unter anderem davon, dass Ein- und Auslagerungsprozesse auf ein Minimum beschränkt sind und anstelle zentraler Läger direkt in der Fertigung mit Umlaufbeständen gear­beitet wird. Daraus resultiert das Problem, dass Halbfertigprodukte entstehen, die zwischen den einzelnen Bearbeitungsschritten „gelagert“ werden und nicht ohne weiteres identifizierbar sind. Dank der in nahezu jedem Smartphone vorhandenen Kamera lassen sich Halb- oder Fertigprodukte über Identträger auf einfache Art und Weise scannen. Mit einer mobilen MES-Lösung kann somit ein Meister bei seinem Rundgang durch die Fertigung Material identifizieren und dieses sowohl Aufträgen, Kunden als auch Chargen zuordnen sowie weitere Informationen dazu abrufen. Die Verbindung der realen Welt mit dem virtuellen Abbild im MES wird durch derartige Funktionen auf einfache Weise hergestellt.

• Interoperabilität und unternehmensübergreifendes Informationsmanagement
  In der Zukunft wird sich der Trend verstärken, dass Kunden aktiv auf die Produktionsprozesse ihrer Lieferanten Einfluss nehmen wollen. Ein typisches Beispiel hierfür sind die Automobilhersteller, die bei ihren Zulieferern die Serienaufträge, die damit belegten Maschinen und die verwendeten Werkzeuge über­wachen wollen. Der hierfür not­wendige unternehmensübergreifen-de Zugriff auf fertigungsrelevante Informationen beim Zulieferer ist entweder über mobile Endgeräte des MES-Betreibers oder über ein gesichertes Kundenportal im Internet zu realisieren.
  

Mobiles Fertigungsmonitoring
Aufgrund mobiler Clients sind die Informationen über den aktuellen Zustand der Fertigung oder einzelner Ressourcen ortsunabhängig verfügbar. So kann sich beispielsweise ein Meister oder Schichtführer über den Status der Aufträge in seinem Verantwortungsbereich informieren, selbst wenn er gerade nicht an seinem Arbeitsplatz ist. Auch in Bezug auf die Erreichbarkeit der Mitarbeiter ergeben sich neue Möglichkeiten. Ein Blick auf die Liste der zurzeit an­wesenden Mitarbeiter, die auf dem Smartphone oder einem Tablet-PC angezeigt wird, vereinfacht die Kommunikation, vermeidet erfolglose Anrufe und reduziert Wartezeiten.

Einige der genannten Themen sind bereits heute in einem MES umsetzbar oder in Ansätzen realisiert. Um den geschilderten ganzheitlichen Anspruch zu erfüllen, ist der benötigte Aufwand allerdings noch sehr hoch. Zukünftige Technologien werden die heutigen MES-Lösungen smarter und flexibler machen.

Autor: Jürgen Kletti ist Geschäftsführer und Gesellschafter bei MPDV.

SMA – Smart MES Applications

Mobile Clients für Hydra MES
Für den Einsatz mobiler Endgeräte im Fertigungsalltag stellen die Smart MES Applications (SMA) eine Ergänzung dar. Dahinter verbirgt sich ein Set von An­wendungen für Smartphones und Tablet-PCs, das sowohl Funktionen von Datenerfassungsterminals als auch von MES-Anwendungen zur Planung, Auswertung und Information vereinigt und mobil zur Verfügung stellt. Die SMA integrieren sich in die MES-Lösung und decken alle produktionsnahen Bereiche ab. Die SMA nutzen beim Erfassen, Auswerten und Darstellen der Daten die gleichen Mechanismen wie die Office-Clients und Erfassungsterminals. So entstehen keine neuen Schnittstellen.