Über Jahre „organisch" in unterschiedlichen Einsatzbereichen gewachsen, haben sich bei MES-Lösungen nicht nur Unterschiede zwischen den beiden industriellen Hauptrichtungen „Fertigungsindustrie" und „Prozessindustrie" entwickelt. Innerhalb dieser Gruppen sind weitere branchenspezifische Ausprägungen entstanden, die den speziellen Anforderungen Rechnung tragen.

Großserienfertigung: OEM und Zulieferer eng gekoppelt

Bei der Großserienfertigung gibt es hauptsächlich zwei Arten der Fertigung: Die Linienfertigung mit vollständig verketteten Anlagen, auf denen ein oder mehrere Produkte in unterschiedlichen Varianten produziert werden, sowie die Fertigung in großen Losen, bei der die Materialströme zwischen den einzelnen Fertigungseinrichtungen transportiert werden (Los-orientierte Fertigung). Abhängig von der Branche und den zu fertigenden Produkten (weiße Ware, braune Ware, mechanische Kleinteile) können beliebige Mischformen der beiden Fertigungsarten auftreten. Bei der vom MES-Team analysierten Automobilproduktion ist die Arbeitsteilung zwischen Original Equipment Manufacturer (OEM, Automobilhersteller) und Zulieferer typisch. Die meisten Automobilhersteller können auf einer Linie mehrere Fahrzeugmodelle im Mix fertigen, wobei die Variantenanzahl sehr hoch sein kann. Letztere verlangt vor allem den Zulieferern eine hohe Flexibilisierung ihrer Fertigung ab - bei gleichzeitig hohen Ansprüchen an Qualität, Durchsatz und Liefertreue.

Die Produktionsplanung in der variantenreichen Serienfertigung fokussiert nicht auf einzelne Fertigungseinrichtungen, da diese in der Regel vollständig verkettet sind. Daher spielt die Beplanung einzelner Maschinen keine Rolle. Potenzielle Engpassstellen werden bereits bei der Anlagenkonzeption identifiziert und beseitigt. Die Taktzeit richtet sich nach dem Fertigungsschritt mit der längsten Bearbeitungszeit. Bei der Produktionsplanung ist für Serienfertiger der wichtigste Aspekt die korrekte Festlegung der Reihenfolge unterschiedlich ausgestatteter Produkte. Ziel ist, eine möglichst gleichmäßige Auslastung der Bearbeitungsstationen zu erreichen.

Etwa eine Woche bis drei Tage vor Produktionsbeginn wird die Produktionsreihenfolge (Perlenkette) festgelegt. Komplexe Produkte wechseln sich dabei mit weniger komplexen ab. Im Karosseriebau erfolgt die Reihenfolgeplanung nach diesem Komplexitäts- und Merkmals-Mix. In der Lackiererei findet dagegen eine Blockbildung der Produkte mit gleichen Merkmalen (Farbe) statt. Bei der Montage liegt wieder ein Komplexitäts- und Merkmalsmix vor, verbunden mit Just-in-Sequence-Abrufen (JIS) bei den Zulieferern.

Zulieferer sorgen für Flexibilität

Die Materialbereitstellung in der Montage verlangt ausgefeilte Abrufstrategien. Während es sich bei Karosserieteilen weitgehend um hauseigene Zulieferer handelt (Presswerk), überwiegen in der Montage externe Zulieferer. Mit dem Aufl egen der Produktionsaufträge werden die Zulieferer über die benötigten Materialmengen und Ausführungsvarianten in Form von Abrufen informiert, die nach Festlegung der endgültigen Produktionsreihenfolge ihre Komponenten Just-in-Time (JIT) oder Just-in-Sequence (JIS) anliefern müssen. Eine ausgefeilte Logistikkette stellt sicher, dass zu verbauendes oder zu bearbeitendes Material zeit- (JIT) oder sogar reihenfolgegerecht (JIS) in der Produktion zur Verfügung steht.

Bei automatischen Bearbeitungsstationen (Roboterzellen im Karosseriebau) muss die Produktionsvorbereitung sicherstellen, dass alle für die unterschiedlichen Varianten benötigten Fertigungsprogramme abrufbar in den Anlagen vorhanden sind. Über Identifikationsnummern (Fahrzeug-ID oder Skid- ID) wird eine Produktvariante erkannt und das entsprechende Fertigungsprogramm geladen und ausgeführt. Das für die Produktion benötigte Personal wird bei der Serienfertigung nicht auftragsbezogen geplant, sondern ist durch die Struktur der Anlage und die zu fahrenden Wochenschichten festgelegt.

OEMs wie Automobilhersteller haben starr verkettete Prozesse, die zu engen Vorgaben an die Zulieferer führen.

© Siemens, PSI

Der Betriebsablauf aus Sicht eines Zulieferers differiert in einigen grundlegenden Punkten: In der Zuliefer-Industrie fi nden sich viele Unternehmen, die nach dem Prinzip der klassischen Serienfertigung oder der Auftragsfertigung mit kleineren Serien produzieren. Ein Produkt wird in unterschiedlichen Varianten gefertigt, zum Teil in großen Stückzahlen. Eine unikatsbezogene Sequenzierung, wie im Fahrzeugbau, erfolgt nicht. Die Produkte unterliegen jedoch einer Individualisierung durch Seriennummern, um die produkt-, gesetzes- oder unternehmensspezifischen Vorgaben einer Rückverfolgbarkeit (Traceability) zu erfüllen.

Als notwendige Basis zur Produktionsplanung und -steuerung dienen die terminierten Abrufe der OEMs entsprechend deren logistischen Konzepten wie Order-to-Stock, JIT und/oder JIS. Diese Konzepte verlagern die Flexibilität zum Lieferanten, dessen Produktionskapazitäten dafür ausgelegt und steuerbar sein müssen. Die Konsequenz: Eine vollständige Verkettung von Fertigungssystemen über mehrere Produktstufen ist meist nicht möglich. Die Belegung der Bearbeitungsstationen ergibt sich aus der Fertigungsstruktur und wird nicht mit Produkten sequenziell, sondern überwiegend aus Pufferlägern bedient. Die Planung erfolgt daher auftragsbezogen auf Basis von Fertigungsaufträgen des ERP-Systems.

Von klein bis ganz groß

Prägend für die Brauereibranche sind die vielen unterschiedlich großen Betriebe: Von der kleinen Gasthaus- Brauerei mit 2000 hl Jahresproduktion (400 000 Flaschen) über die größten Anlagen in Deutschland mit einer Produktionskapazität von rund 5 Mio. hl/a. Entsprechend vielfältig stellen sich die Anforderungen an die Automationsund MES-Lösungen dar. Während in Kleinbrauereien üblicherweise nur das Sudhaus und einige Reinigungsanlagen automatisiert arbeiten, setzen Anlagen ab 100 000 hl/a auf eine durchgängige Automation. Großbrauereien laufen als vollautomatische Produktionsbetriebe, gesteuert von einer zentralen Warte aus. Die Hauptaufgaben von MES bestehen in der Qualitätssicherung und in der Produktionsplanung mit den notwendigen Materialfl uss- und Bestandsdaten - darüber hinaus in der Bewertung der Produktion hinsichtlich Qualität und der Effizienz.

Durch den Konzentrationsprozess in der Brauereibranche wird auch der Betriebsstättenvergleich über Kennzahlen zunehmend wichtiger. MES stellt diese Kennzahlen zur Verfügung. Die innerbetriebliche Organisation der Produktion gliedert sich in die zwei Bereiche Bierzubereitung und Abfüllung. Beide Produktionsschritte stellen unterschiedliche Anforderungen an die Organisation und damit an die MES-Funktionen. Die Bierbereitung gliedert sich in die vier Prozesszellen:

• Silo-Anlage (Rohstofflager)
• Sudhaus (Würzebereitung)
• Gärkeller (Fermentation)
• Filtration/Verkaufsbier (bereit für die Abfüllung)

Die verwendeten Rohstoffe sind im wesentlichen Malz und Hopfen. Die Hefe wird im Produktionsprozess selbst he rangezogen und vermehrt, als Verbrauchsmaterialien werden Reinigungsmittel sowie Filterhilfsmittel benötigt. Durch die Produktionszeit von rund vier Wochen müssen die Anforderungen des Verkaufs mit einem zeitlichen Vorlauf in der Planung antizipiert werden. Schwankungen in der Qualität der zu verarbeitenden Rohstoffe wie auch die Anforderungen des Marktes bei Produkt-Innovationen setzen eine flexible Rezepturverwaltung voraus. Diese erfolgt üblicherweise komplett auf der Leitsystemebene. Werks- oder Ver fahrensrezepte gibt es nur vereinzelt als Herstellanweisungen. Insgesamt ist die Produktionsplanung nicht durch die Einsatzplanung der Rohstoffe, sondern in erster Linie durch die Verfügbarkeit der verschiedenen Anlagenteile bestimmt.

Von allem etwas

Alternative Anlagenstrukturen und deren Komplexitätsgrad in der Chemie/Feinchemie.

© ZVEI

Die Papier- und Metallproduktion gilt als sehr komplex und erfordert viele der üblichen MES-Funktionalitäten. Der kontinuierlichen Zellstoffproduktion und Metallvorverarbeitung sind Batch- oder Kampagnenprozesse nachgeschaltet bis hin zu chargenorientierten, diskreten Prozessen mit trennenden Produktionsschritten (Zuschnitt/Vereinzelung). Zwischen den Produktionsschritten muss das Material immer wieder gelagert und bewegt werden. Daher spielt die Inventur eine wichtige Rolle. Wegen der zeitlich anspruchsvollen Produktionsketten sind Prognosen wichtig (Kampagnenplanung). ERP-Systeme, externe Planungsmodule oder MES-interne Komponenten werden für die Block- beziehungsweise Grobplanung verwendet. Dies stellt auch besondere Anforderungen an ein MES. Um eine effiziente und wirtschaftlich sinnvolle Produktionskapazität zu erreichen, werden die Bestellungen im ERP zu größeren Produktionsmengen einer Sorte zusammengeführt, dann en bloc produziert und daraus die einzelnen Produkte separiert.

Charakteristisch sind die hohen ProduktionskostenundProduktionsvolumina. Beispielsweise werden auf einer Papiermaschine pro Stunde etwa 80 Tonnen Papier (1,3 t/ min) hergestellt. Eine typische Stahlbramme wiegt 15 Tonnen; die Chargengrößen liegen zwischen 120 und 150 Tonnen. Der Durchsatz einer Stahlfabrik beträgt etwa 50 bis 100 t/h. Bei einem Produktionswert zwischen 40 000 und 200 000 Euro je Stunde wird deutlich, wie wichtig Verfügbarkeit und optimale Auslastung solcher Anlagen sind. Daher spielt in diesen Branchen ein funktionierendes MES eine zentrale Rolle. Der Industriebereich Chemie/Feinchemie ist geprägt durch eine Vielzahl an Prozessen, Produkten und Anlagentypen. Es gibt sowohl kontinuierliche und semikontinuierliche Prozesse als auch typische Chargenprozesse mit einer Spanne von wenigen bis zu mehreren hundert Produkten oder Varianten in einer Anlage.

Breites Anforderungsspektrum an Automatisierungskonzepte

Metall- und Papierproduktion sind hinsichtlich Auftragsplanung und Fertigungsoptimierung ein Herausforderung

© Siemens

Daraus ergeben sich breit gefächerte Anforderungen an die Automatisierungskonzepte. Der Bedarf und die Ausprägung der zugehörigen MES-Module fallen dementsprechend unterschiedlich aus. Vor allem in Mehrproduktanlagen ist häufig die Möglichkeit paralleler Produktionsabläufe in zum Teil identischen Teilanlagen mit flexibel belegbaren Produktionsstraßen gegeben. In speziellen Anlagen kann ein Produktwechsel auch mit Anpassungen der Fertigungseinrichtungen oder der Leitungsführung verbunden sein.

In derartigen Anlagen gehört eine Software für das Chargenmanagement mit modular strukturierten Rezepten, Ablaufsteuerung und flexibler Belegung der Einheiten inzwischen zum Standard. Bei den kontinuierlichen Prozessen sind Produktwechsel eher selten. Die meisten Einsatzstoffe werden über Rohrleitungen beziehungsweise aus Silotanks zugeführt, so dass eine chargenorientierte Fahrweise und Dokumentation der Produktion außer in den vor- und nachgelagerten Stufen kaum vorkommen. Vor allem bei mehreren Standorten eines Unternehmens oder bei an einem Standort verbundenen Produktionsstätten ist die Verwendung von MES-Werkzeugen zur Planung, Überwachung und Führung der gesamten Versorgungskette sehr wirksam.

Für die Überwachung der Einsatzstoffe und Produktqualität sind unter Umständen spezifische Analysen in separaten Labors und die Nutzung eines (LIMS) Labor Information Management Systems notwendig. Das LIMS enthält Vorschriften für die jeweilige Probenahme und deren Auswertung sowie die Möglichkeit zur Speicherung der erfassten Daten und deren Transfer zu übergeordneten Informationssystemen. In Chargenbetrieben wird die zeitnahe Auswertung durch spezielle MES-Module gestützt, die Prozess-, Chargen- und Analysendaten in Bezug zu Rezept-Inhalten sowie zur Anlagenstruktur aufbereiten und protokollieren.

Eine Branche, viele Varianten

Bei der Vielzahl an Anlagentypen in der Chemie/Feinchemie gibt es nicht den einen typischen Betriebsablauf. Generell lässt sich jedoch aufzeigen, welche Elemente in welchem Betriebsstadium eine Rolle spielen: Im Allgemeinen erfolgt zunächst die Analyse des konkreten Marktbedarfs und darauf basierend die Definition der Vorgaben an die Produktionsplanung (make-to-order). Produktionsaufträge aus der Planung werden im Betrieb als Kampagne disponiert, dabei in Einzelchargen aufgeteilt und den verfügbaren Teilanlagen zugewiesen.

Teil der Disposition ist auch die Überprüfung der Verfügbarkeit aller notwendigen Rohstoffe und Lagerkapazitäten. Je höher die Produktionsvielfalt, umso wichtiger wird es, gezielt Werkzeuge zur Planung der Versorgungskette zu nutzen. Auf Basis der Herstellvorschrift für ein Produkt werden die Vorgaben automatisch (Rezepte), teilautomatisch (Rezeptablauf mit manueller Interaktion) oder vollständig manuell ausgeführt. Eine Rezeptsoftware, die als MES-Modul oder im Leitsystem realisiert sein kann, sorgt für flexiblen und dennoch transparenten und dokumentierten Betrieb, selbst bei komplexen Ablaufanforderungen und Anlagenstrukturen.

Autor: Dr. Marcus Adams leitet die ZVEI-Arbeitsgruppe Manufacturing Execution Systems im Fachverband Automation in Frankfurt/Main.