MES-Lösungen kombinieren vereinfacht dargestellt die CIM-Komponenten der 80er Jahre. Deren wichtigste Komponenten sind:

• CAP - Computer Aided Planning,
• CAM - Computer Aided Manufacturing,
• CAQ - Computer Aided Quality Assurance,
• BDE - Betriebsdatenerfassung,
• MDE - Maschinendatenerfassung und
• PZE - Personalzeiterfassung.

Bei Unternehmen in den Bereichen Prozess- und Fertigungstechnik gewinnen MES zunehmend an Bedeutung und Verbreitung. Die treibenden Kräfte dieser Entwicklung sind neben der Einführung neuer Produktions- und Logistik- Konzepte vor allem die Veränderung der Produkte selbst sowie des Produkt-Entstehungsprozesses: Die Produktlebenszyklen werden immer kürzer, bei zunehmender Produkt-Komplexität, immer kürzeren Entwicklungszeiten sowie variantenreicherer Produktion. Um diese Anforderungen erfüllen zu können, bedarf es eines Instrumentariums, das sich nicht nur dediziert für einzelne Produktions- und Teilbereiche eines Unternehmens eignet, sondern „die Produktion" als ganzheitlichen Prozess im Unternehmen betrachtet.

MES-Lösungen können hierfür einen signifikanten Beitrag leisten. Sie bilden den Fertigungsprozess in Realzeit ab und ermöglichen so dessen Kontrolle und Optimierung. Die Realzeit- Fähigkeit, also die Prozessnähe über die unterschiedlichen Anforderungen wie Auftragsplanung und -steuerung, Materiallogistik oder MDE/BDE hinweg, ermöglicht die direkte Kopplung mit dem Produktionsprozess. Darüber hinaus ist die Integration in die Absatz- und Beschaffungsmärkte des Unternehmens notwendig. MES-Lösungen stellen nicht nur das operative Bindeglied zwischen der Produktionsebene und der Unternehmensebene dar, sondern vernetzen auch einzelne Partner innerhalb der Versorgungskette. Dies ermöglicht einen durchgehenden und ganzheitlichen Wertefluss und dessen Lenkung.

MES in den Prozess- und Fertigungsindustrien

Betriebsführungskonzepte müssen sehr flexibel mit unterschiedlichsten Herausforderungen umgehen können, beispielsweise mit Veränderungen hinsichtlich der Kundenanforderungen oder in den Beschaffungsmärkten. In der Prozessindustrie haben beispielsweise die Anfahr- und Abfahrprozeduren sowie Produkt- und Lastwechsel zugenommen. Auch in der Fertigungsindustrie sind tendenziell kleinere Losgrößen zu beobachten, begleitet von häufigeren Produktwechseln und einer höheren Anzahl an Produktvarianten. Die Beherrschung dieser Herausforderungen ist Grundvoraussetzung, um sowohl in der Prozessindustrie als auch in der Fertigungsindustrie die Wettbewerbsfähigkeit auszubauen.

Obwohl es in beiden Bereichen vielfältige Lösungen zu jeweils spezifischen Problemstellungen gibt, lassen sich strukturelle Analogien zu vielen Aspekten aufzeigen, die auch zu übergreifenden Lösungsansätzen führen können. Vor allem in hybriden Produktionsbetrieben kann dies von Nutzen sein. Für beide Industriebereiche gilt: Es gibt nach wie vor viele Unzulänglichkeiten in der Abstimmung benachbarter Geschäftsprozesse. Dies steht einer dynamischen, effizienten Betriebsführung und damit einem durchgängigen Informationsfluss entgegen. Die Ursachen dieser Informationsbarrieren sind in fast allen Branchen identisch:

• Zu geringe Vernetzung der MES-Anwendungen mit der Betriebsumgebung. Die Konsequenz ist eine unzureichende Datenbasis als Entscheidungs- und Steuerungsgrundlage.
• Nicht ausreichende Aktualität der Informationen.
• Zuordnungsfehler zwischen dem ERPSystem und den MES-Anwendungen aufgrund verschiedener Datenstrukturen und unterschiedlicher Detaillierungstiefe.
• Fehlende Werkzeuge, um die Informationslücken zu schließen.

Trotz der stark differierenden Fertigungsorganisationen unterscheiden sich die Grundforderungen der Industriezweige hinsichtlich ihrer allgemeinen betriebswirtschaftlichen Ziele kaum:

• Effizienter Rohstoff- und Energie-Einsatz,
• Minimierung der Produktionsausfälle,
• Verbesserung der Anlagennutzung,
• BeherrschungeinerhohenProduktvielfalt,
• konstant hohe Produktqualität sowie
• Nachverfolgbarkeit von Chargen oder Komponenten.

MES müssen somit in allen Marktsegmenten und Branchen die vertikale und horizontale Integration in Echtzeit mit den benachbarten Systemen ermöglichen. Vor diesem Hintergrund ist es in der Prozess- und Fertigungsindustrie gleichermaßen notwendig, dass die MES-Anwendungen sowohl die Aufgaben eines Planungs- und Überwachungsals auch eines Kommunikationswerkzeugs für die Gestaltung und Ausführung von Produktionsaufträgen erfüllen.

Mehr Gemeinsamkeiten als Gegensätze

Manufacturing-Execution-Systeme vermitteln zwischen der Produktion (Ebenen 1 und 2 im Aktivitätenmodell gemäß IEC 62264) und der ERP-Welt (Unternehmensplanung und Logistik) eines Unternehmens.

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In der kontinuierlichen Fertigung wird meist in Batch- oder Semi-Batch-Fahrweise produziert. Der Batch-Betrieb in der Prozessindustrie kann als Äquivalent zur Stückgut-Fertigung angesehen werden. Oft besteht die Produktionsanlage aus miteinander vernetzten Fertigungsbereichen, die bei Bedarf ebenso entkoppelt voneinander arbeiten können. Dies entspricht in der Fertigungsindustrie den Produktionsinseln, deren Wechselwirkungen vom zu fertigenden Produkt abhängen. Stets sind die Produktdurchläufe der jeweiligen Bereiche aufeinander abzustimmen und zu synchronisieren.

Prozessleitsysteme mit einer integrierten Rezeptfahrweise koordinieren die entsprechenden Arbeitsabläufe auf Basis so genannter Grund- beziehungsweise Steuerrezepte mit Ablaufprozeduren und Produktionsparametern. Weiterhin sorgen die Rezeptvorgaben dafür, dass der Produktionsprozess innerhalb der spezifizierten Toleranzen bleibt. Häufig werden die Rezepte außerdem auf der Steuerungsebene im Prozessleitsystem (PLS) verwaltet und abgearbeitet. Der Vorteil: Fällt das MES einmal aus, kann die Produktion weiterlaufen. Auch hierzu gibt es eine Entsprechung in der Fertigungsindustrie. In vollautomatisierten Roboterfertigungsstraßen werden die jeweiligen Programmvarianten für die Bahn-, Handhabungs-, Montage- oder Schweißabläufe produktbezogen in den Robotersteuerungen vorgehalten und verwaltet.

Für die Dokumentation von Batch-Prozessen werden meist nur bestimmte Kurvenabschnitte der aufgezeichneten Prozesswerte verwendet, die im Rahmen einer Charge entstanden sind. Die Herausforderung für die MES-Anwendungen besteht an dieser Stelle darin, die kontinuierlich aufgezeichneten Prozessparameter in zeitdiskrete, der Charge zugeordnete Darstellungen zu transferieren. Diese Funktionalität erfordert eine Verknüpfung mit dem Rezeptmodul des PLS, damit die zeitlichen Ereignisse einer Charge mit den entsprechenden Trenddaten kombinierbar sind. Mit dieser Verknüpfung wird die Herstellungshistorie protokolliert und die Chargenrückverfolgung eines Produktes ermöglicht.

Systemeingriffe, aber auch Änderungen an den Arbeitsabläufen, den Rezepturen sowie den Chargenreports lassen sich somit vollständig, reproduzierbar und fälschungssicher dokumentieren. Diese Funktion ist in Pharma-Anlagen durch die FDA-Vorschrift 21 CFR Part 11 zwingend vorgeschrieben; gleichermaßen - in abgeschwächter Form - in der Lebensmittelindustrie.

Herausforderung durchgängiges Engineering und Design

In der Fertigungsindustrie besteht das Analogon hierfür in der Produktionsverfolgung (BDE/MDE) und im Product- Lifecycle-Management (PLM). Mithilfe dieser Systemen werden Produktionsdaten von sicherheitsrelevanten Komponenten erfasst und weit über die Grenzen der eigentlichen Produktion hinaus verfolgt. Konkret: Das System erfasst für eine Komponente die wichtigsten Produktionsparameter und ordnet diese einer eindeutigen Seriennummer oder einem Fertigungslos zu.

Im Montageprozess sind es ebenfalls BDE- oder MDE-Einrichtungen und damit verbundene PLM-Systeme, die Komponenten dem übergeordneten Bauteil zuordnen und schlussendlich alle Informationen über das Endprodukt inklusive der Auslieferungsdaten in einer Produkt-Akte zusammenführen. Typische Beispiele hierfür sind Airbags, Bremsen oder Motorsteuerungen. Eine große und gemeinsame Herausforderung besteht nach wie vor in einem durchgängigen Engineering und Design zwischen den beteiligten Automatisierungsebenen nach dem Prinzip „Single point of information".

Dies betrifft sowohl die Prozess- als auch die Fertigungsindustrie, wobei letztere meist eine deutlich höhere Produkt- und Variantenvielfalt hat. Hieraus resultieren weitere Anforderungen an MES-Anwendungen, insbesondere bei der Produktionsplanung sowie bei der Steuerung von Fertigungsaufträgen und Teilaufträgen.

Die feinen Unterschiede

Beispiel einer Fließfertigung: Die Maschinen werden zu den lose gekoppelten Montageplätzen transportiert.

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In der Fertigungsindustrie setzen sich Zwischen- und Endprodukte meist aus einer großen Anzahl von Einzelkomponenten zusammen. Außerdem ist der Herstellprozess durch stark verkettete Anlagen mit wenigen Zwischenpuffern gekennzeichnet. MES-Anwendungen müssen daher höheren Anforderungen hinsichtlich Aktualität, Vollständigkeit, Konsistenz und der Verarbeitungsgeschwindigkeit großer Datenmengen gerecht werden. Ein weiteres Problemfeld stellen die Fertigungsanlagen dar: Die Produktion besteht in der Regel aus vielen Anlagenbereichen von unterschiedlichen Herstellern.

Entsprechend heterogen ist die vorhandene DV- und MES-Landschaft. Im Gegensatz zur Prozessindustrie haben sich hier übergeordnete, insbesondere bereichsübergreifende Leitsysteme nicht durchgesetzt. Die in der diskreten Fertigung üblichen Stücklisten und Fertigungspläne eignen sich in der Prozessindustrie selten für die vollständige Abbildung und Modellierung der dort vorherrschenden Arbeitsabläufe. Hier muss die MES-Anwendung in der Lage sein, Struktur und Parameter der Rezepte aus den angeschlossenen Zielsystemen als Stammdaten, aber auch als Bewegungsdaten für die Steuerung und Dokumentation von Produktionsaufträgen zu erfassen und in geeigneten Datenbankstrukturen abzuspeichern.

In der Prozessindustrie werden die Herstellvorschriften (Grundrezepte) nicht im ERP-System definiert, sondern im Rezeptmodul des MES oder PLS. Die Grundrezepte selbst durchlaufen sehr spezielle Test- und Validierungsprozeduren, bevor sie eine Freigabe für den Herstellprozess erhalten. Diese Aspekte sind insbesondere in der Pharma-, aber auch in der Lebensmittelindustrie substanziell für die Gewährleistung der Produktsicherheit. Fast alle Messwerte in der Prozessindustrie werden kontinuierlich über mehrere Jahre erfasst und archiviert, um dann in Form von Messwertkurven oder Trenddiagrammen Aufschluss über die Produktionsverhältnisse zu geben.

Da die Daten in großer Menge und kurzen Zeitabständen anfallen, muss die Archivierung entsprechend leistungsfähig und robust ausgelegt sein. Standard-SQL-Datenbanken sind in diesem Umfeld wegen ihrer geringen Performance meist weniger geeignet. Daher kommen hier Datenbanken zum Einsatz, die sich für die Verarbeitung großer, sich schnell ändernder Messwerte eignen und spezielle Algorithmen zur Datenkomprimierung nutzen.

Charakteristische Applikationsfelder

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, zum Beispiel

• im Maschinen/Anlagenbau (Einzelfertiger),
• in der pharmazeutischen Wirkstoffproduktion,
• in der Nahrungsmittel- und Brauerei- Industrie,
• in der Raffinerie/Petrochemie,
• in der Chemie/Feinchemie,
• in der Großserienfertigung (Fahrzeughersteller/ Zulieferer) sowie
• in der Papier/Metallindustrie.

Typische Einzelfertiger sind Hersteller von Sondermaschinen und industriellen Anlagen zum Beispiel von Pressen und Pressenstraßen, kombinierten Bearbeitungszentren (Bohren, Fräsen, Schleifen), Maschinen zur Bearbeitung von Tafelware (Lasern, Nibbeln, Plasmaschneiden), Anlagen zur Verarbeitung von Nahrungsmitteln (Milch, Zucker, Getreide) oder von Anlagen zur Gewinnung von Ausgangsprodukten aus Rohstoffen wie Erdöl, Kohle oder Gas.

Arbeitsanweisungen und Rückmeldungen über den Auftragsfortschritt erfolgen häufig per BDE/MDE-Terminal.

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Deren Kennzeichen sind geringe Losgrößen, häufig sogar bis zum Unikat. Selbst bei Losgröße 1 sind die Hersteller bestrebt, Maschinen und Anlagen modular aufzubauen, um möglichst viele Gleichteile verwenden zu können.

Übliche Fertigungsstrategien sind eine der Serienfertigung nachempfundene Fertigungslinie und die stationäre Montage. Beim Typ 1 wird das zu fertigende Objekt (Maschine, Gerät, Komponente) von Arbeitsplatz zu Arbeitsplatz geschoben. Die einzelnen Stationen sind dabei nicht oder nur wenig vernetzt und daher flexibel kombinierbar. Bei der stationären Fertigung bleibt das zu fertigende Objekt vom Produktionsbeginn an im Wesentlichen an einem Ort. Einzelne Teile und Komponenten werden von den Bearbeitungsstationen (Drehbänke, Biegemaschinen) und den Vormontage- Plätzen zum Objekt gebracht. Ein prominentes Beispiel für eine Mischform beider Strategien stellt der Flugzeugbau dar.

Keine Maschine gleicht der anderen

Charakteristisch für Einzelfertiger ist, dass nicht alle für die Fertigung notwendigen Prozessschritte und Betriebsmittel zwangsläufig am gleichen Ort vorhanden sein müssen. Häufig werden unmittelbar im Fertigungsprozess liegende Arbeitsschritte außer Haus verlagert - eine Herausforderung unter MES-Gesichtspunkten: Objekte müssen als Abgang erfasst und danach wieder zugebucht werden. Dabei gibt es während der externen Fertigungszeit meist keine Informationen über den aktuellen Bearbeitungszustand. Dies stellt an die Überwachung der Fertigstellungstermine komplizierte Anforderungen.

Im Sondermaschinenbau gleicht keine Maschine der anderen. Dies bedeutet für die Dokumentation und Variantenverwaltung, aber auch für das Instandhaltungsmanagement, dass die eingesetzten Werkzeuge besondere, aufgabenspezifische Anforderungen erfüllen müssen: Die Produktionsplanung erfordert beispielsweise die Identifikation von Standardkomponenten und Sonderkonstruktionen. Die Beauftragung und Terminierung von Konstruktionen sowie der Terminabgleich zwischen neu zu konstruierenden und vorhandenen Komponenten stellt hohe Anforderung an die Terminplanung und -verfolgung. Hinzu kommt die Belegung von Maschinen und Montageplätzen sowie die Koordination der internen und externen Fertigung (Zulieferer).

Entsprechend den Terminplänen müssen die Rohmaterialien bereitgestellt und die zur Bearbeitung notwendigen Werkzeuge und Maschinen vorgehalten werden. Nicht zu vernachlässigen ist die Bereitstellung von Halbzeugen sowie die Kommissionierung von Kleinteilen und Verbrauchsmaterialien. Die Produktionsdurchführung erfordert die Bereitstellung der zu verarbeitenden Materialien, welche durch Kommissionierung, direkte Lagerabrufe oder an den Maschinen vorhandenen Beständen einem Produktionsauftrag zugeordnet wurden. Ebenso zu berücksichtigen sind die Einrichtung der Maschinen (Werkzeugwechsel oder Aufspielen von Fertigungsprogrammen) oder die Verarbeitung der Rohmaterialien zu Komponenten oder Halbzeugen gemäß den Fertigungsvorschriften (Zeichnungen, Text- und/oder Bildanweisungen etc.).

Die produzierten Mengen werden je nach Komplexität der Teile entweder direkt über Zähler an der Maschine erfasst (MDE), als Chargenmengen von Mitarbeitern über Terminals manuell ermittelt (BDE) oder bei komplexen Teilen über eine eigene Seriennummer mittels Barcode in das MES eingelesen. Die Betriebsabläufe der Einzelfertiger sind gekennzeichnet durch hohe Flexibilitätsanforderungen, die durch die Individualität der Produkte geprägt sind. MES-Lösungen müssen diese Flexibilitätsanforderungen uneingeschränkt unterstützen.

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