Welcher produzierende Betrieb steht heute nicht vor der Herausforderung, bessere Produkte in kürzerer Zeit möglichst fehlerfrei und mit geringeren Kosten herzustellen? Zugleich erfordern differenzierte Kundenwünsche und größere Variantenvielfalt flexible Fertigungstechnologien und Geschäftsprozesse - teilweise sogar über Unternehmensgrenzen hinaus. Die bloße Automatisierung von Maschinen und Anlagen reicht längst nicht mehr aus, um den gestiegenen Anforderungen gerecht zu werden und die Produktivität weiter nachhaltig zu verbessern. Denn nicht nur in Hochtechnologie- Branchen wie der Automobilindustrie - stets ein Vorreiter bei der Fabrikautomation - sind angesichts weitgehend automatisierter Produktionsabläufe diese Effizienzpotenziale nahezu ausgereizt.

Die größten Produktivitätsreserven liegen heute in der konsequenten Optimierung aller Produktions- und Geschäftsprozesse durch Echtzeit-Kommunikation und ein unternehmensweites Informationsmanagement. Dies gilt für alle Branchen vom Maschinenbau bis zur Prozessindustrie. Der Grundgedanke ist nicht neu: Die kontinuierliche Verbesserung eines Produkts durch schrittweise Optimierung der Prozesse gehört bereits seit mehr als einem halben Jahrhundert zu den wichtigsten wirtschaftlichen Erfolgsstrategien japanischer Unternehmen - während viele westliche Hersteller lange Zeit vor allem auf ständige Neuentwicklungen setzten.

Nicht von ungefähr haben bekannte Optimierungsverfahren wie Kaizen, Poka Yoke oder das Toyota Produktionssystem (TPS) ihren Ursprung in Japan. Diese Verfahren zielen insbesondere auf eine kontinuierliche „Veränderung zum Besseren" (Kaizen), die „Vermeidung unbeabsichtigter Fehler" (Poka Yoke) sowie eine „synchrone Produktion im Kundentakt" (TPS) unter Vermeidung jeglicher Verschwendung.

Grundlage aller Analyse- und Optimierungsverfahren vom Auftragseingang über die Produktionssteuerung bis hin zum fertigen Produkt sind transparente, verlässliche und möglichst zeitnah erhobene Daten aus der Produktion - dies gilt selbstverständlich auch für andere verbreitete Managementmethoden wie zum Beispiel die ursprünglich in den USA entwickelten Konzepte „Six Sigma" oder Total-Quality- Management.

Der Hemmschuh für mehr Effizienz

Das e-F@ctory-Konzept: Auf die Automatisierungs-komponenten abgestimmte MES-Module schließen die Lücke zwischen der Steuerungsebene und den Werkzeugen der Produktions- und Unternehmensplanung.

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In vielen Betrieben werden diese Daten allerdings nach wie vor per Hand erfasst oder Informationen persönlich von Mitarbeiter zu Mitarbeiter weitergegeben. Dies birgt ein hohes Fehlerpotenzial bis hin zum unbeabsichtigten Datenverlust und verzögert den Informationsfluss - und damit oftmals den gesamten Produktionsprozess. Auch manuell ausgeführte Arbeitsschritte, etwa bei der Qualitätskontrolle, wirken häufig als Bremse und verhindern kürzere Durchlauf- und Lieferzeiten sowie eine präzise Produktionsplanung.

Angesichts der immensen Datenmengen, die heute in Unternehmen zu verarbeiten und zum Beispiel aus Gründen der Nachweispflicht oder Produkthaftung zum Teil langfristig vorzuhalten sind, ist demnach eine effiziente Datenerfassung, Auswertung und Dokumentation auf Papier künftig ein Ding der Unmöglichkeit. Aber selbst dort, wo der Datenaustausch bereits weitgehend elektronisch abläuft, behindern schlecht integrierte oder komplexe IT-Systeme die Kommunikation. Konventionell aufgebaute Informationssysteme leiten die Daten aus der Steuerungsebene zunächst zu einem Rechner in der Produktion, wo sie erst konvertiert werden müssen, bevor sie über das Firmennetzwerk in die zentrale Datenbank gelangen.

Der Rechner fungiert also als Gateway zwischen den verschiedenen Kommunikationsnetzen, die mit unterschiedlichen Protokollen arbeiten. Neben den Investitionen in die Hardware erfordert dieser Umweg über einen Rechner auch einen erheblichen Aufwand im Software-Engineering. Außerdem erweisen sich in der Planungsebene der Unternehmen die über Jahre gewachsenen heterogenen IT-Landschaften mit einer Vielzahl von hoch spezialisierten Geschäftsanwendungen und Schnittstellen zunehmend als starr und unflexibel.

Llückenloser Informationsfluss zu beliebigen Datenbanken

Klassisch erfolgt die Anbindung der Steuerungen an übergeordnete Managementsysteme über Gateway- Rechner und eine Kommunikationssoftware; einfacher und effizienter ist der direkte Weg über das auf der Steuerungsplattform integrierte MESIT-Interface-Modul.

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Die Folgen sind fatal: Etablierte IT-Strukturen lassen sich nur ungenügend an die immer rascher wechselnden Marktanforderungen anpassen und werden zum Hemmschuh einer flexiblen, marktorientierten Unternehmensstrategie. Aus diesen Gründen ist eine engere Verzahnung und durchgängige Transparenz der Produktions- und Geschäftsprozesse über „intelligente" Module erforderlich, welche die Lücke zwischen den Steuerungssystemen der Automatisierungsebene und den Werkzeugen der Produktions- und Unternehmensplanung schließen.

Vor diesem Hintergrund hat beispielsweise das Unternehmen Mitsubishi Electric in den letzten Jahren verschiedene skalierbare MES-Lösungen (Manufacturing Execution System) für seine modularen Steuerungen und Bediengeräte entwickelt, die mittels einfacher Schnittstellen einen lückenlosen Informationsfluss zu beliebigen Datenbanken ermöglichen - und zwar ohne den Umweg über teure und störungsanfällige Rechner in der Produktion.

Dies spart nicht nur erhebliche Kosten für die technische Ausrüstung und Programmierung, sondern bietet darüber hinaus auch einen besseren Schutz sensibler Daten vor Missbrauch und unerwünschtem Zugriff von außen und innen. Zudem sind benutzerabhängige Zugriffsrechte auf eine SPS über ein Bediengerät leichter zu kontrollieren und kaum zu manipulieren.

Zusätzliche Datenbanken sind passé

Für die Anwahl der SAP-Schnittstellen und deren Parametrierung ist keine Programmierung notwendig.

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Die derzeit leistungsfähigste Lösung, um Produktionsdaten direkt aus der Steuerung mit allen gängigen Datenbanksystemen auszutauschen, ist das im Jahr 2008 eingeführte „MES-IT Interface Modul". Kern der Technologie, die nah an den Geschäftsprozessen ausgerichtete serviceorientierte Architekturen (SOA) unterstützt, ist der für die Hochsprachenprogrammierung in C/C++ ausgelegte CController von Mitsubishi Electric mit der entsprechenden Modulsoftware. Das Mikroprozessormodul für die so genannten iQ-Plattform, die im Multiprozessorbetrieb bis zu vier unterschiedliche Steuerungstypen (SPS, Motion Control, CNC und Robotersteuerung) vereint, wird ebenso wie die anderen Prozessoren einfach auf den Baugruppenträger gesteckt.

Der Datenaustausch mit den Steuerungen erfolgt über einen gemeinsamen Hochgeschwindigkeits-Rückwandbus, die Kommunikation mit vorhandenen Fremdsteuerungen und den übergeordneten Managementsystemen über Ethernet-TCP/IP. Eine Weiterentwicklung dieser Technologie ist das kürzlich vorgestellte MES-IT-Interface-Modul für SAP-Umgebungen. Dieses zielt insbesondere auf Unternehmen mit komplexen IT-Landschaften, die ihre Prozesse individuell integrieren möchten. Zur standardisierten Übertragung von Echtzeit-Daten nutzt es Business Application Programming Interfaces (BAPIs).

Dabei handelt es sich um offene, betriebswirtschaftlich orientierte Programmierschnittstellen für den externen Zugriff auf die Geschäftsprozesse und die Daten von SAP-Systemen. Dieser direkte Datenaustausch zwischen dem Automatisierungssystem und umfassenden elektronischen Informationssystemen wie SAP-ERP (Enterprise Resource Planning) funktioniert ohne zusätzliche Datenbanken. Noch einen Schritt weiter geht die in Zusammenarbeit mit der Firma Ubigrate - ein Systemintegrator und Partner der SAP-Future-Factory-Initiative - entwickelte MES-Lösung. Sie basiert auf der eigenen Softwareplattform des Unternehmens und nutzt neben dem C-Controller als Standardbaustein der modularen Steuerungstechnik die Kommunikationssoftware EZSocket von Mitsubishi.

Diese Kombination ermöglicht eine direkte Anbindung der iQ-Plattform an etablierte SAP-Schnittstellen und damit die reibungslose Übertragung von Echtzeit-Daten über eine Vielzahl von Kommunikationswegen. Darüber hinaus stellt die Ubigrate- Softwareplattform bereits komplett fertige Grundfunktionen für einzelne SAP-Module wie Warehouse Management (WM), Extended Warehouse Management (EWM), Logistics Execution Systems (LES) und Task Resource Management (TRM) zur Verfügung. Diese Bausteine lassen sich je nach Anforderung eines Unternehmens individuell zusammenstellen und mit anderen SAPFunktionen kombinieren. Der Vorteil für den Anwender: Die Entwicklungsprozesse für die Anbindung an SAP-Systeme werden vereinfacht und beschleunigt, während das Entwicklungsrisiko und die Kosten sinken.

Parametrieren statt programmieren

Den beschriebenen MES-Lösungen gemeinsam ist neben dem Wegfall der Gateway-Rechner vor allem die einfache Integration und Inbetriebnahme. Durch bereits fertig programmierte Funktionen lassen sich beispielsweise die Steuerungen mit den speziell auf SAP-Systemen zugeschnittenen MES-IT-Interface-Modulen wie ein SAP-Terminal nutzen. Ein intuitiv zu bedienendes Parametrierwerkzeug unterstützt den Anwender jeweils bei der Auswahl der zur Steuerung aller Produktions- und Geschäftsprozesse notwendigen Daten.

Die menügeführten Konfigurationsprogramme erfordern keine speziellen Kenntnisse über die Programmierung von Datenbanken beziehungsweise der SAP-Systeme. Ausgehend von einer einfachen Betriebsdatenerfassung bis hin zur kompletten Anbindung der Produktionsebene an die Planungswerkzeuge im ERP-System ist ein schrittweiser Ausbau zu einem unternehmensweiten Energie- und Informationsmanagement möglich. Gerade im Hinblick auf die derzeit allgegenwärtige „Energie-Effizienz-Diskussion" eröffnen sich mit dieser Datendurchgängigkeit enorme Potenziale. Denn allein durch die Optimierung der bestehenden Produktions- und Gebäudetechnik können Unternehmen wesentlich effizienter arbeiten und viel Energie sparen.

Neben energiesparender Technik, wie beispielsweise dem Einsatz drehzahlvariabler Antriebe mit Frequenzumrichtern, ist zur Ausschöpfung aller Möglichkeiten ein möglichst umfassendes Energiemanagement erforderlich. Die einfache Anbindung der Automatisierungssysteme an beliebige Datenbanken führender Hersteller betriebswirtschaftlicher Software wie IBM, Microsoft, Oracle oder eben SAP ermöglicht es, Energiedaten aus der Produktion oder aus Gebäuden ohne Aufbau einer neuen Infrastruktur kostengünstig über bereits vorhandene Steuerungssysteme zu erfassen und zu analysieren, um so den Energieverbrauch zu optimieren. Gleichzeitig sind die Technologien offen für künftige Entwicklungen auf dem Strommarkt.

So gibt es in Europa verstärkt Bestrebungen, nachfrageorientierte Lastmanagementsysteme einzuführen, die durch günstigere Stromtarife für Schwachlastzeiten ein flexibles Nutzungsverhalten von Unternehmen und Haushalten belohnen. Das bedeutet zum Beispiel, dass der Betrieb einer Produktions- oder einer Waschmaschine erst startet, wenn das Gerät ein Signal über die Stromleitung erhält. Integrierte MES-Lösungen können aber noch mehr: Auch Schwachstellen in den Betriebsabläufen oder im Energiemanagement lassen sich auf diese Weise rasch erkennen und beseitigen.

Autor: Thomas Lantermann ist Technical Consultant für den Bereich e-F@ctory bei Mitsubishi Electric Europe in Ratingen.

Die „gläserne“ Fabrik

Am Beispiel eines Pilotprojektes in Nordamerika lässt sich der Nutzen einer integrierten MES-Ankopplung über ein Modul wie das MES-IT-Interface in Zahlen ausdrücken. Dort spart ein Automobilhersteller heute jährlich allein 250 000 Euro Wartungskosten für die aus der Produktion verbannten Rechner.

Der reibungslose Informationsfluss vom Management bis in die Maschine ermöglicht es dem Unternehmen außerdem, seine Produktionsprozesse kontinuierlich zu verbessern und Geschäftsprozesse schrittweise zu flexibilisieren. Auch in der eigenen Servomotorenfertigung in Nagoya Works, Japan, hat Mitsubishi Electric sein e-F@ctory-Konzept für integrierte Automatisierungslösungen in die Praxis umgesetzt.

Das Ergebnis der gläsernen Fabrik: Im Vergleich zu herkömmlich konzipierten Fertigungsanlagen stieg die Produktivität um 80 %. Gleichzeitig sanken die Lieferzeiten. Heute benötigt der Bau eines Servomotors nur noch die Hälfte der Zeit - bei einer Nullfehlerproduktion ohne teuren Ausschuss. Zusätzlich sparte das Unternehmen 65 % der sonst üblichen Entwicklungskosten.