MES als Dreh- und Angelpunkt für Industrie 4.0

Mit der Rolle von Manufacturing Execution Systems (MES) als Dreh- und Angelpunkt für Industrie 4.0 setzt sich eine Expertenrunde auseinander, welche die führenden Verbände für dieses Thema – MES D.A.CH Verband, VDI, VDMA und ZVEI – repräsentiert. Die Redaktion berichtet exklusiv darüber.

Ronald Heinze

Digitalisierung und digitale Transformation sind allgegenwärtig. Datenaustausch findet überall statt, alles wird vernetzt. Die klassische Automatisierungspyramide soll keine Rolle mehr spielen. Werden MES-Lösungen in einem solchen Szenario noch benötigt? „MES wird es sicher weiterhin geben“, ist Martina Weidner überzeugt. „Aber sie werden eine neue Rolle einnehmen.“ MES beschreibt künftig nicht mehr eine monolithische Anwendung mit definierten Funktionen und Merkmalen, sondern wird für die Aufgabe stehen, über die Grenzen von Funktionsbereichen, Prozessen, Anwendungen und technischen Systemen hinaus vernetzt die Durchführung von Fertigung und Montage sicherzustellen – auf Basis der Vorgaben aus Engineering sowie Planung und unter Nutzung moderner Kommunikations- und Integrationsmethoden sowie -technologien.

MES werden die Orchestrierung des Gesamtprozesses ausführungsnah übernehmen. Sie agieren als Koordinator zwischen den verschiedenen Bereichen, Systemen und Technologien, die für die Produktion wichtig sind, und beeinflussen deren Ablauf. „Eine große Herausforderung ist das Umdenken in den Köpfen“, setzt die SAP-Expertin fort. OT/IT-Konvergenz ist weitaus mehr als technische Schnittstellen oder die maschinennahe Bereitstellung betriebswirtschaftlicher Funktionen.

Paradigmenwechsel bei MES

MES sind mehr denn je notwendig, denn die Produktion wird zukünftig – auch im Zusammenhang mit Industrie 4.0 – dadurch charakterisiert sein, dass sehr viel mehr Daten entstehen und zugeordnet werden müssen“, ist Dr. Marcus Adams überzeugt. „Es wird ein wesentlicher Vorteil für die Unternehmen sein, aus den gewonnenen, auch zunächst unspezifizierten Daten zum Beispiel Erkenntnisse zu gewinnen, die Rückschlüsse auf die Qualität der Produkte zulassen. Das gilt für beliebige Zeitpunkte, auch deutlich nach der Erhebung.“ Das Bewusstsein für die Wichtigkeit von Produktionsdaten sowie deren Erfassung und Sammlung ist inzwischen erheblich gestiegen. „Produzierende Unternehmen haben das Interesse, diesen Datenschatz zu heben“, fügt der ZVEI-Mann an.

„Der Paradigmenwechsel besteht darin, dass MES nicht mehr nur als rein operative Systeme an der „Tag-Heute-Linie“ gesehen werden, die Informationen bereitstellen und aufnehmen“, meint dazu Marcus Niebecker. „Die Entwicklung geht weg von starren Systemen und hin zu Systemen zur Datenerfassung, die Daten als Dienstleister bereitstellen und ihnen sozusagen ein Zuhause geben – auch für die sogenannten Verwaltungsschalen.“ Mit der Einbindung in ein MES können Industriekomponenten wie Kompressoren zu Industrie-4.0-Komponenten werden. „Die Daten, die der Kompressor liefert, müssen so aufbereitet und bereitgestellt werden, dass jegliche anderen Systeme auf diese Daten zugreifen und sie weiterverarbeiten können“, setzt er fort. „MES-Lösungen bekommen eine zum Teil andere Bedeutung: mehr in Richtung ‚Jobs behind‘ – also außerhalb der eigentlichen Fertigung.“

„Die Kernaufgaben von MES werden sicher in der Fertigungstechnik bleiben“, betont Dr. Kym Watson. „Neben der reinen Steuerung der Abläufe wird es ein Qualitätsmanagement und ein Management der Betriebsmittel geben, in dem Industrie-4.0-Funktionalitäten angesiedelt sind. Das ist nicht mehr so einfach zuordenbar wie in der Vergangenheit, da gleiche Daten in mehreren Verwaltungsschalen oder auf mehreren Ebenen der Automatisierungspyramide benötigt werden.“

Doch wie können MES-Lösungen auch zu neuen Geschäftsmodellen beitragen? „Ein wichtiger Punkt ist, Daten nicht nur einfach zu sammeln und anzuhäufen, sondern die gesammelten Daten zu interpretieren“, antwortet M. Niebecker. „Dazu müssen die MES-Lösungen lernen, aus Rückschlüssen Vorschläge zu entwickeln – ein erster Schritt zur Optimierung. Daten müssen immer in Korrelation zu anderen Daten gestellt werden, um den Gesamtprozess zu optimieren.“ Bisher werden die Daten auf der Automatisierungsebene und unabhängig davon auf der MES-Ebene erfasst. „Diese Daten werden aber kaum in Bezug zueinander gesetzt“, setzt M. Niebecker fort. „Eine Herausforderung ist es, diese Daten miteinander zu korrelieren, um die Produktion in ihrer Gesamtheit zu erfassen und Abläufe zu verbessern.“

MES als wichtiger Baustein für datenorientierte Geschäftsmodelle

„Wenn wir über neue Geschäftsmodelle sprechen, dann reden wir doch vor allem über Markt, Marketing und Vertrieb als treibende und die Marschrichtung bestimmende Kräfte – auch wenn die Produktion das nicht so gerne hört“, betont M. Weidner. Als Beispiel nennt sie Kaeser Kompressoren, die nun „nicht mehr Maschinen, sondern die Zusicherung verkaufen, dass komprimierte Luft zur Verfügung steht.“ Bezahlt wird für Kubikmeter komprimierter Luft – ein neues Geschäftsmodell. „Losgtöße 1 ist im Maschinenbau keinesfalls neu“, berichtet sie weiter. „Interessanter ist da schon die zunehmende Variantenvielfalt in der Massenproduktion und – damit einhergehend – immer kleinere Losgrößen bis hin zur Losgröße 1“ Argumente aus der Produktion, dass „erstmal die SPS umprogrammiert werden muss, können zukünftig nicht mehr akzeptiert werden“. Flexibilität und schnelle Reaktionsfähigkeit sind gefordert. „Sämtliche Einstellungen und Konfigurationen – die Rezeptur der Fertigung – müssen weitestgehend parallel zum laufenden Betrieb vor­bereitet und ausgetestet werden können“, erklärt die SAP-­Expertin. Vor allem die Eliminierung von Business-Logik aus der Automatisierung sowie eine umfassende vertikale und horizontale Integration auf Basis offener Systeme und Kommunikationsstandards werden die Flexibilisierung der Produktion maßgeblich fördern. „Nur so kann die Produktion neuen Geschäftsmodellen hinsichtlich Reaktionsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit standhalten“, schließt sie an.

Für Dr. M. Adams ist wichtig, dass die anfallenden Daten nicht nur weiterverarbeitet, sondern auch in die Produktion zurückgeführt werden: „Wenn der Regelkreis geschlossen ist und Störgrößen mit einbezogen werden, gibt es die Chance, dass die Planung eine neue Qualität erhält und sich dynamisch an die Gegebenheiten anpasst.“ Neue Geschäftsmodelle ergeben sich zum Beispiel auch, wenn Stromverbraucher und Energieversorger zusammengeschlossen werden, um eine bessere Balance hinsichtlich Netzauslastung zu erreichen. Voraussetzung dafür ist die Dynamisierung der Produktion und der Planung. „Die meisten Geschäftsmodelle sind datenorientiert, daher sind ja MES dafür bestens geeignet“, bestätigt Dr. K. Watson. „Aber eine wichtige Forderung aus dem Industrie-4.0-Kontext ist die Flexibilisierung der gesamten Abläufe, inklusive der Planung. Ein MES muss flexibel anpassbar sein, sonst wird es zum Engpass.“

Standardisierte Herangehensweise

Industrie 4.0 funktioniert nicht ohne Datenaustausch und dieser muss standardisiert sein. Für M. Weidner ist Standardisierung nicht einfach nur ein notwendiges Übel: Offene Standards sind eine Grundvoraussetzung. „Echter Mehrwert entsteht erst, wenn der Anwender mit den Daten frei arbeiten kann“, betont sie. „Standards wie OPC UA sollen die Kommunikation in der Fertigung vereinfachen.“

„Wir haben es bis heute nicht geschafft, auf allen Ebenen der Automatisierung eine tatsächliche Durchgängigkeit der Daten zu bieten“, unterstreicht Dr. M. Adams. „Die Chance, die Industrie 4.0 hier bietet, ist das Belassen der Komplexität einer Komponente innerhalb der Verwaltungsschale und das Herausgeben der Informationen nach außen, die für angrenzende und umgebende Systeme tatsächlich wichtig sind.“ Er schließt an: „Da sehen wir uns als AG MES innerhalb des ZVEI in der Pflicht und haben uns dieser Aufgabe gestellt.“ Derzeit werden zum Beispiel Verwaltungsschalen für MES-Komponenten als virtuelle Objekte entwickelt. In einem zweiten Schritt wird dafür gesorgt, dass für die Daten, die dort entstehen, ein eindeutiger, unternehmensweit verwendbarer Schlüssel zur Verfügung steht – für Dr. M. Adams ein Gewinn an Durchgängigkeit und Flexibilität.

Dr. K. Watson erinnert an das Problem der Semantik und nennt weitere Standards wie Automation ML für das Engineering: „Die Ingenieure müssen von den Anstrengungen der IT-Fachleute hinsichtlich der Semantik profitieren können. Die Verarbeitung und Abbildung von Informationen – auch von einem Modell auf das andere – ist eine wichtige Aufgabe, die gelöst werden muss.“

M. Niebecker verweist auf die momentanen Schwierigkeiten der Anbindung von MES an Maschinen und Anlagen: „Wir als MES-Anbieter erleben in der Praxis, dass wir permanent Maschinen und Anlagen anbinden müssen. Das können klassische Einzelmaschinen sein, aber auch ganze Produktionsanlagen. Mittlerweile wird ein Paradoxon sichtbar, dass man sich bei einer komplexen Produktionsanlage einfacher mit Daten versorgen kann, als bei einer einfachen Werkzeugmaschine.“ Die klassische Werkzeugmaschine hat in der Regel nur eine unzureichende Kommunikationsfähigkeit. Es muss viel Energie aufgebracht werden, um relevante Daten aus diesen Maschinen zu bekommen. „Produktionsnahe IT und Instandhaltung schreiben gemeinsam in einem Kraftakt eigene Programmbausteine für ihre Steuerungen oder es müssen die jeweiligen Kommunikations-Komponenten der Maschinenhersteller genutzt werden“, schließt er an. „Dabei wird klar, dass ein Umdenken erforderlich ist.“ Industrie 4.0 ist eine Chance, um einen Standard zu etablieren, der erheblich zur Vereinfachung der Kommunikation auf allen Ebenen und zwischen allen Ebenen beiträgt. Ein erster wichtiger Schritt ist die Etablierung von OPC UA, um relevante Daten austauschen zu können. SAP engagiert sich in der OPC Foundation, aber auch der Einfluss von SAP hat Grenzen. „Der Druck muss vom Kunden kommen“, so M. Weidner. „Die Anwender müssen lernen, ihre Anforderungen an die Kommunikationsfähigkeit der Automatisierung anders zu formulieren. Bei der Anschaffung einer Maschine muss vor Bestellung klar sein, welche Art der Anbindungen und des Datenaustauschs benötigt werden. Das ist vor allem eine Frage der Planung der Produktion und der Abläufe in einer Fabrik.“

„Wir Hersteller können nur Voraussetzungen schaffen und auf die Vorteile von OPC UA verweisen“, pflichtet Dr. M. Adams dem bei. „OPC UA legt keine Datenstrukturen fest, sondern ist offen. Wir werden daher branchenspezifische Profile entwickeln und spezifizieren und dafür entsprechende Standards aufbauen müssen.“ So wird es die Aufgabe von Verwaltungsschalen sein, dass MES-Komponenten einfacher untereinander Informationen austauschen können. Diese Profile werden laut Dr. M. Adams nicht nur die Protokolle beschreiben, sondern auch die Eigenschaften von Funktionen und die Semantik der Daten. Vergleichbar ist das mit der Situation vor 15 bis 20 Jahren, wo sich die Maschinenbauer über spezielle Schnittstellen von Steuerungen, an Feldbusse anschließen mussten. Allerdings werden jetzt nicht nur physische Objekte, wie ein Antrieb, sondern auch virtuelle Objekte, die die Funktionen einer Maschine oder Anlage beschreiben, eingeschlossen.

Für Dr. K. Watson spielt neben OPC UA auch Automation ML eine wichtige Rolle: „Beide Standards müssen möglichst effizient zusammenarbeiten.“ Wichtig ist es, ein Schnittstellenchaos wie in den 1980er- und 1990er-Jahren zu verhindern.

Ohne Cloud kein MES?

„Cloud-Lösungen sind nicht zwingend, da immer die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Produktion berücksichtigt werden müssen“, betont M. Weidner. „Bei hoch automatisierten, sehr kurz getakteten Montagelinien wird zum Beispiel eine Steuerung aus der Cloud heraus nicht funktionieren.“ Latenzzeiten von 50 ms für eine Strecke sind selbst bei guten Netzwerken üblich. Laut M. Weidner müssen einige MES-Funktionen im Werk bleiben, allein um einen ausfallsicheren Betrieb zu garantieren. „Für die Speicherung von vielen Daten, zum Beispiel zu Analysezwecken, stellt die Cloud das ideale Medium dar“, schließt die SAP-Spezialistin an. „In einer Produktion mit sehr vielen manuellen Produktionsschritten kann die Cloud-Lösung ebenso sinnvoll sein. ‚Alles in die Cloud!‘ ist kein Paradigma, man muss von Anwendungsfall zu Anwendungsfall entscheiden, wo eine Cloud-Anbindung Sinn ergibt.“

„Die Frage nach der Cloud wird in der Praxis oft von der lokalen IT-Abteilung gestellt, da diese dann keine Hardware und Services bereitstellen muss“, ergänzt M. Niebecker. „Die Frage bleibt: Sind die Daten in der Cloud gemeint, oder die Funktionen – Software as a Services oder Data as a Services?“ Aufgrund der günstigen Speicherkapazität in der Cloud und der aufwendigen Reorganisation der Hardwarestruktur in den Unternehmen tendiert er dazu, die Cloud zur Datenspeicherung zu nutzen. Es bleibt aber trotzdem eine Einzelfallentscheidung: Daten zum Beispiel für die Echtzeitalarmierung bleiben beim Anwender, unkritische Daten für Langzeitanalysen können in der Cloud abgelegt werden. Die Proxia-MES-Lösung weiß zum Beispiel nicht nur, welche Daten sie erfasst hat, sondern auch den Ort der Speicherung. „Der Bediener kann sich seine Daten jederzeit zurückholen und ihm kann es letztendlich egal sein, ob die Daten lokal oder in der Cloud gespeichert sind“, so M. Niebecker. „Auch ein Mischbetrieb ist möglich.“ Dr. M. Adams bestätigt dies: „Es ist wichtig, das für sich richtige Konzept zu finden. Ein Automobilhersteller wird sicher keine sicherheitsrelevanten Daten in der Cloud ablegen, denn es geht nicht nur um die Sicherheit der Cloud, sondern auch um die Sicherheit der Wege dorthin. Themen wie Big Data, also das reine Sammeln vieler, eher unkritischer Daten, lassen sich aber in der Cloud abbilden.“

Sicherheit an erster Stelle

„Wenn die Produktion meint, dass ihre Daten lokal besonders sicher seien, ist das ein Trugschluss“, warnt M. Weidner. „Denn wenn jemand an sie heran will, wird er einen Weg finden.“ Die Produktion könne von der Business-IT lernen, in der es seit zig Jahren sichere, gehostete Systeme gibt. Mit den in der Cloud für Analysezwecke gespeicherten Daten könne in der Regel auch nur der Daten-Eigentümer etwas anfangen, da nur er ihre Herkunft und ihren geschäftlichen Zusammenhang kennt. „Die Diskussion über Sicherheit ist sicherlich berechtigt, aber sie darf nicht dazu dienen, neue Konzepte pauschal zu verteufeln“, setzt die SAP-Spezialistin fort. „Mit vier oder fünf Datenpunkten kann niemand Rückschlüsse auf einen Prozess oder ein Produkt und das Design führen.“

„Einige Clouds sind sicherer als vorhandene IT-Umgebungen“, bestätigt M. Niebecker. Zur Sicherheit gehört seiner Meinung nach auch, das Unternehmen zu bewerten, welches die Daten hosten soll. „Sicherheit ist nicht nur die Tür, die ich abschließe, und das Fenster, das ich verriegele. Was passiert, wenn mir der Grund, auf dem mein Haus steht, auf einmal nicht mehr gehört?“, beschreibt er den Rahmen. Auch müssen die Nutzungsrechte der Daten geklärt sein. M. Weidner spricht sich ebenfalls dafür aus, dies vernünftig zu hinterfragen und zu regeln: „SAP bietet entsprechende Cloud-Landschaften an, ist aber nur der Treuhänder der Daten, nicht der Eigentümer. Des Weiteren können unsere Kunden mit uns vertraglich vereinbaren, dass ihre Daten nur auf Servern in Deutschland gehalten werden. Es ist nicht so, dass jeder beliebig auf Daten in einer Cloud zugreifen kann.“

„Wir IT-Unternehmen tun unser Bestes – auch im Hinblick auf Sicherheit und Verschlüsselung“, schließt der PSI-Geschäftsführer Dr. M. Adams an. „Man darf aber nicht vergessen: Die Cloud ist ein Konzept, das auf unterschiedliche Orte und Systeme in der Welt zugreift und aufbaut. Jede Verschlüsselungstechnik ist entschlüsselbar. Jedes Unternehmen muss sich überlegen, wie es seine Cloud gestaltet. Das fängt bei der Kommunikation zur Cloud an und hört beim Speicherplatz nicht auf. Die Cloud als solche braucht man nicht in Frage stellen, man muss sich immer überlegen, was man damit macht.“

Industrie-4.0-Beispiele aus der Praxis

„Wir haben mehrere Forschungs- und Kundenprojekte, in denen wir Unternehmen dahin gehend beraten, wie sie ihre Industrie-4.0-Roadmap auf den Weg bringen können“, berichtet Dr. K. Watson. Für ihn sind Smart Factory Web, die Vernetzung von Fabriken zur Realisierung einer flexiblen Fertigung und die Mensch-Maschine-Interaktion spannende Themen, bei denen MES zum Einsatz kommen.

Dr. M. Adams nennt als Projekt die „Einbeziehung der Energie in die Produktionsplanung“, welches PSI zusammen mit Partnern bearbeitet: „Hier geht es zunächst darum, Potenziale zu ermitteln, zum Beispiel welche Industrien infrage kommen. Wir fangen mit energieintensiven Unternehmen aus der Aluminium- und Stahl-Branche oder der Petrochemie an.“ Für diese Unternehmen wird die Frage, wann was bei welchem Energieangebot produziert wird, immer wichtiger.

„Wir haben mit unserem Kunden Festo für die automatisierte Montage ein Konzept aufgesetzt, bei dem im Umfeld hochvarianter Produkte und für eine Auftragslosgröße von 1 unser MES die komplette Orchestrierung nach dem Prinzip „Built-as-Designed“ übernimmt – u. a. die Montagereihenfolge in Abhängigkeit von der Materialverfügbarkeit, die Bereitstellung aus dem MES von variantenabhängigen Parametern für jede einzelne Stations-SPS zum Zeitpunkt der Ausführung, oder die Workflow-Steuerung innerhalb der Montagelinie auf Basis von Qualitätsentscheidungen “, weiß M. Weidner aus ihrer praktischen Erfahrung. In einem vergleichbaren Szenario auf einer Beckhoff-XTS-Linie wurde dabei eine Zykluszeit im Bereich des synchronen Service-Call von unter 40 ms realisiert. Ein gutes Beispiel für den Nutzen von Industrie 4.0, Flexibilisierung und MES.

Die Teilnehmer der Expertenrunde

Dr. Martina Weidner, Senior Solution Advisor Manufacturing im Kompetenzcenter Industrie 4.0 und IoT der Deutschen Landesgesellschaft von SAP, Mitarbeit im VDMA-AK MES.

Dr. Kym Watson vom Fraunhofer-Institut IOSB, Karlsruhe, stellvertretender Leiter der Abteilung Informationsmanagement und Leittechnik, der auch Aktivitäten im Bereich Industrie 4.0 betreut und das Smart Factory Web, ein Testbed des Industrial Internet Consortiums (IIC), leitet.

Dr. Marcus Adams, Geschäftsführer der PSI Mines & Roads GmbH, die sich mit Leitsystemen für die Produktion befasst, und Vorsitzender der Arbeitsgemeinschaft MES im ZVEI sowie Sekretär des CENELEC-Komitees TC65x, das sich mit IT-Standardisierungs-Themen in der Automatisierung beschäftigt.

Marcus Niebecker, Produktmanager bei der Proxia Software AG, Mitglied im MES D.A.CH Verband.

www.mes-dach.de
www.vdi.de
www.vdma.org

www.zvei.org/Verband/Fachverbaende/Automation/Seiten/MES-als-Erfolgsfaktor-der-Produktion.aspx

Quelle: Digital Factory Journal www.digitalfactoryjournal.de