Fertigungssteuerung MES 4.0 – der Schlüssel zur Industrie 4.0

Die Industrie 4.0 legt ihren Fokus auf dezentrale Fertigungsprozesse und generiert damit neue Anforderungen an die Fertigungs-IT – insbesondere an Manufacturing-Execution-Systeme (MES). Wie also sieht das ideale MES der Zukunft aus?

»Bei aller Dezentralität hat die Erfahrung gezeigt, dass es einer zentralen Instanz bedarf, um die Daten zentral zu koordinieren und zu synchronisieren«, gibt Prof. Dr.-Ing. Jürgen Kletti, Geschäftsführer der MPDV Mikrolab GmbH, zu bedenken. Durch die ressourcenübergreifende, zentrale Datenhaltung kann ein MES sehr schnell mit den vorhandenen Informationen arbeiten, weil nicht erst mehrere Datenquellen angefragt werden müssen. »Die Koppelung der autonomen Cyber-Physical-Systems an die MES-Datenbank macht deren Kommunikation effizienter – und dadurch auch das Gesamtsystem«, so Kletti.

Damit nun ein MES-System den Anforderungen von Industrie 4.0 gerecht wird, muss es zahlreiche Funktionen und Fähigkeiten mitbringen. Wie so ein MES in Zukunft aussehen könnte, darüber hat sich der MES-Spezialist MPDV Gedanken gemacht und diese Anforderungen unter dem Begriff »MES 4.0« zusammengefasst: Ganz vorne steht dabei die horizontale Integration, d.h. dass alle Daten, die am Fertigungsprozess beteiligt sind, über alle Ressourcen hinweg verknüpft werden.

Die VDI-Richtlinie 5600 spricht dabei von drei großen Bereichen: Fertigung, Qualität und Personal. »Das integrierte MES stellt, anders als Insellösungen, mit seinem übergreifenden Ansatz sicher, dass alle Ressourcen wie Maschinen, Werkzeuge, Personal, NC-Programme oder Einstellparameter, Fertigungshilfsmittel, Prüfpläne und Prüfmittel rechtzeitig verfügbar sind und in Summe optimal ausgelastet werden«, erläutert der Experte.

Und genau das beantwortet die Frage nach dem Sinn der Industrie 4.0 am Produktionsstandort Deutschland: Die autonome Industrie 4.0-Fertigung hat eine hohe Variantenvielfalt und kann durch flexible Lieferfähigkeit punkten – Eigenschaften, die für die Fertigung in Hochlohnregionen obligatorisch sind.

Online-Fähigkeit wird zum »Muss«

Die Online-Fähigkeit eines MES-Systems wird zum absoluten Muss, damit erfasste Daten als Basis für zeitkritische Entscheidungen zur Verfügung stehen. Im Zuge der Dezentralisierung von Fertigungssystemen wird neben der Erfassung und Verarbeitung in Echtzeit aber auch die Offline-Fähigkeit der MES-Bestandteile immer wichtiger. »Sollte die Verbindung einer Maschine oder eines Sensors zur zentralen Datenbank einmal gestört sein, müssen intelligente Komponenten diese Zeit überbrücken können.

Das ist im Hinblick auf lückenlose Dokumentation und optimalen Fertigungsdurchlauf von großer Bedeutung – insbesondere in einer autonomen Industrie-4.0-Umgebung«, erklärt Kletti.

Eine Maschine bzw. ein BDE-Terminal muss über einen Datenpuffer verfügen, um auch ohne Kontakt zum MES weiter produzieren zu können. Fehlt die Offlinefähigkeit, 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 durchgängige Rückverfolgbarkeit bzw. optimale Produktivität nicht akzeptabel – insbesondere in einer autonomen Fertigung nach Industrie 4.0«, betont Kletti.

Wie kommunizieren nun die Maschinen in der 4.0-Fertigung miteinander? In einer modernen Industrie-4.0 Fertigung geht man davon aus, dass der Maschinenpark eine Vielzahl unterschiedlicher Anlagen umfasst. Umso wichtiger ist hier der Einsatz einer standardisierten Kommunikation wie UMCM (Universal Machine Connectivity for MES) zwischen den Maschinen und dem MES-System.

»Mit UMCM können die Maschinen auf einfache Art und Weise angebunden und notwendige Daten wie Zeitstempel, Zählerstände, der Maschinenstatus, Mengen und Prozesswerte übernommen werden«, so der Experte. Als Transportschicht dienen bewährte Standards wie XML oder OPC bzw. OPC-UA, über die sich auch Daten wie Einstellparameter oder NC-Programme in die Maschinensteuerungen übertragen lassen.

Konfigurieren statt Programmieren

»Gerade in flexiblen Fertigungsumgebungen stoßen Standardanwendungen sehr schnell an ihre Grenzen. Dann wird oftmals eine aufwendige und kostenintensive Softwareanpassung in Auftrag gegeben, was bedeutet, dass der Anbieter programmieren muss«, schildert Rainer Deisenroth, Mitglied der Geschäftsführung von MPDV. Moderne Software-Konzepte, die eine flexible Fertigung nach Industrie 4.0 unterstützen sollen, sehen vor, dass sich die meisten Anwendungsfälle genauso flexibel – also durch Konfiguration – im MES abbilden lassen. »Das kann erstens zeitnah und zweitens kostengünstiger erfolgen. Zusätzliche Vorteile entstehen, wenn auch individuelle Services bzw. Anwendungen auf Basis einer serviceorientierten Architektur (SOA) ohne großen Aufwand hinzugenommen oder bestehende Dienste entfernt bzw. ausgetauscht werden können«, erklärt Deisenroth weiter.  

Weil die Prozesse in der Fertigung dezentral sind, müssen auch die Mitarbeiter flexibler agieren können. Im Idealfall stellen mobile Endgeräte und die dazu passenden MES-Anwendungen, also alle Daten, genau dort zur Verfügung, wo sie benötigt werden. Denkbar ist zum Beispiel, dass der zuständige Mitarbeiter über eine Meldung auf dem SmartPhone von einer Maschinenstörung erfährt. Mit dem gleichen Gerät kann sich der Mitarbeiter sofort die notwendigen Informationen zur betroffenen Maschine anzeigen lassen.

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 eingebauten Kamera seines Mobiltelefons. Die Bilder werden automatisch dem Instandhaltungsauftrag und der Maschinenhistorie zugeordnet. Genauso kann sich der Bediener  gespeicherte Informationen zu früheren Ausfällen ansehen. Basierend auf den historischen Daten und dem aktuellem Zustand, kann er dann entscheiden, welche Maßnahmen erforderlich sind, und und sie sofort in die Wege leiten. Nach getaner Arbeit meldet er den Instandhaltungsauftrag wieder ab, speichert damit automatisch die erfassten Daten – und das alles ohne Wegezeiten und Handaufschreibungen direkt an der Maschine.

So ein Szenario ist natürlich nicht nur bei einer Maschinenstörung möglich, auch Kennzahlen und die Qualität der Produkte lassen sich auf diese Weise in Echtzeit überprüfen, wie Deisenroth an einem Beispiel erläutert: »Der Fertigungsleiter bekommt bei seinem Rundgang durch die Produktion eine Nachricht, dass die Ausschussquote signifikant angestiegen ist. Mit seinem Tablet PC kann er mit wenigen Klicks feststellen, wo genau der Grund für die Verschlechterung zu suchen ist und sofort Kontakt mit den Verantwortlichen aufnehmen.«

Die klären mit den Mitarbeitern vor Ort, worauf die hohen Ausschusszahlen zurückzuführen sind. Weil 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 und gemeinsam mit dem Fertigungsleiter das Problem lösen, direkt in der Fertigung und ohne zeitraubende Meetings im großen Kreis.«