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Bild: erhui1979, iStock; IITB
Ausblick MES

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Ohne MES keine digitale Revolution

Text: Dr. Olaf Sauer, Frauhofer IOSB
Produktionsnahe Manufacturing Execution Systeme sind und bleiben auch in Industrie 4.0 unverzichtbar. Welche Entwicklungstendenzen gibt es jedoch in diesem Zusammenhang?

Es zeichnet sich ab, dass sich die bisherigen Ebenen der bekannten Automatisierungspyramide auflösen und ein neues Informationsmodell für die Industrie 4.0 erforderlich wird. Zu den verantwortlichen Basistechniken zählen das Internet der Dinge und cyber-physische Systeme: Diese Geräteklassen haben die konsequente Durchdringung aller Ebenen der bisherigen Automatisierungspyramide mit dem Internet und zugehörigen Standards zur Folge. Immer „intelligentere“ Geräte sorgen dafür, dass MES-Funktionen auf die Geräteebene verlagert werden. Big Data und In-Memory-Datenbanken sind ebenfalls eine Grundlage der digitalen Revolution. Auf der bisherigen ERP-Ebene existieren Bestrebungen, direkt auf Online-Daten aus Fertigungsprozessen zuzugreifen, diese zu verarbeiten und daraus geschäftsrelevante Informationen zu generieren. Im Hauptspeicher laufende Datenbanken leisten dieser Entwicklung insofern Vorschub, als dass sie die geforderte Geschwindigkeit zur Verarbeitung großer Datenmengen bieten. Industrie 4.0 setzt primär auf IP-basierte Kommunikation als weitere Basistechnik: Echtzeit-Ethernet ist ein Befähiger für flexiblen und durchgängigen Datenaustausch zwischen den Ebenen.

MES mit Serviceorientierung

Die bisher eher monolithisch anmutenden MES-Systeme wandeln sich hin zu serviceorientierten Architekturen. Neue Anbieter produktionsnaher IT-Systeme am Markt entwickeln ihre Werkzeuge direkt nach dem Paradigma der Serviceorientierung. Dabei lassen sich grob die folgenden Architekturkomponenten unterscheiden:

  • Apps: Applikationen mit eigener Benutzeroberfläche, aber keiner oder nur sehr eingeschränkter eigener Datenhaltung, die auf einem mobilen Endgerät genutzt werden können. Beispiele für produktionsnahe Apps sind KPI-Apps zur Visualisierung von Kennzahlen wie Verfügbarkeit, OEE oder Gantt-Chart-Apps zur Visualisierung von Auftragsreihenfolgen als Ergebnis einer Fertigungsfeinplanung.

  • MES-Services: Als Service versteht man eine Einheit mit konkreter Funktion und eindeutigen Ein- und Ausgangsparametern. Einzelne Funktionen können als Services bereitgestellt werden oder Services fassen mehrere Funktionen zusammen.

  • Manufacturing Service Bus: Über diesen Bus kommunizieren die Services untereinander. Dieser Service Bus ist eine der Kernkomponenten der zukünftigen serviceorientierten Architektur und dient als Integrationsebene, um das Zusammenspiel der Services zu realisieren. Auch in aktuellen MES-Systemen existieren diese Komponenten schon, allerdings zugeschnitten auf den jeweiligen Hersteller.

  • Integrationsservices: Sie schaffen die Verbindung zwischen MES-Services und den Maschinen, Anlagen und anderen Einrichtungen der Fabrik. Eine Kommunikation auf Basis von OPC UA mit semantischem Mapping zur automatischen Anbindung von Maschinensteuerungen an MES-Services ist ein Beispiel für einen solchen Integrationsservice.

Mit dem Trend der Serviceorientierung kommt auch der kombinierte Einsatz von Cloud Computing zum Tragen.

Hier werden Rechenleistung, IKT-Systeme und ihre Funktionalität statt lokal aus einem externen Rechenzentrum je nach Bedarf bezogen. Daraus ergibt sich eine beispielhafte Grobarchitektur künftiger MES (siehe Grafik).

Interoperabilität und Plug-and-Work-Fähigkeit

Industrie 4.0 propagiert die Vision der flexiblen, adaptiven Produktion. Intelligente Komponenten kennen ihre Fähigkeiten und wissen, in welche Anlagen sie eingebaut werden können. Gegebenenfalls ändern sie Konfigurationseinstellungen selbständig, um sich an die Fertigungsaufgabe und auch an die Anlage, in die sie eingebaut werden, anpassen zu können. Eine Voraussetzung für diese Adaptivität ist die standardisierte Kommunikation vom eingebetteten System bis ins MES – OPC UA ist dafür eine vielversprechende Basistechnik. Des weiteren ist eine standardisierte Selbstbeschreibung der Fähigkeiten der Geräte notwendig, die direkt auf den Geräten gespeichert ist. Parallel zur physischen Integration steht sie damit über eine Schnittstelle direkt in der Steuerung zur Verfügung. Die Gerätehersteller ermitteln vorab die hierzu benötigten Informationen und hinterlegen sie auf den Bauteilen, und zwar in einer standardisierten Beschreibung, die von der Maschinensteuerung oder einem überlagerten MES-System verstanden wird. Eine Möglichkeit für einheitliche Beschreibungen ist AutomationML. Deren Kombination mit OPC UA zur Kommunikation der Engineering- und Laufzeitdaten entspricht der Verwaltungsschale einer Industrie-4.0-Komponente, wie die Plattform Industrie 4.0 sie definiert hat. Entscheidend für die erwähnte Adaptivität ist auch das Thema Security – Zugriffe unberechtigter Teilnehmer oder Geräte in die Produktionsanlage müssen unterbunden werden. Dabei sind Sicherheitsmechanismen wie Authentifizierung und Autorisierung in die Architektur produktionsnaher IKT von vornherein zu integrieren. Über die Werkzeuge und Entwicklungsumgebungen wird sichergestellt, dass sensible Daten im frühestmöglichen Stadium gegen Angriffe geschützt werden können.

CM und MES verschmelzen

Die Produktivität eines Produktionssystems wird maßgeblich durch die produzierte Menge von in-Ordnung-Teilen und die Verfügbarkeit von Produktionsanlagen bestimmt. Um die Verfügbarkeit zu verbessern, rücken neue Strategien zur Wartung und Instandhaltung von Anlagen unterstützt durch Condition Monitoring in den Fokus. Der Trend geht hin zu Systemen, die vorausschauend bereits Wartungs- und weitere Handlungsvorschläge machen. Auf Basis der heute vorhandenen Funktion der Maschinendatenerfassung ist davon auszugehen, dass MES-Systeme zukünftig zustandsüberwachende Funktionen, Diagnosefunktionen und entscheidungsunterstützende Funktionen anbieten. Maschinenbediener können damit die Verfügbarkeit von Maschinen und Anlagen schnell und gezielt aufrechterhalten.

Software-Dienstleistungen nehmen zu

MES-Anbietern eröffnen sich mit der durch Industrie 4.0 ausgelösten Entwicklung neue Chancen, ihr Know-how auf andere Anwendungsfelder auszudehnen: Rund um die Produktion und ihre Ausrüster werden datenbasierte Dienstleistungen zunehmen, beispielsweise Fernwartung, Verfügbarkeitsgarantien, Mobile Clients zum Zugriff auf Maschinendaten oder Konnektoren für bestimmte Maschinentypen.

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