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Big Data im Visier

Trendinterview: Welche Rolle spielen MES in der Industrie 4.0?
Big Data im Visier

Sinngemäß als ‚Steuerpult‘ verbinden Manufacturing Execution Systems (MES) Fertigungsanlagen mit der darüber liegenden Planungsschicht in den ERP-Lösungen. Sie erlauben zentral den Zugriff auf Maschinen und Anlagen in Echtzeit – und eignen sich damit insbesondere dazu, in Industrie-4.0-Szenarien den Zustand der Fertigung transparent und beeinflussbar zu machen. Ob sie diese Rolle wirklich spielen oder im Zuge der Verlagerung von Informationen in das Internet der Dinge nicht eher überflüssig werden, wollten wir von einigen Anbietern von MES-Lösungen wissen. Vorweg so viel: MES werden nicht überflüssig.

Fragen: Michael Corban, Chefredakteur elektro AUTOMATION

elektro AUTOMATION: Brauchen wir in einer Industrie 4.0 überhaupt noch MES, wenn die Produkte sich selbst mit Hilfe des Internets der Dinge und der Dienste ihren Weg durch die Fertigung suchen können?
Kirsch (Guardus Solutions): Eine zentrale Aufgabe von MES ist es, die anfallenden Shopfloor-Daten auf einer integrierten Datenbasis zu sammeln und zu managen – entsprechend IEC 62264 beziehungsweise VDMA-Einheitsblatt 66412. Hierbei werden die Produkte unter anderem über die korrespondierende Produkt-ID – Seriennummer oder RFID-Kennung – identifiziert, die zugehörigen Daten erfasst und der weitere Produktionsverlauf gesteuert. Die so gesammelten Informationen stehen auch in Zukunft zentral in einem MES zur Verfügung – unabhängig davon, ob gewisse Produktionsabläufe in Form von verketteten, automatisierten Anlagen autonom durchgeführt werden können. Insofern werden sich diese beiden Sichtweisen auf das Produkt eher ergänzen anstatt ablösen. Selbstverständlich werden im Zuge von Industrie 4.0 deutlich mehr Informationen als bislang auf dem Produkt direkt gespeichert. Doch der Zusammenhang von zugekauften Einsatzmaterialien und Rohstoffen bis hin zum Fertigprodukt wird weiterhin in einer zentralen MES-Datenbasis über Jahrzehnte hinweg vorgehalten werden, schon allein wegen der vielerorts notwendigen Rückverfolgbarkeit (Traceability).
Kletti (MPDV): Auch in einem Industrie-4.0-Szenario werden MES gebraucht, und zwar sowohl in der bekannten Funktion als auch darüber hinaus als zentrale Informations- und Datendrehscheibe. Eine komplett dezentrale Kommunikation ohne zentrale Synchronisation wird es in absehbarer Zukunft nicht geben. Auch den Traum vom ‚Smart Product‘, dass sich selbst den Weg durch die Fertigung sucht, halte ich für unrealistisch. Ich denke vielmehr, dass MES viele dezentrale Prozesse und Systeme miteinander vernetzen und so ein flexibles Gesamtgebilde unterstützen wird. Eine Zusammenfassung der neuen Herausforderungen und praxisnahe Lösungsansätze finden sich in unserem Zukunftskonzept MES 4.0 wieder (Bem. der Red.: siehe elektro AUTOMATION 9/2013, S. 29).
Lantermann (Mitsubishi Electric): Durch die Industrie 4.0 werden die Grenzen in der Kommunikationspyramide immer weiter aufgeweicht und verschwinden. Jeder wird mit jedem über die Cloud kommunizieren. Um jedoch die Industrie 4.0 zum Erfolg zu bringen, ist es notwendig, eine gut funktionierende ERP/MES/IT-Infrastruktur zu besitzen, um die nötigen Industrie-4.0-Prozesse aufsetzen zu können. Der Erfolg der selbstorganisierenden Produktion hängt von gut organisierten, reproduzierbaren Prozessen ab – eine Industrie-4.0-Landschaft lässt sich schließlich nicht aus dem Nichts aufbauen. Die Aufgaben der MES-Welt werden sich Schritt für Schritt zum MES Industrie 4.0 wandeln. Will heißen: Die ERP/MES-Funktionalitäten, die nach wie vor gebraucht werden, werden sich immer weiter aneinander annähern und zahlreiche offene Schnittstellen anbieten, um ‚Big Data‘ verarbeiten zu können.
Sauer (nuveon): MES werden integraler Bestandteil der Fabrik 4.0 und damit noch wichtiger und von zentraler Bedeutung für die weitere Entwicklung auf Fertigungsebene sein. Allerdings wird sich hier der Markt sehr bald auftrennen. Auf der einen Seite in Systeme, die auf konventioneller Basis, meist Windows-basiert Daten sammeln und mehr oder weniger intelligent in Richtung ERP-Systeme weiterreichen. Deren Markt wird mehr und mehr schrumpfen, da sie nicht mit voller Leistungsfähigkeit Komponenten aller Stufen zufriedenstellend integrieren können. Auf der anderen Seite werden Systeme wie unser mHub den Markt erobern, die originär webbasiert sind und sich, vergleichbar einem Betriebssystem im PC, als Integrationsplattform über die gesamte Fertigung legen und Informationen sowohl zwischen Komponenten weitergeben, diese aber auch direkt auswerten beziehungsweise Ergebnisse quasi in Echtzeit an übergeordnete Systeme weitergeben.
Schürch (CSM Systems): MES ist und bleibt Bindeglied zwischen ERP und den einzelnen Industrie-4.0-tauglichen Maschinen und Anlagen, weil neben den Produkten auch die Maschinen selbst – sinnvollerweise über das Internet – mit dem ERP kommunizieren müssen. Die ERP-Umgebung weiß, was Maschinen mit den passierenden Produkten machen müssen – entweder weil das Produkt selbst über die Information verfügt oder die Information auf Grund der ID des Produktes abgefragt werden kann. Insbesondere dann, wenn – wie etwa bei SAP und Microsoft – die ERP-Umgebung in der Cloud als Service angeboten wird, sollte auch MES als Cloud-Service verfügbar sein. Erste MES als Cloud-Services sind auf dem Markt verfügbar, wie etwa unsere Amiego-Plattform.
elektro AUTOMATION: Könnte man MES im Sinne einer Mensch-Anlage-Schnittstelle einsetzen, um beispielsweise abhängig vom Auftragseingang entweder die Fertigungskapazitäten voll auszulasten oder den Energieverbrauch zu minimieren? Inwieweit lassen sich MES dazu in digitale Modelle zu Simulationszwecken einbinden, um entsprechende Szenarien vorab zu testen?
Kirsch (Guardus Solutions): MES dienen dazu, die Shopfloor-Daten ganzheitlich zu erfassen und zu speichern. Dabei fließen die produktions- und qualitätsrelevanten Informationen nicht nur von den angebundenen Fertigungsanlagen ins MES, sondern sie werden auch nach wie vor über MES-Terminals manuell erfasst. Allein die Herausforderung, alle Informationen nicht länger auf Papier, sondern in digitaler Form vorzuhalten, haben viele Produktionsbetriebe noch nicht umfassend gemeistert. Hinsichtlich der Simulationsmöglichkeiten können MES wichtige Ist-Daten und Kennzahlen liefern. Sie sind damit ein entscheidender Datenlieferant, um Planparameter für realistische Abläufe zu erhalten.
Kletti (MPDV): Auch heute schon bildet das MES eine Art Mensch-Technik-Schnittstelle – es kann aber deutlich mehr als das. Das automatische Erfassen von Daten aus der Fertigung kombiniert mit der manuellen Dateneingabe – beispielsweise ‚Auftrag anmelden‘ – liefert die Grundlage für umfassende und übergreifende Auswertungen. Damit lassen sich unterschiedliche Ziele verfolgen, wie etwa Kapazitäten auslasten, Energieverbrauch senken, Qualität steigern, Personaleinsatz optimieren und vieles andere mehr. Da MES eigene Tools zur Simulation verschiedener Auslastungsszenarien bieten, sollten zu Simulationszwecken die Daten aus dem MES mit denen aus anderen Systemen kombiniert werden.
Lantermann (Mitsubishi Electric): Die Anlagenbetreiber müssen zwischen den Zielsetzungen Kapazität, Energieeffizienz, Flexibilität und Qualität abwägen. Virtuelle Referenzmodelle – CPS – ermöglichen es schon heute, die Auswirkungen von Entscheidungen in Bezug auf die Zielsetzungen zu analysieren und zu simulieren. Durch die Industrie 4.0 werden die Informationsquellen für diese Entscheidungen, sprich die Datentransparenz und Datenqualität, deutlich verbessert. Analysen und Vorhersagen lassen sich auf diese Weise deutlich sicherer treffen. Die MES werden hier zu Assistenz-Systemen für den Menschen, um die Entscheidungen schneller und zuverlässiger treffen zu können. Komplexe Auswirkungen auf die Produktion lassen sich durch deutlich verbesserte Referenzmodelle, zusätzliche Daten und anderes optimieren.
Sauer (nuveon): Je intelligenter die Maschinen und Komponenten werden, um so mehr wird von MES gefordert werden, als einheitliche Mensch-Maschine-Schnittstelle zu fungieren. Der Nutzer darf ab einer gewissen Entwicklungsstufe nicht mehr merken, ob er sich auf einer Maschinen-Bedien-Ebene befindet oder der eigentlichen MES-Ebene. Das heißt der Abruf von Produktionsaufträgen, deren Start auf Fertigungsanlagen, die Rückmeldung – alles wird mit der gleichen Bedienoberfläche erledigt. Diese muss ähnlich intuitiv wie die Bedienung von Smartphones oder Tablets werden. Da moderne MES beziehungsweise ‚Produktions-Betriebssysteme‘ wie unser inFuse die Schnittstellen zu allen Komponenten in der Fertigung unabhängig von der physischen Realisierung auf eine neutrale Ebene abstrahieren können, kann das Verhalten der Komponenten simuliert werden – und auf diese Weise auch das gesamte Zusammenspiel in der Produktion in unterschiedlichen Szenarien.
Schürch (CSM Systems): MES kennen Maschinenzustand, Produktionsbereitschaft und Fertigungskapazität der einzelnen Produktionsmaschinen. Mit Hilfe entsprechender Sensorik und Maschinenintelligenz kann deshalb dem ERP die verfügbare Produktionskapazität, der Arbeitsfortschritt und zugleich während der Produktion der Energieverbrauch gemeldet werden. Damit kann das ERP-System dann neben dem eigentlichen Materialfluss auch zusätzlich den Spitzenenergieverbrauch durch dynamische Auslastung der Fertigungskapazitäten intelligent steuern.
elektro AUTOMATION: In der Industrie 4.0 sollen mehr Daten zu mehr Transparenz und damit besserer Information über den Zustand der Fertigung führen, letztlich so Effizienzpotenziale erschlossen werden. Eine Grundvoraussetzung dürfte sein, dass ‚intelligente‘ Sensorik bereits aus den erfassten Daten die relevanten Informationen ermittelt und an die MES weiterleitet. Stoßen dennoch MES an Kapazitäts- und oder Leistungsgrenzen, wenn immer mehr Informationen in ihnen zusammenlaufen?
Kirsch (Guardus Solutions): Durch die enormen Entwicklungsschübe in punkto Hardware-Leistung – Stichwort Big-Data-Analysen oder Cloud-Architekturen – sowie durch Datenbanken mit In-Memory-Funktionalitäten, werden steigende Datenmengen und Performance-Anforderungen kein Problem für eine integrierte MES-Datenbasis darstellen. Auch die Beschaffung der leistungsfähigen Hardware-Komponenten fällt den MES-betreuenden IT-Abteilungen immer leichter, da die Hardware-Preise bezogen auf Rechnerleistung und -kapazität dramatisch sinken.
Kletti (MPDV): MES werden in Zukunft mit den größeren Datenmengen umgehen können müssen. Die IT bietet dafür bereits passende Technologien an wie beispielsweise In-Memory-Computing. Ich denke, an der Rechenkapazität wird es in Zukunft nicht scheitern – vorausgesetzt, das MES besitzt eine moderne und flexible Architektur wie beispielsweise unser Hydra. Ein weiterer Ansatz, mit der Datenflut umzugehen, wäre, wie beschrieben bereits bei der Erfassung die Daten zu verdichten und so aus ‚Big Data‘ aussagekräftige Informationen – ‚Smart Data‘ – zu machen.
Lantermann (Mitsubishi Electric): Die smarte Sensorik stellt Augen und andere Sinne der Produktion. Die intelligenten Sensoren werden die komplexen Daten, die sie aufnehmen, schon vorab analysieren und konzentrieren, um die MES nicht mit einer Datenflut zu überschwemmen. Schon heute gibt es beispielsweise intelligente Condition-Monitoring-Sensoren, die aus ihrer Umgebung – aus der Cloud – Informationen über Temperatur, Drehzahl und anderes aufnehmen, und nur falls erforderlich Daten an die entsprechenden HMIs oder MES weiterleiten. In diesem Umfeld wird die eventgesteuerte dezentrale Intelligenz – entsprechend IEC 61499 – der Steuerungen und Sensoren deutlich an Bedeutung zunehmen und das Problem der Datenflut beherrschbar machen.
Sauer (nuveon): MES konventioneller Architektur werden hier sehr schnell an ihre Grenzen kommen. In Zukunft werden Systemarchitekturen benötigt, die die Struktur der Fertigung in integrativen Modulen abbilden, sozusagen Mini-MES, und so Daten bereits innerhalb der Module auswerten und verdichten, um nur die Informationen an nachgelagerte oder übergeordnete Module weiterzugeben, die dort benötigt werden. Durch den modularen, webbasierten Aufbau der Systeme und die Reduktion der transportierten Daten auf relevante Informationen sind Systeme wie mHub bereits heute für diese Anforderungen gerüstet.
Schürch (CSM Systems): MES müssen im Sinne einer proaktiven Produktionsführung nicht einfach nur Produktionsdatenlieferant sein, sondern aus dem permanenten Vergleich zwischen Produktionsplanung und -ausführung geschäftskritische Abweichungen erkennen und diese Informationen zur unmittelbaren Alarmierung der verantwortlichen Personen umsetzen – mit Eskalation an weitere Personen, falls die Abweichung nicht zeit- und problemgerecht verschwindet. Mit dem Industrie-4.0-Ansatz verschärft sich diese Anforderung bei zunehmender Komplexität.
elektro AUTOMATION: Im Rahmen der vertikalen Kommunikation zwischen Fertigungsebene und MES wird sicherlich OPC UA als (Transport-)Protokoll eine wichtige Rolle spielen. Stimmen Sie dem zu oder sehen Sie Alternativen? Unterstützen Sie darauf aufsetzend die vom MES D.A.CH Verband propagierte Standard-Schnittstelle UMCM und wie reagieren darauf die Maschinen- und Anlagenbauer?
Kirsch (Guardus Solutions): OPC UA, aber auch Protokolle wie MTConnect aus den USA, setzen durchaus neue beziehungsweise verbesserte Standards. Es werden sich jedoch nur solche Standards etablieren, die auch internationale Anerkennung und Akzeptanz finden und von den Maschinenbauern integriert werden. Dabei ist nicht zu vergessen, dass Anlagen eine sehr lange Laufzeit haben und damit immer eine heterogene Systemlandschaft auf der Automatisierungsebene vorherrschen wird. Die Schnittstelle UMCM ist eine nationale MES-Initiative und vor dem genannten Hintergrund ist es die Regel, dass sich internationale Standards langfristig nachhaltiger durchsetzen werden als nationale Alleingänge. Insofern dürfte es absehbar sein, dass sich Maschinen- und Anlagenbauer im Sinne des Investitionsschutzes und der weltweiten Kundenakzeptanz stärker auf internationale Standards wie ISO, IEC oder ISA konzentrieren werden.
Kletti (MPDV): Auch in Zukunft wird es in der Fertigungsindustrie einen wahren Zoo an Schnittstellen und Protokollen geben. Selbst mit Standardisierungsbewegungen wie OPC UA oder UMCM wird sich daran so schnell nichts ändern. Schließlich werden Unternehmen nicht von heute auf morgen ihre Maschinen beziehungsweise Steuerungen austauschen – nur um Standard-konform zu sein. Damit werden MES auch in Zukunft zurechtkommen müssen. Selbstverständlich unterstützen wir den MES D.A.CH Verband bei seinen Aktivitäten rund um UMCM – schließlich hat MPDV diese universell einsetzbare Maschinenschnittstelle konzipiert. Ohne die Abstimmung mit anderen MES-Anbietern würde eine solche Standardisierungsbewegung auch gar nichts bringen. Aktuell reagieren die meisten Maschinen- und Anlagenbauer noch relativ verhalten auf UMCM. Allerdings bekommen wir immer mehr Anfragen nach der Spezifikation – sowohl von MES-Anwendern als auch von Maschinenherstellern.
Lantermann (Mitsubishi Electric): Mit OPC DA gibt es schon heute einen Quasi-Standard in der Industrie. Der nochmals verbesserte OPC-UA-Standard wird der Industrie 4.0 nochmals einen Schub geben, um den Anforderungen der modernen Produktion gewachsen zu sein. Das permanente Zustands-Monitoring der Anlagen, insbesondere für die vorbeugende Wartung, ist für die Anforderungen der Industrie-4.0-Komponente ein absolutes Muss. Der UMCM-Standard stellt diese Informationen auch bereit, so dass auch er eingesetzt werden kann. Industrie 4.0 basiert aber nicht darauf, das Rad neu zu erfinden, sondern es geht darum, die bestehenden Standard-Schnittstellen zu nutzen und optimal für in der Produktion einzusetzen. Für die deutsche Industrie ist es zudem wichtig, die Produktion den globalen Anforderungen anzupassen. Insbesondere die Amerikaner sind da wesentlich flexibler. Dort wartet man nicht auf eine DIN-Norm, dort generiert man Umsatz.
Sauer (nuveon): OPC UA ist derzeit der vielversprechendste Kommunikationsstandard zwischen SPS und Webservern und UMCM ein Beispiel für ein einfaches Datenformat, das über dieses Protokoll ausgetauscht werden kann. Wir werden daher natürlich beide Standards in unseren Produkten unterstützen, anstatt eigene Formate und Kommunikationswege zu erfinden. Allerdings ist die Resonanz beziehungsweise Implementierungsbereitschaft der Maschinen- und Anlagenbauer bislang relativ gering. Vielleicht liegt es auch an der schwierigen Zugänglichkeit der Standard-Definitionen. Neue Lösungen werden nicht von Managern gemacht, sondern oft von jungen Ingenieuren und Entwicklern, die darauf angewiesen sind, freien Zugang zu Standards zu haben. Hier sollte über eine Open-Source-Stellung dieser und anderer Standards nachgedacht werden, die die Weiterentwicklung der Standards auf eine breitere Basis stellt und so für eine höhere Akzeptanz sorgt.
Schürch (CSM Systems): OPC UA ist ein absolutes technisches Muss bei der ökonomischen und sicheren Datenerfassung an intelligenten Produktionsmitteln. Auch nicht-intelligente Produktionsmittel und Handarbeitsplätze, die weiter existieren werden, müssen mit entsprechend angebrachten Sensoren und IT-Mitteln ihre relevanten Produktionsdaten möglichst automatisch liefern können. Nur eine vollständig flächendeckende und umfassend automatisierte Produktionsdatenerfassung schafft die notwendige Voraussetzung für den potenziellen Erfolg von Industrie 4.0.
de3a.mitsubishielectric.com

DIE TEILNEHMER
  • Andreas Kirsch, Vorstand, Guardus Solutions AG, Ulm
  • Prof. Jürgen Kletti, Geschäftsführer, MPDV Mikrolab GmbH, Mosbach
  • Thomas Lantermann, Senior Business Development Manager, FA – European Development Center, Mitsubishi Electric Europe B.V., Ratingen
  • Christoph Sauer, Geschäftsführer und Leiter der Entwicklung, nuveon GmbH, Markt Berolzheim
  • Robert Schürch, CEO, CSM Systems AG, Uster/Schweiz
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