Für eine moderne Fertigung sind eine ordnungsgemäße Planung der Ressourcen, Qualitätsmanagement, ein effektiver Einsatz von Maschinen in der Fertigung, die Verwaltung von Anlagen und Personalplänen sowie schnelle Reaktionen auf Unterbrechungen und ungeplante Ereignisse erforderlich. Enterprise-Resource-Planning-Systeme (ERP) sind speziell für die Verwaltung von unternehmensweiten Ressourcen, Zeitplänen und Lieferkettenanforderungen sowie Unterbrechungen konzipiert. Die meisten fortschrittlichen Produktionsumgebungen setzen ERP-Systeme ein, um die vielen beweglichen Teile in ihrem Betrieb zu koordinieren, damit sie im globalen Wettbewerb bestehen können.

Den ERPs fehlt aber weitgehend die erforderliche Granularität, um in einer dynamischen und komplexen Produktionslinie das richtige Material zur richtigen Zeit vor die richtige Anlage zu stellen. Anders ausgedrückt: ERPs sind im Kontext einer übergeordneten, organisatorischen Rolle in einem Unternehmen effektiv. Es muss aber zusätzliche Ebene in die intelligente Fabrik integriert werden, um das angeforderte Produkt rechtzeitig, gesteuert, sicher und vorhersehbar zu produzieren. Diese Ebene sollte nicht nur für die eigentliche Herstellung des Produktes verantwortlich sein, sondern auch für das Sammeln, Speichern und Bereitstellen von Daten über den tatsächlichen Herstellungsprozess. Gleichsam geht es um die detaillierte Sichtbarkeit der Prozessschritte sowie die konsequente Durchsetzung der gleichen Prozessanforderungen (bis diese absichtlich geändert werden). Diese zusätzliche Ebene wird als Manufacturing Execution System (MES) bezeichnet.

Automation Pyramid MES

Was ist ein MES?

Die Manufacturing Enterprise Solutions Association (MESA, ein US-amerikanischer Industrieverband mit Sitz in Chandler/Arizona) definiert ein MES wie folgt:

„Ein Manufacturing Execution System (MES) ist ein dynamisches Informationssystem, das die effektive Ausführung von Fertigungsprozessen fördert. Auf der Grundlage aktueller und präziser Daten steuert, veranlasst und berichtet das MES über die Aktivitäten der Anlage, sobald Ereignisse eintreten. Die MES-Funktionen steuern die Produktionsabläufe vom Zeitpunkt der Auftragsfreigabe in der Fertigung bis zur Auslieferung der Produkte als fertige Fabrikate. MES liefert geschäftskritische Informationen über Produktionsaktivitäten an andere im Unternehmen und in der Lieferkette über bidirektionale Kommunikation.“ 1

Zugegeben, diese Definition ist ein wenig abstrakt, also sehen wir uns ein konkretes, alltägliches Beispiel an: Um einen Kuchen erfolgreich zu backen, müssen Zutaten beschafft werden, die richtigen Vorräte verfügbar sein, kundenspezifische Anforderungen berücksichtigt werden (die mehr oder andere Vorräte erfordern können) und das „Fälligkeitsdatum“ muss bestimmt werden. Dies sind Beispiele für Erfordernisse, die von der Ressourcenplanung behandelt werden. Wenn diese abgeschlossen ist, liegen auf dem Tisch zwar  zusammenhängende, aber grundsätzlich unverbundene Elemente und es stellt sich die Frage wie alle Rohstoffe zu einem Kuchen zusammenkommen? An dieser Stelle übernimmt das Ausführungssystem (execution system): mit einem Rezept, geordneten Schritten, Kochzeiten und akzeptablen Alternativen, wenn einige Zutaten nicht verfügbar sind oder der Kuchen auf Wunsch des Endverbrauchers optimiert werden muss.

Das MES als Kernstück

Architektonisch steht das MES zwischen den ERP-Systemen des Unternehmens und den Steuerungssystemen auf Maschinenebene in der Fabrik. MES ermöglichen den freien Informationsfluss vom MES zum ERP und vom MES zu den Automatisierungssystemen. Während ein ERP-System global mit anderen Systemen kommuniziert, ist das MES bei der Verwaltung von Prozessen, Auftragsschritten, Prozessabläufen und Anlagen eher auf die Fabrik fokussiert. ERP- und MES-Systeme (und in geringerem Maße auch Anlagenautomatisierungssysteme) müssen reibungslos zusammenarbeiten. Der Output des einen Systems wird zum Input des anderen Systems und gemeinsam wird der Fertigungsprozess skalierbarer, vorhersehbarer, zuverlässiger und sichtbarer.

Manufacturing Execution System Integration

MES-Anwendungen gibt es in vielen Formen und Größen. Einige MES sind selbst entwickelte, individuelle Anwendungen, während andere von der Stange kommen. Einige sind branchenspezifisch, während andere allgemein gehalten sind. Einige sind textbasiert, während andere alle grafischen Vorzüge einer modernen Benutzeroberfläche bieten. Einige erfordern eine lokale Installation, während andere in der Cloud laufen. In manchen Fällen kann es schwierig sein, zwischen den MES- und ERP-Komponenten zu unterscheiden, da diese Bereiche monolithisch und mit einem auf eine Anwendung basierenden Ansatz für die intelligente Fertigung integriert sind. Andere Implementierungen enthalten dagegen drei sehr unterschiedliche und klar definierte Anwendungen in den Bereichen ERP, MES und Automatisierung. Jenseits dieser strukturellen und grafischen Unterschiede liegen die Kernanforderungen und -zwecke eines MES.

Manufacturing Execution System

MES-Kernkomponenten

Das MES kann die folgenden Fragen beantworten:

  • Wie soll produziert werden?
  • Was kann produziert werden?
  • Wann und was soll produziert werden?
  • Wann und was wurde produziert? 2

Um diese Fragen zu beantworten, implementieren und verwalten MES die folgenden Kernkomponenten:

  • Aufgezählte Schritte – ein Schritt ist eine atomare Wertschöpfungsaktivität bei laufender Produktion, die, wenn sie mit anderen atomaren Schritten in Sequenz verbunden wird, ein fertiges, verkaufsfähiges Produkt erzeugt. Diese Schritte werden oft numerisch aufgezählt, obwohl einige MES auch alphanumerische Regeln zulassen.
  • Prozessablaufsteuerung – die oben aufgezählten Schritte werden in eine Reihenfolge gebracht, was zu einem definierten und wiederverwendbaren Prozessablauf führt. MES eignen sich hervorragend für die Steuerung von Prozessabläufen, unabhängig davon, ob es sich nur um einige wenige Schritte oder um mehrere verkettete Prozessabläufe mit Tausenden von Schritten handelt.
  • Produktdefinition – ein Produkt kann durch einen einzelnen Prozessablauf oder eine Reihe von miteinander verketteten Prozessabläufen definiert werden, die zu einem fertigen Produkt führen. Produktdefinitionen können auch Metadaten enthalten, die eine weitere Granularität und Klassifizierung des Produkts ermöglichen. MES helfen bei der Definition von Produkten sowohl in Umgebungen mit hohem als auch mit niedrigem Produktmix. Versionierung und Produktoptionen sind sowohl für den Endkunden als auch für die Mitarbeiter in der Produktion sichtbar, da Prozessänderungen anhand von Metadaten in der Produktdefinition programmatisch „aktiviert“ werden.
  • Anlagenzuordnung – ein Prozessschritt ist oft mit einer Maschine oder einem Maschinentyp verbunden. Daher weiß das MES, wenn das Material einen bestimmten Prozessschritt erreicht, welche Maschine oder Anlage für diesen Prozessschritt erforderlich ist. Einige Anlagen in einer Anlagengruppe sind möglicherweise besser für die Bearbeitung eines bestimmten Produkts geeignet. MES sind auch in der Lage, ein Produkt einer Maschine zuzuordnen, sodass die Anforderungen des Produkts erfüllt oder optimiert werden, wodurch wiederum die Qualität und die Kundenzufriedenheit erhöht werden.
  • Echtzeitkontrolle – manchmal muss der laufende Prozess unterbrochen oder angehalten werden, um weitere Untersuchungen durchzuführen oder Daten zu sammeln. MES ermöglichen diese Unterbrechungen zur Unterstützung von Nebenaktivitäten, einschließlich der Forschung und Entwicklung neuer Produkte sowie der Optimierung bestehender Produkte. Bei diesen Pausen kann es sich um Echtzeitpausen (im aktuellen Schritt) oder um zukünftige Pausen bei kommenden Schritten des Prozessablaufs handeln.
  • Zustandsprotokollierung – ähnlich wie bei der Flusssteuerung für laufende Arbeiten wird bei der Zustandsprotokollierung die Verfügbarkeit von Anlagen zur Verarbeitung von Material, das an der Anlage ankommt, ermittelt.
  • Genealogie – jeder im Prozess abgeschlossene Schritt bildet den nächsten Satz in der Geschichte des verarbeiteten Materials. Selbst nachdem das Material versandt wurde, steht seine Genealogie zur Überprüfung und weiteren Untersuchung zur Verfügung, um Prozessverbesserungen oder andere Verwendungen zu finden.
  • Einhaltung gesetzlicher Vorschriften – die oben genannten Komponenten dienen als Datenpunkte zur Unterstützung der Einhaltung von Vorschriften. Unabhängig davon, ob Sie Geräte, Medikamente, Mikroprozessoren, Fahrzeuge oder Widgets herstellen, gibt es in jeder Branche ein gewisses Maß an Konformität und Zertifizierung, das für die Herstellung von Teilen für diese Branche erforderlich ist. In vielen Fällen trägt die Nachverfolgung auf Komponentenebene zu verbesserten Qualitätssicherungsaussagen und -metriken bei, was ein MES zu einer Notwendigkeit für eine Vielzahl von Fertigungszertifizierungen macht.

Seit mehr als 25 Jahren steht SYSTEMA im Zentrum der intelligenten Fertigung. Unsere Erfahrungen zeigen uns, dass die oben aufgeführten MES-Grenzen und -Fähigkeiten zunehmend verschwimmen. Sowohl MES als auch ERP-Systeme sind in dem Bemühen eine einzige monolithische Anwendung für die intelligente Fertigung zu werden, dem Überfrachten mit neuen Funktionen erlegen. Glücklicherweise hat unsere Erfahrung auch gezeigt, dass sowohl MES- als auch ERP-Anwendungen auf Komponentenebene angepasst werden können, um das Beste aus beiden Welten in einer komplementären, nebeneinander bestehenden, scheinbar nahtlosen Anwendung zu vereinen, die bei der Planung, Verwaltung und Verfolgung von Fertigungsaktivitäten hilft.

Erkenntnisse

Mit dem Einsatz eines MES werden KPIs, Leistungsdaten und eine intelligente Zukunftsplanung verfügbar. Zykluszeit (die Zeit zwischen den Arbeitsschritten), kritisches Verhältnis (die Messung wie weit ein Los dem Zeitplan voraus oder hinterher ist), Ausrüstungsmetriken gemäß SEMI-E10-Standards, OEE und eine Vielzahl anderer Indikatoren können innerhalb des MES verfügbar sein oder zumindest stehen die Daten zur Abfrage und Extraktion in Business Intelligence Software zur Verfügung. Das MES ermöglicht die Erfassung, Kontrolle, Speicherung und Meldung dieser Informationen. Zu diesem Zweck bietet sich das MES am besten als „erster Schritt“ bei der digitalen Transformation einer Fabrik an. Der Umfang und die Komplexität des MES werden mit der Reifung der Systeme und automatisierten Prozesse einer Fabrik zunehmen und als Grundlage für die meisten anderen Schritte auf dem Weg zur digitalen Transformation dienen.

 

1 Was ist MES? A & D Tech Eng. (n.d.). Abgerufen am 2. Dezember 2019, von http://www.techeng.com.au/mes/what-is-mes

2 Siemens. (2008). Manufacturing EnterpriseManufacturing Enterprise.