MES auf dem Weg zur Industrie 4.0

Olaf Sauer, Fraunhofer IOSB

Funktionen produktionsnaher IT- oder Manufacturing Execution Systeme sind und bleiben auch in der Industrie 4.0 unverzichtbar. Dieser Beitrag zeigt schlaglichtartig einige Entwicklungsrichtungen auf.

Die IKT-Architektur ändert sich

Es zeichnet sich ab, dass sich die bisherigen Ebenen der bekannten Automatisierungspyramide auflösen [1] und ein neues Informationsmodell für die Industrie 4.0 erforderlich wird. Dafür sind unter anderem folgende Basistechnologien verantwortlich:

  1. Internet der Dinge, Cyber-Physical-Systems und Eingebettete Systeme: Allgemein gesprochen bedeuten diese Technologien die konsequente Durchdringung aller Ebenen der bisherigen Automatisierungspyramide mit Internet-Technologien und zugehörigen Standards. Immer intelligentere Geräte mit eigenen Kapazitäten zur Kommunikation und Datenverarbeitung sorgen dafür, dass einige MES-Funktionen, z.B. die Berechnung von Kennzahlen, auf die Geräteebene verlagert werden können. IP-Fähigkeiten auf Eingebetteten Systemen machen einfache Geräte nun zu Knoten im Internet, die sich selbst vernetzen und mit anderen Teilnehmern kommunizieren und Daten austauschen.
  2. Big Data und Hauptspeicherdatenbanken: auf der bisherigen ERP-Ebene existieren Bestrebungen, direkt auf Online-Daten aus Fertigungsprozessen zuzugreifen, diese zu verarbeiten und daraus geschäftsrelevante Informationen zu generieren. In-Memory-Datenbanken leisten dieser Entwicklung insofern Vorschub, als dass sie die geforderte Geschwindigkeit zur Verarbeitung großer Datenmengen bieten.
  3. IP-basierte Kommunikation: Echtzeit-Ethernet als industrielle Kommunikation ermöglicht die Fortsetzung des in den Bürobereichen ohnehin verwendeten Ethernet bis in die Feldebene und schafft damit erstmals eine durchgängige physikalische Kommunikationsstruktur. Echtzeit-Ethernet ist damit ein Befähiger für flexiblen und durchgängigen Datenaustausch.

Serviceorientierung

Die bisher eher monolithisch anmutenden MES-Systeme wandeln sich hin zu Service-orientierten 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 oder OEE oder Gantt-Chart-APP zur Visualisierung von Auftragsreihenfolgen als Ergebnis einer Fertigungsfeinplanung.
  • MES-Services: Unter einem Service verstehen wir im folgenden eine Einheit mit einer konkreten Funktion und eindeutigen Ein- und Ausgangsparametern [2]. 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 Service-orientierten Architektur und dient als Integrationsebene, um das Zusammenspiel der Services zu realisieren. Auch in den heutigen MES-Systemen existieren diese Komponenten schon, allerdings zugeschnitten auf den jeweiligen Hersteller. Service-Busse, mit denen sich MES-Services unterschiedlicher Softwareanbieter verbinden können, existieren heute noch nicht.
  • Integrationsservices: diese Services werden zwingend benötigt, um die Verbindung zwischen MES-Service und den Maschinen, Anlagen und anderen Einrichtungen der Fabrik zu schaffen. Eine Kommunikation auf Basis von OPC-UA mit semantischem Mapping zur automatischen Anbindung von Maschinensteuerung an MES-Services ist ein Beispiel für einen solchen Integrationsservice [3].

Cloud Computing

Der grundsätzliche Ansatz von Cloud Computing liegt darin, dass Rechenleistung, IKT-Systeme und ihre Funktionalitäten nicht beim Anwender lokal installiert sind, sondern aus einem externen Rechenzentrum nach Bedarf bezogen werden. Kombiniert mit dem oben beschriebenen Trend der Serviceorientierung ergibt sich eine beispielhafte Grobarchitektur, wie sie in Bild 1 dargestellt ist.

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Bild 1: Beispiel für eine zukünftige MES-Architektur

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. Als Voraussetzungen für diese Adaptivität sind unter anderem

  • Standardisierte Kommunikation vom eingebetteten System bis ins MES: Dazu wurde bereits der Nachweis erbracht, dass OPC-UA über eine sehr hohe funktionale Skalierungsfähigkeit verfügt, so dass es mit nur 15 kByte Speicherbedarf auch in kleinste eingebettete Systeme integriert werden kann [4]. OPC-UA ist eine vielversprechende Basis-Technologie für den durchgängigen Informationsaustausch in der wandlungsfähigen Produktion.
  • Standardisierte Selbstbeschreibung der Fähigkeiten der Geräte: Dazu werden Eigenschaften und Fähigkeiten direkt auf den Geräten gespeichert. Parallel zur physischen Integration stehen 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 ausgelesen und korrekt interpretiert werden kann. Eine Möglichkeit solcher einheitlicher Beschreibungen ist AutomationML™. Um die Begriffe der Selbstbeschreibung zu standardisieren, hat der VDI die Richtlinie 5600, Blatt 3, erarbeitet [5]. Dort sind die Inhalte von Datenpunkten beschrieben, die zwischen Steuerung und überlagerten MES-Systemen ausgetauscht werden. Eine Untermenge der Datenpunkte der VDI 5600-3 ist die neue Initiative „Universal Machine Connectivity for MES“ (UMCM) des MES-D.A.CH.-Verbandes.
  • Sicherheit (Security), z.B. im dem Sinne, dass keine unberechtigten Teilnehmer oder Geräte in die Produktionsanlage eingebaut werden. Dabei sind Sicherheitsmechanismen wie Authentifizierung und Autorisierung (Rechteverwaltung) in die Architektur produktionsnaher IKT von vornherein zu integrieren: Über die Werkzeuge und Entwicklungsumgebungen, die beispielsweise AutomationML™-kompatible Objekte erzeugen können, wird sichergestellt, dass sensible Daten im frühestmöglichen Stadium gegen Angriffe durch Abhören und Modifikation geschützt werden können.

Condition Monitoring und MES verschmelzen

Die Produktivität eines Produktionssystems wird maßgeblich durch die produzierte Menge von i.O.-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 des Interesses. Statt einfacher korrektiver Instandhaltung geht der Trend hin zu Systemen, die vorausschauend bereits Wartungs- und weitere Handlungsvorschläge machen (siehe Bild 2).

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Bild 2: Von korrektiver Wartung zu „Prescriptive Maintenance“ [6]

Auf Basis der heute ohnehin vorhandenen Funktion der Maschinendatenerfassung ist davon auszugehen, dass MES-Systeme zukünftig zustandsüberwachende Funktionen, Diagnosefunktionen und entscheidungsunterstützende Funktionen anbieten, so dass Maschinenbediener die Verfügbarkeit von Maschinen und Anlagen schnell und gezielt aufrecht erhalten können.

Software-basierte 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, z.B. Fernwartung, Verfügbarkeitsgarantien, Mobile Clients zum Zugriff auf Maschinendaten, Konnektoren für bestimmte Maschinentypen, etc. Viele MES-Anbieter verfügen über langjährige Erfahrungen, mit denen sie die Ausrüster von Produktionssystemen dabei unterstützen können, solche softwarebasierten Dienstleistungen zu spezifizieren und zu implementieren.

Neue Technologien zur Interaktion von Mensch und Maschine

Statt Bildschirm, Tastatur und Maus werden in Zukunft (auch) Gesteninteraktion, Spracherkennung und weitere neue Technologien in der Fabrik eingesetzt und damit heutige Fixpunkte in der Fertigung aufgelöst, die z.B. durch Terminals zum Rückmelden von Arbeitsgängen, zur Meldung von Qualitätsergebnissen oder zur Anzeige von Maschinenzuständen, gegeben sind. Damit werden natürlichere und intuitivere Mensch-Maschine-Schnittstellen geschaffen, die trotzdem für das raue industrielle Umfeld geeignet sind. Durch den Technology-Push aus der Consumer-Elektronik stehen jetzt günstige Sensoren und Geräte zur Interaktion zur Verfügung, die auch in der Fabrik der Zukunft eingesetzt werden. Jüngstes Beispiel ist die Google-Brille, die es erlaubt, Maschinenzustände, Arbeitsgänge oder Verfahrensanweisungen direkt in die Brille zu projizieren.

Literatur
[1] Vogel-Heuser, B.; Kegel, G.; Bender, K.; Wucherer, K.: Global information architecture for industrial automation. atp 1-2.2009, S. 108-115.
[2] Bauernhansl, Th. (Hrsg.): Virtual Fort Knox. Abschlussbericht, Stuttgart: Juni 2013.
[3] Enste, U.; Mahnke, W.: OPC Unified Architecture – Die nächste Stufe der Interoperabilität. at – Automatisierungstechnik 59 (2011) 7.
[4] Imtiaz, J.; Jasperneite, J.: Scalability of OPC-UA Down to the Chip Level Enables “Internet of Things”, 11th International IEEE Conference on Industrial Informatics, Bochum, Germany, 2013.
[5] VDI 5600, Blatt 3: Fertigungsmanagementsysteme (MES): Logische Schnittstelle zur Maschinen- und Anlagensteuerung. Berlin: Beuth-Verlag, Juli 2013.
[6] Linden, A.: Big Data: Alles Hype! Oder Nicht? Gartner45 Webinar vom 28.11.2013.

Fraunhofer IOSB

Dr.-Ing. Olaf Sauer

Dr.-Ing. Olaf Sauer studierte an der Universität Karlsruhe Wirtschaftsingenieurwesen. Nach zwei Jahren als PPS-Organisator in einem mittelständischen Unternehmen in Karlsruhe wechselte er an das Fraunhofer IPK in Berlin, wo er 1996 bei Professor Spur promovierte. Anschließend war er vier Jahre bei Bombardier Transportation verantwortlich für die Einführung von CATIA sowie für neue Technologien in der Fahrzeugfertigung. Ab dem Jahr 2000 baute er innerhalb der METROPLAN-Gruppe, Hamburg, die Metroplan Produktion GmbH auf, als Beratungs- und Planungsgesellschaft für Produktion, Logistik und Fertigungssteuerung. Von 2004 – 2011 leitete Dr. Sauer den Geschäftsbereich Leitsysteme am Fraunhofer IOSB. Seit 2012 ist er Stellvertreter des Institutsleisters und verantwortlich für das Geschäftsfeld Automatisierung am IOSB. Er ist Lehrbeauftragter am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Vorsitzender des Fachbereichs Informationstechnik des VDI sowie Mitglied des Vorstandes der Wirtschaftsstiftung Südwest.

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