Industrie 4.0 beschreibt, wie intelligente Werkstücke mit Maschinen kommunizieren, selbstständig den optimalen Weg durch die Fertigung finden und damit ohne eine zentrale Steuerung zum fertigen Endprodukt werden. Man spricht hier von Cyber Physical Systems (CPS). Der Mensch unterstützt und greift nur bei Bedarf regulierend in das System ein. Dabei entstehen unweigerlich große Datenmengen, die Auskunft über den aktuellen Zustand des Gesamtsystems und der einzelnen Werkstücke geben. Zur Verarbeitung dieser Daten sieht Industrie 4.0 dezentrale IT-Lösungen aus der Cloud vor. Unter anderem aufgrund wachsender Anforderungen bezüglich Rückverfolgung an Produkte der Kunststoffindustrie beschäftigen sich viele Fertigungsunternehmen aber auch Forschungseinrichtungen mit Industrie 4.0 und erproben unterschiedliche Ansätze zur Verwirklichung der visionären Ideen.

Bei aller Dezentralität hat die Erfahrung gezeigt, dass eine zentrale Instanz zur Koordinierung und Synchronisation förderlich ist. Schon heute profitieren Manufacturing Execution Systeme (MES) von einer hohen Erfassungsdichte und einer Vielzahl von Sensoren in der Fertigung. Diese Daten werden in einer zentralen Produktionsdatenbank zusammengeführt und ergeben ein Gesamtbild der Fertigung, das die Grundlage für gesicherte Entscheidungen und die Optimierung der Fertigungsprozesse bietet.

Neue Funktionen und Fähigkeiten

Auch Industrie 4.0 braucht Transparenz auf der Basis von Echtzeitdaten und kann dabei durch die Fähigkeiten eines MES wirkungsvoll unterstützt werden. Durch das zentrale integrative Datenmanagement kann ein MES sehr schnell mit den vorhandenen Informationen arbeiten, da nicht erst mehrere Datenquellen angefragt werden müssen. Die Koppelung der autonomen CPS an die MES-Datenbank macht deren Kommunikation effizienter – und dadurch auch das Gesamtsystem.

Damit ein MES-System den Anforderungen gerecht wird, muss es eine Vielzahl an neuen Funktionen und Fähigkeiten mitbringen. MES 4.0 fasst diese Bedarfe zu einem schlüssigen Konzept zusammen. Vornan steht die horizontale Integration, das heißt, die Verknüpfung der Daten über alle am Fertigungsprozess beteiligte Ressourcen hinweg mit dem Ziel, autonome Insellösungen und zusätzliche Schnittstellen zu vermeiden. Die VDI Richtlinie 5600 spricht hier von drei großen, Bereichen: Fertigung, Qualität und Personal, die jedoch ganzheitlich zu betrachten sind.

Das integrative Datenmanagement des MES stellt anders als Insellösungen mit seinem übergreifenden Ansatz sicher, dass alle Ressourcen wie Maschinen, Werkzeuge, Personal, NC-Programme oder Einstellparameter, Fertigungshilfsmittel, Prüfpläne sowie Prüfmittel rechtzeitig verfügbar sind und in Summe optimal ausgelastet werden. Außerdem wird durch die zentrale Datenhaltung die Rückverfolgbarkeit (Traceability) vom Rohstoff bis zum Endprodukt sichergestellt, was wiederum eine Erfüllung gängiger Normen wie FDA oder GMP erleichtert.

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 ist neben der Erfassung und Verarbeitung in Echtzeit aber auch die Offline-Fähigkeit der MES-Komponenten wichtig. Dies ist im Hinblick auf lückenlose Dokumentation und optimalen Fertigungsdurchlauf von Bedeutung – insbesondere in einer autonomen Industrie 4.0-Umgebung und auch in der Kunststoffindustrie.

Industrie 4.0 fordert aufgrund der Vielzahl unterschiedlicher Systeme den Einsatz einer standardisierten Kommunikation wie Universal Machine Connectivity for MES (UMCM) zwischen den Maschinen und dem MES-System. Mit UMCM können die Maschinen auf einfache Art und Weise angebunden und notwendige Daten wie der Maschinenstatus, Mengen und Prozesswerte übernommen werden.

Produktionsrelevante Entscheidungsprozesse

Das Management kunststoffverarbeitender Unternehmen wird immer intensiver in die produktionsrelevanten Entscheidungsprozesse einbezogen. Gesicherte Entscheidungen lassen sich jedoch nur treffen, wenn den Verantwortlichen die dazu erforderlichen Informationen in geeigneter Form vorliegen. Ein MES stellt Kennzahlen oder andere Auswertungen zu wichtigen Produktionsparametern zeitnah und managementtauglich zur Verfügung.

Ein Automobilhersteller möchte bei einem Zulieferer von Kunststoffteilen die Serienaufträge, die damit belegten Maschinen und die verwendeten Spritzguss-Werkzeuge überwachen. Der hierfür notwendige unternehmensübergreifende Zugriff auf fertigungsrelevante Informationen beim Zulieferer kann entweder über einen Client beim Kunden, der direkten Zugriff auf das MES des Lieferanten hat oder über ein gesichertes Kundenportal im Internet realisiert werden. Auch die Koppelung verschiedener MES-Instanzen zum Zweck der lückenlosen Produktdokumentation ist denkbar.

Durch die Dezentralisierung von Prozessen in der Fertigung müssen auch die Mitarbeiter flexibler agieren können. Mobile Endgeräte stellen alle Daten genau dort zur Verfügung, wo sie benötigt werden. Über sein Smartphone wird ein Instandhalter über eine Maschinenstörung informiert. Mit dem gleichen Gerät kann sich der Mitarbeiter sofort die notwendigen Informationen zur betroffenen Maschine anzeigen lassen, online einen Instandhaltungsauftrag generieren und die Problempunkte vor Ort mit der eingebauten Kamera dokumentieren. Die Bilder werden automatisch dem Instandhaltungsauftrag und der Maschinenhistorie zugeordnet. Genauso kann sich der Instandhalter gespeicherte Informationen zu früheren Ausfällen ansehen. Basierend auf den historischen Daten und dem aktuellem Zustand kann er entscheiden, welche Maßnahmen ergriffen werden müssen und diese in die Wege leiten und das alles ohne Wegezeiten und Handaufschreibungen direkt an der Maschine.

Dank der im Smartphone eingebauten Kamera können Halb- oder Fertigprodukte in WIP-Beständen über Identträger auf einfache Art und Weise gescannt werden. Mit einer mobilen MES-Lösung kann man somit Material identifizieren sowie weitere Informationen dazu abrufen. Die Verbindung der realen Welt mit dem virtuellen Abbild im MES wird durch solche Funktionen auf eine nahezu triviale Weise hergestellt. So kann sich beispielsweise ein Schichtführer über den Status der Aufträge in seinem Verantwortungsbereich informieren, auch wenn er gerade in der Produktionsbesprechung oder bei seinem Vorgesetzten im Büro ist. Dies vermeidet unnötige Anrufe und reduziert Wartezeiten.

Einige der Themen sind bereits in MES-Systemen umsetzbar. Allerdings ist der Aufwand, um den geschilderten ganzheitlichen Anspruch zu erfüllen, bei vielen MES-Lieferanten noch hoch. Industrie 4.0 ist für die Kunststoffindustrie ein zukunftsweisendes Thema, wird aber nicht ohne MES-Systeme auskommen.

 

Fachgespräch

In einem Fachgespräch erörterten Dr.-Ing. Olaf Sauer, Stellvertreter des Institutsleiters am Fraunhofer IOSB, und Prof. Dr.-Ing. Jürgen Kletti,
Geschäftsführer der MPDV Mikrolab, die Relevanz von Industrie 4.0 für den MES-Markt.

Kletti: Das Thema Industrie 4.0 ist mittlerweile so groß geworden, dass nicht mehr nur die fertigungsnahen Fachmedien darüber berichten. In wieweit betrifft dieses Thema den MES-Markt?

Sauer: MES-Systeme werden eine zentrale Rolle bei Industrie 4.0 spielen. An sich sind ja schon viele Ansätze für Industrie 4.0 vorhanden und nun müssen wir die Themen miteinander abgleichen und entsprechende Aktivitäten daraus ableiten. MES sind wichtige Schlüsselkomponenten in einer modernen Produktion – sozusagen die Informationsdrehscheibe.

Kletti: So verstehen wir das auch. Die Kommunikation – und zwar sowohl vertikal vom ERP zur Automatisierungsebene als auch horizontal zwischen den Bereichen Fertigung, Logistik, Personal und Qualität – wird bereits in Form der Integration vom MES übernommen. Die dadurch erreichte Transparenz in der Produktion ist meines Erachtens eine wichtige Grundlage, wenn nicht sogar der Treiber für Industrie 4.0. Von der Kommunikation in Echtzeit ist es nicht mehr weit bis zu intelligenten Werkstücken.

Sauer:
Wichtig dabei sind jedoch die Interoperabilität und eine durchgängige intelligente Kommunikation. Dies erfordert eine Standardisierung der Kommunikation zwischen den einzelnen Anlagenkomponenten, Maschinen, Materialflusssystemen, Werkstücken und sonstigen Systemen. Auf diesem Weg sind wir schon ein Stück vorangekommen, es kann aber schneller und mit breiterer Beteiligung weiter gehen. Dazu müssen die Hersteller von Systemen – welcher Art auch immer – erkennen, dass proprietäre Protokolle und Schnittstellen langfristig Nachteile gegenüber offenen Standards haben.

Kletti: Unser Ansatz mit UMCM (Universal Machine Connectivity for MES) geht bereits in die Richtung einer standardisierten Kommunikation. Ähnlich wie bei USB soll damit eine einfache und unkomplizierte Anbindung von Maschinen an ein MES möglich sein – quasi Plug & Work.

Sauer: Und genau das stärkt die Rolle des MES als Informationsdrehscheibe. Hier laufen alle Daten zusammen und werden verdichtet. Trotz aller sinnvollen Dezentralisierung bietet es sich aus Kostengründen an, MES als zentrale Instanz, zum Beispiel auch in der Cloud zu betreiben und die MES-Funktionen quasi als Services zur Verfügung zu stellen.

Kletti:
Aus der zentralen Datenbank im MES können dann aussagekräftige Kennzahlen in Echtzeit berechnet werden, anhand derer wichtige Entscheidungen im Produktionsprozess getroffen werden können.

Sauer: Im Zuge der zunehmenden Nutzung mobiler Endgeräte, z.B. Tablet-PCs oder SmartPhones, steigt den Wunsch nach einem Zugriff auf Produktionsdaten von überall her. Dabei ist es natürlich eine Herausforderung, die Daten auf jedem beliebigen Endgerät auch so darzustellen, dass man damit arbeiten kann. Hier müssen MES-Systeme künftig Ihre Flexibilität beweisen.

Kletti: Wir arbeiten diesbezüglich bereits an Konzepten zur universellen Nutzung von Endgeräten aller Art.
Zudem müssen einzelne Bauteile ja auch irgendwo zu einer Baugruppe zusammengeführt werden. Es bedarf einer übergeordneten Instanz, die für Synchronisation sorgt. Insbesondere an den Grenzen eines Unternehmens, z.B. an der Schnittstelle zum Vorlieferanten ist es wichtig, dass relevante Daten zentral vorgehalten und übergeben werden.

Sauer: Und im Zuge der stetigen Virtualisierung von Rechenpower und Diensten wird der Service-orientierte Ansatz wichtiger. Irgendwann wird es uns nicht mehr interessieren, woher die Daten kommen. Es wird nur wichtig sein, dass die Informationen zuverlässig und in Echtzeit zur Verfügung stehen.  Bei allen Visionen – der Mensch sollte im Zweifel aber immer die letzte Entscheidung behalten – egal, wie intelligent die Systeme in der Produktion auch werden.

Kletti: Da stimme ich Ihnen absolut zu. Vielen Dank für das interessante Gespräch.

Autor

Über den Autor

Nadja Neubig ist Marketing Managerin bei MPDV, Mosbach. marketing@mpdv.de