Simulation bei MES-Komponenten

Simulation bei MES-Komponenten - Trends bei produktionsnahen IT-Systemen
Simulatoren werden zu Standardkomponenten in Manufacturing Execution Systemen (MES), die zukünftig aus der Fabrik nicht mehr wegzudenken sind. Die Informationstechnik wird zum Katalysator neuer Prozesse und Strukturen in Produktion und Logistik.

MES entwickeln sich zu Informationsdrehscheiben in der Fabrik. Sie unterstützen die in der VDI 5600 definierten MES-Aufgaben und bilden die Schnittstelle zwischen der Fertigungsebene mit der Automatisierungstechnik und der Unternehmensleitebene mit ERP-Systemen. Im Idealfall wickeln MES sämtliche IT-Unterstützung, die für den reibungslosen Ablauf der Produktion erforderlich sind, auf der Fertigungsleitebene ab.

Aufgrund neuer Anforderungen an die Produktion, der Dezentralisierung von Datenverarbeitungskapazität und Technologieentwicklungen in der Informationstechnologie (IT) lassen sich sechs Trends ausmachen, die für MES-Systeme von morgen relevant sind. MES-Anwender und -Hersteller sollten sich bereits jetzt darauf einstellen (siehe Kasten).

Die sechs Entwicklungstrends bei MES 1. MES-Systeme werden voll an Systeme der digitalen Fabrik angekoppelt sein. Ziel ist unter anderem die permanente Planungsbereitschaft. Sobald sich Änderungen in der Produktion ergeben, werden sie in den beteiligten Systemen nachgeführt.
2. MES-Systeme der Zukunft werden mit der unterlagerten Fertigungsebene vertikal integriert sein, und zwar so, dass standardisierte „Plug-and-Work“-Mechanismen diese Integration unterstützen; Anlagenbeschreibungen oder ergänzende Daten aus der digitalen Fabrik werden automatisch an das MES propagiert.
3. MES-Systeme werden zukünftig durch mitlaufende Simulatoren unterstützt; der Simulator fungiert dabei quasi als Frontend zum Anwender im Sinn einer Realzeitsimulation, so dass der Nutzer unmittelbar und effektiv auf unvorhergesehene Ereignisse in der Produktion reagieren kann.
4. Auf der MES-Ebene werden einzelne MES-Komponenten auch unterschiedlicher Hersteller horizontal integriert sein, und zwar durch Instrumente wie Ontologien und syntaktisch durchgängige Beschreibungen, einen service-orientierten Aufbau und durchgängiges Datenmanagement.
5. MES-Systeme der Zukunft sind skalierbar bis hin zur Unterstützung dezentral selbstorganisierender Produktion. Betriebsdatenerfassung wird durch automatische Erfassung, zum Beispiel durch RFID-Systeme, abgelöst.
6. MES werden den Anwendern rollen-, situations- und kontextbezogen Informationen zur Verfügung stellen.
Vor allem der Trend „fertigungsnahe Simulation“ soll anhand aktueller Beispiele aus Projekten des Fraunhofer IITB verdeutlicht werden.

Simulation als Frontend im Sinn einer mitlaufenden Realzeitsimulation: Im Zug eines Projekts in der Automobilindustrie hat das IITB bereits einen mitlaufenden Simulator für ein Produktionsleitsystem entwickelt. Sobald an einer Produktionsanlage eine Störung auftritt, prognostiziert der Simulator die zu erwartende Ausbringung und die Pufferstände in den kommenden Schichten.
Für den Anwender ergibt sich unmittelbar Nutzen dadurch, dass Auswirkungen von Störungen in komplexen Produktionssystemen sofort transparent werden; dem Anwender bleibt damit ein größerer Spielraum, um Gegenmaßnahmen einzuleiten und diese mit Hilfe des Simulators zu testen. Bei der Abwägung der Maßnahmen ist der Produktionsassistent ebenfalls behilflich: Mit dem gleichen Simulationsmodul werden die Auswirkungen der einzelnen Maßnahmen prognostiziert und miteinander verglichen. Damit unterstützt das System die Anlagenbediener wesentlich bei Entscheidungen.
Der so genannte Produktionsassistent nutzt die Oberfläche des Laufzeitsystems und ist über Softwareagenten direkt mit dem Laufzeitsystem verbunden. Darüber hinaus können zukünftige MES-Systeme dem Anwender Vorschläge machen, mit welchen Maßnahmen unvorhergesehene Ereignisse schnell abzustellen sind.

Simulation in der Fertigungssteuerung: Das Ziel von Systemen zur Fertigungssteuerung besteht darin, möglichst optimale Ablauf- sowie Belegungspläne zu erstellen und diese in der Fertigung umzusetzen. Die Anforderungen an Produktionsunternehmen lassen sich am besten durch das Motto „schneller, besser, günstiger“ charakterisieren. Dies wird im Wesentlichen durch Störungen im Produktionsalltag behindert. Heutzutage verarbeiten moderne Fertigungssteuerungssysteme unvorhergesehene Produktionsereignisse unmittelbar und minimieren dadurch deren Folgen. Änderungen in der Produktion werden erfasst, woraufhin das Fertigungsprogramm sofort angepasst wird.
Ein Einsatzfall von Simulation in der Fertigungssteuerung ist es, die eingesetzten Algorithmen zur Ressourcenbelegungsplanung in einer dynamischen Testumgebung zu untersuchen und zu parametrieren, denn im realen Produktionsbetrieb ändert sich die Planungsgrundlage permanent: Es kommen neue Aufträge hinzu, Aufträge werden geändert oder gelöscht, einzelne Arbeitsvorgänge werden gestartet, beendet, Maschinen fallen aus.
Ein weiterer Anwendungsfall zum Einsatz von Simulation ist die Gegenüberstellung von Handlungsoptionen für den Planer oder Disponenten: Die Simulation gestattet die transparente Darstellung von Arbeitsvorgängen innerhalb der realen Fertigung. Durch die Möglichkeit der fiktiven Einplanung und der extrem schnellen Ermittlung eines Belegungsplans für den zukünftigen Fertigungsverlauf können Alternativen am Rechner ohne Beeinträchtigung der realen Fertigung durchgespielt werden. Ein visueller beziehungsweise statistischer Alternativenvergleich erlaubt die Auswahl des bestmöglichen Ablaufs durch den Anwender. Zudem können störungsbedingte Auswirkungen dargestellt und deren Folgen ebenso analysiert werden, wie sich realistische Terminaussagen ableiten lassen.

Hardware- und Software-in-the-loop: Die Inbetriebnahme komplexer Produktionssysteme wird zunehmend am Rechner im Voraus vollzogen – das Stichwort dazu lautet „virtuelle Inbetriebnahme“. Darüber hinaus arbeiten Anlagenbetreiber, Anlagenhersteller und Softwareentwickler daran, die Anlagen mit Hilfe der später im Betrieb eingesetzten MES-Systeme zu testen. Bei der Inbetriebnahme können komplexe IT-Systeme mit Hilfe von Simulationen schon vor der eigentlichen Softwareinbetriebnahme parametriert und getestet werden. Dazu muss die Anlagensimulation von einer SPS (Hard- oder Software) außerhalb des Simulationsprogramms gesteuert werden, damit das IT-System, zum Beispiel die Leittechnik, Zugriff auf die Simulationssignale hat. Auf diesen realen Signalen kann die Leittechnik dann mit bekannten Kommunikationsmechanismen der Automatisierungstechnik aufsetzen, zum Beispiel über OPC (OLE for Process Control).