Digitale Fabrik und Manufacturing Execution Systeme wachsen zusammen

Adaptivität und Interoperabilität von Produktionsanlagen werfen heute in der betrieblichen Praxis erhebliche Schwierigkeiten auf, und zwar vor allem dann, wenn Produktionssysteme geändert werden.

Produktionssysteme werden laufend angepasst, weil sich Änderungen an den Pro-dukten ergeben, Kapazitäten aufgrund schwankender Bedarfe neu justiert werden müssen oder rationellere Fertigungstechnologien eingesetzt werden. In der Praxis führen Änderungen an Produktionsanlagen nicht nur zum räumlichen ‚Verschieben’ von Anlagen innerhalb eines Werkes, sondern vor allem zu Anpassungen an der steuernden Software von Maschinen und Anlagen, z.B. speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPSen), sowie an der Informationstechnik, die den unmittelbaren Anlagensteuerungen überlagert ist und die z.B. automatisierte Anlagen überwacht oder die Belegung einzelner Anlagen mit Arbeitsgängen plant und steuert.

1. Einleitung

Aufgrund der spezifischen Anforderungen an die Anlagentechnik, die sich aus den vielfältigen Fertigungsaufgaben ergeben, existiert heute eine nahezu unübersehbare Vielfalt an Maschinensteuerungen, Softwareversionen und überlagerten IT-Systemen. Bei Änderungen an den Anlagen muss diese Software stets mit angepasst werden, was in der produzierenden Industrie zu hohen Aufwendungen führt.

Werkzeuge der ‚Digitalen Fabrik’ werden heute hauptsächlich zur Planung von Pro-duktionssystemen eingesetzt; den operativen Betrieb hingegen unterstützen Manu-facturing Execution Systeme, d.h. IT-System, die dem unmittelbaren operativen Be-trieb in der Werkstatt nutzen (Bild 1). Im folgenden wird beschrieben, welche Werk-zeugen das Zusammenwachsen dieser zwei Systemwelten erleichtern und welche Rolle die Simulation dabei spielen wird.


2. Trends bei produktionsnahen IT-Systemen

Für MES-Systeme von morgen lassen sich die im folgenden beschriebenen Trends ausmachen. Anhand von Beispielen werden anschließend die Trends 1 und 3 näher beleuchtet, da sie für das Zusammenwachsen von Digitaler Fabrik und produktionsnahmen IT-Systemen relevant sind. Simulation im Sinne einer mitlaufenden Realzeit-Simulation spielt dabei zunehmen eine Rolle, um bei steigender Produktions- und IT-Komplexität Auswirkungen von Eingriffen in den Prozeß jederzeit zu verdeutlichen.

Manufacturing Execution Systeme von morgen werden gekennzeichnet sein durch

1. Volle Kopplung an die Digitale Fabrik, u.a. mit dem Ziel permanenter Planungsbereitschaft,

2. Simulation als Frontend im Sinne ein mitlaufenden Realzeit-Simulation zur schnellen Reaktion auf unvorhergesehene Ereignisse,

3. Vertikale Integration mit der Fertigungsebene unter Nutzung von Standard Plug-and-work-Mechanismen,

4. Horizontale Integration durch Service-orientierten Aufbau und durchgängiges Datenmanagement,

5. Skalierbarkeit bis hin zur Unterstützung dezentral selbstorganisierender Produktion („RFID statt BDE“),

6. „Human-centered“ durch aufgaben- und rollenspezifische Versorgung der An-wender mit Informationen.

Die Trends 1 und 3 werden im folgenden kurz näher betrachtet.


3. Aktuelle Arbeiten zur Verbindung von Digitaler Fabrik und MES

Durch das absehbare Zusammenwachsen von Planung und Betrieb ergibt sich ein Bedarf an F&E-Leistungen und an Standardisierung, z.B. von Schnittstellen zwischen den Systemwelten. Das Fraunhofer Institut für Informations- und Datenverarbeitung (IITB) mit seinem Geschäftsfeld ‚Leitsysteme’ arbeitet daran, Daten aus der Digitalen Fabrik für Manufacturing Execution Systeme nutzbar zu machen. Dazu zählt beispielsweise, daß Daten, die zur Projektierung von MES-Systemen erforderlich sind, in einem neutralen Austauschformat, z.B. XML, aus Werkzeugen der Digitalen Fabrik ausgelesen und der MES-Projektierung zur Verfügung gestellt werden. In der Digitalen Fabrik werden Anlagenstruktur, Anlagenparameter, Fertigungsabläufe und Anordnung von Anlagen gehalten. Das Engineering von MES-Systemen erfordert ebenfalls Angaben über Strukturen von Produktionsanlagen und deren Parameter, Fertigungsabläufe sowie SPS-Programme und –Variable. Zukünftig werden die in den Werkzeugen der ‚Digitalen Fabrik’ abgelegten Informationen genutzt, um Produktionsanlagen und überlagerte IT-Systeme zu parametrieren, virtuell in Betrieb zu nehmen und virtuell zu betreiben. Die entsprechenden operativen IT-Systeme sollen möglichst schon zur Inbetriebnahme der geänderten oder neuen Produktionsanlagen voll verfügbar sein (Bild 2).

Ziel der Arbeiten des Fraunhofer IITB ist es, etwas ähnliches wie die bekannte uni-verselle Schnittstelle am Personal Computer (Universal Serial Bus – USB) für die Produktion zu entwickeln – mit dem Unterschied, dass die Rahmenbedingungen und Anforderungen dort erheblich komplexer sind als am PC. Dazu nutzen die Entwickler des IITB existierende Standards, und zwar zur Beschreibung der statischen Eigenschaften von Produktionsanlagen CAEX (Computer Aided Engineering Exchange) und OPC-UA für dynamische Komponenten. CAEX wird in der Prozeßindustrie eingesetzt, um den Aufbau und die Struktur verfahrenstechnischer Anlagen zu beschreiben, OPC-UA dagegen für steuerungsrelevante Variable, deren Werte sich während der Produktion dynamisch verändern.

Simulation wird dabei an verschiedenen Stellen eingesetzt: bevor die Anlagen über die neu zu entwickelnden plug-and-work-Mechanismen in einem bestehenden En-semble von Anlagen in Betrieb genommen werden, sind diese Mechanismen mit Hilfe der Simulation zu überprüfen, d.h. die Simulation testet, verifiziert und überwacht die Logik der plug-and-work-Mechanismen, bevor neue Anlagen in bestehende Linien integriert werden. Möglicherweise kann das Simulationsmodell bereits im Voraus entwickelt werden, so dass diese Verifikation im laufenden Betrieb sehr schnell erfolgen kann. In der betrieblichen Praxis setzen Simulationsuntersuchungen meist 3-5 Jahre vor dem Start der Produktion ein, so dass die dem Simulationsmodell zugrunde liegende Logik für plug-and-work-Verfahren weiter verwendet werden kann.

Ein weiterer Anwendungsaspekt der Simulation liegt darin, dass ein permanenter Abgleich zwischen realem Betrieb, dessen Überwachung in einem Leitsystem und dem Simulationsmodell erfolgen kann. Damit können beispielsweise Umbauten in der Produktion, Verbesserungen aus KVP-Prozessen, etc., unmittelbar in der Simulation getestet werden. Das Verhalten der flexibel untereinander agierenden Komponenten des Produktionssystems kann mit Hilfe eines digitalen Produktionsmodells vor der eigentlichen Inbetriebnahme oder während des Betriebs vor der Änderung einzelner Komponenten getestet werden. Die Simulation als Komponenten der Digitalen Fabrik wird damit zunehmend zur erweiterten Komponente eines Leitsystems, die es dem Leitsystem erlaubt, neben der Auswertung der Daten der realen Produktion schnell „Was-wäre-wenn“-Analysen durchzuführen und das adaptive Produktionssystem zu testen.


4. Zusammenfassung und Ausblick

Mit den entwickelten Methoden, Softwarekomponenten und Anwendungen können Anlagen einfach, schnell und sicher in ein Produktionssystem integriert werden können, bzw. Änderungen an Anlagen und deren Steuerungen automatisch im Produktionssystem und der überlagerten IT propagiert werden.

Als betroffene Ebene innerhalb der unternehmensweiten Hierarchie der Informationstechnik adressieren die vorgestellten Arbeiten die Manufacturing Execution System-Ebene. Aktuell wird erwartet, daß diese Systeme sich in den kommenden Jahren zu Informationsdrehscheiben in der Fabrik entwickeln, und zwar sowohl für die diskrete Fertigung als auch für die Prozessindustrie. Gleichwohl liegt die Marktdurchdringung heute erst bei rd. 5-10%, das prognostizierte Wachstum dagegen bis 2010 bei jährlich rd. 11% am Beispiel der Automobilindustrie (Bild 3). Vor diesem Hintergrund können die hier vorgestellten Arbeiten als MES-Treiber gesehen werden, da die Ergebnisse maßgeblich dafür sorgen, dass produktionsnahe Informationstechnik und Anlagensteuerungen herstellerübergreifend automatisiert miteinander kommunizieren können.

Die entwickelten »Plug-and-work«-Mechanismen reduzieren damit erheblich die Aufwände und Zeiten für Inbetriebnahmen neuer bzw. veränderter Produktionssys-teme, da die bisherigen manuellen Projektierungsaufgaben entfallen und durch die automatischen »Plug-and-work«-Lösungen ersetzt werden.


5. Literatur

1 Sauer, O.:Einfluss der Digitalen Fabrik auf die Fabrikplanung. wt Werkstattstechnik online, Heft 01/02, 2004, Seite 31-34.
2 Sutschet, G.: Störung im Griff. Ein Produktionsassistent für die Automobilfertigung. visIT 2 (2001), No. 2, S. 6-7.
3 VDI-Richtlinie 4499, Blatt 1
4 Gründruck der VDI-Richtlinie 5600
5 Sauer, O.; Sutschet. G.: ProVis.Agent: ein agentenorientiertes Leitsystem – erste Erfahrungen im industriellen Einsatz. VDE-Kongress 2006, Aachen: Innovations for Europe. 23.-25. Oktober 2006, Band 2: S. 297-302.
6 Sauer, O.: Digitale Fabrik und MES. IT&Production: MES Wissen Kompakt 2007, S. 18-21.