Digitale Transformation beschleunigen: Echtzeit-MES-Daten steigern Fabrikeffizienz

Mit dem Drang hin zur vollständig digitalen Fabrik war Manufacturing-Execution-System (MES) Software nie kritischer für Hersteller aller Art. Durch den Einsatz moderner MES-Lösungen mit schnellen Reaktionszeiten in Fertigungsoperationen erhalten Hersteller schnelle Updates zu zeitkritischen Betriebsdaten, die helfen, Fabrikprozesse zu verbessern und die digitale Fabrik näher an die Realität zu bringen.

Mit der Konvergenz von Fertigungs- und Business-Softwaresystemen erkennen immer mehr Hersteller die Vorteile einer digitalen Fabrik, wobei Echtzeit- oder Near-Real-Time-Datenleistung weit mehr Fertigungseinblicke bietet als je zuvor. Hersteller werden ernster bei der Implementierung der für Smart-Manufacturing-Lösungen und das Industrial Internet of Things (IIoT) benötigten Infrastruktur, wobei cloud-basierte MES-Systeme oft den Kern dieser Technologien bilden.

„Der Trend geht zur Konvergenz von Business-Systemen, um tiefgreifende Analysen von Anlagen- und Systembetrieb zu gewinnen. Wir sehen Datenanbieter, die Kräfte bündeln“, sagte Pete Tecos, Executive Vice President, 5ME (Cincinnati), und verwies auf 5MEs kürzliche Partnerschaft mit SmartWare, die Freedom Smart Manufacturing Solutions und Smartwares Bigfoot CMMS (Computerized Maintenance Management System) Plattformen zusammenführt. „Je schneller wir Daten sammeln und zwischen verschiedenen Systemen teilen, desto besser wird unser Gesamtbild der Operationen.“

Der Einfluss der Cloud

Da immer mehr Unternehmen cloud-basierte Fertigungstechnologie einführen, verschmelzen die Fähigkeiten von MES-Lösungen, Enterprise Resource Management (ERP) und Shopfloor-Datenerfassungssystemen nahtloser und arbeiten zusammen, um IIoT- und Industry-4.0-Bemühungen auf dem Shopfloor effektiver zu machen.

„Es ermöglicht die Verfolgung des ‚Heiligen Grals der Fertigung‘: Echtzeit-Analysen umfassender Systeme durch Datenaustausch“, erklärte Tecos. „Anpassungen und/oder Korrekturen werden schneller und mit weniger Störungen der Fertigungsoperationen vorgenommen.“

Heutige Fertigungssoftwarelösungen bieten eine Fülle von Tools zur Verfolgung wichtiger Fabrikkennzahlen, einschließlich Overall Equipment Effectiveness (OEE) und vielen anderen, für das Fertigungsunternehmen, und diese angereicherten Systeme fügen sich gut zusammen, da Entwickler dieser Lösungen partnerschaftlich zusammenarbeiten, um den Anforderungen von IoT/IIoT gerecht zu werden.

„Grundlegend beginnt man auf Maschinenebene mit der Schnittstelle zu Assets und einer Vielzahl von Fertigungssystemen, bietet dann eine Visualisierungsebene [OEE-Cockpit] zur Anzeige von Leistung und KPIs und schiebt schließlich Echtzeitinformationen in den Business-Systemraum [ERP, MES, CMMS, Qualitätsysteme] hinauf. Wenn all diese Systeme symbiotisch statt in Silos arbeiten, kann man Operationen in Richtung hochgradig effizienter adaptiver Fertigung durch den Austausch von Echtzeit-operationaler Intelligenz steuern – das ist der Heilige Gral.“

Kompatibilität mit anderen Plattformen ist entscheidend, fügte Tecos hinzu. „Benutzerfreundlichkeit, Datenerfassungsfähigkeiten und Vielseitigkeit bei Maschinentypen sind ebenfalls wichtig. Unsere Software präsentiert Daten aus mehreren Perspektiven und ordnet sie in drei Kategorien ein: Frequenz, Dauer und Monetarisierung. Wir betrachten die Korrelationen zwischen diesen, indem wir Frequenz- und Dauerdaten nutzen, um eine monetarisierte Sicht auf die Operationen zu schaffen.“

Ergebnisse einiger 5ME-Kunden sind beeindruckend. Nach Installation von 5MEs eLog-Systemen halbierte Caterpillars Werk in East Peoria, IL, die durchschnittliche Verzögerungslänge und verbesserte die Maschinen-In-Cycle-Zeiten um 30 % an den Maschinen, wo Freedom eLog installiert war, was einem Wertzuwachs von 1,2 Millionen Dollar entsprach. Das Unternehmen berichtete, dass die elektronischen „faktenbasierten“ Daten weit besser, genauer und weniger emotional waren als das zuvor verwendete Papier-/manuelle System.

Die Unternehmensperspektive einnehmen

MES-Systeme sind keine eigenständigen Systeme mehr, stellte Stephen Brown, Vice President, Manufacturing Practice, Americas, Siemens PLM Software (Plano, TX), fest. „MES ist Teil einer vernetzten Enterprise-IT-Infrastruktur. Der Wert von MES wird jetzt dadurch definiert, wie gut das MES-System in die gesamte Wertschöpfungskette integriert ist, sowohl stromaufwärts zu Produktentwicklung und Produktionsengineering als auch stromabwärts zur Automatisierung“, sagte er.

„Kunden wollen die gesamte Wertschöpfungskette digitalisieren, vom Produktdesign über Produktionsplanung, Produktionsengineering, Produktionsausführung bis hin zu Services. Das nennen wir Digital Enterprise“, sagte Brown. „Genauer gesagt nutzen wir den Begriff Digital Twin. Wir helfen unseren Kunden, einen Digital Twin nicht nur des Produkts, sondern auch des Fertigungsprozesses, der Anlage und der Produktionsausrüstung zu erstellen. Unsere Kunden nutzen den Digital Twin dann, um das Produkt und seinen Fertigungsprozess vollständig zu simulieren, bevor sie harte Dollar für Prototypen, Werkzeuge und physische Assets einsetzen.“

Diese Faktoren ermöglichen schnelle Innovation, merkte er an. „Es geht nicht einfach um das Verwalten von Fertigungsoperationen. Es geht darum, einen flexiblen, reaktionsschnellen und vorhersagbaren Fertigungsprozess zu schaffen, der auf neue Produktanforderungen reagieren kann.“

Einmal in Produktion und mit Automatisierung verknüpft, können Siemens-Kunden Entscheidungen auf Basis von Echtzeitdaten vom Shopfloor treffen, sagte Brown. „Beispiele sind Echtzeit-Maschinenverfügbarkeit oder Uptime, die von der Produktionsplanungssoftware zur Optimierung von Zeitplänen genutzt werden können, und Qualitätsprobleme, die während der Produktion erkannt und in Near Real Time an das Engineering zur Teileentscheidung kommuniziert werden können – besonders wichtig in der Luftfahrt.“

„Schließlich fügt man IoT und Datenanalytik mit Mindsphere hinzu und schließt den Kreis über das Digital Enterprise.“

Siemens managt den Innovations- und Veränderungsprozess mit seinem Teamcenter PLM, erstellt einen Digital Twin von Produkt und Fertigungsprozess, sagte Brown. „Wir integrieren dann mit unserem MOM [Manufacturing Operations Management] Portfolio, senden die benötigten Produkt-, Fertigungs- und Qualitätsdaten an den Shopfloor und nutzen Mindsphere für IoT und Big-Data-Analytik, um As-Built-Daten zu erfassen und Erkenntnisse zurück in Produkt- und Prozessdesign für kontinuierliche Verbesserung einzuspeisen.“

Aufrüsten für IIoT

Hersteller suchen verstärkt, Big Data und den IoT/IIoT-Boom sowie Cloud-Mobilität zu nutzen, sagte Eric Green, Vice President von Dassault Systèmes-Delmia. „Das alles betrifft Hersteller heute, aber solange es keinen definitiven Business Case gibt, befinden sie sich noch in einer Erkundungsphase“, sagte er.

„Bei einigen Technologien speziell um IIoT und IoT entdecken und verstehen sie noch, wo die Chancen liegen. Wenn man an IIoT denkt, betreiben Hersteller Vorläufer davon seit vielen Jahren“, merkte Green an. „IIoT bietet eine neue Generation, eine neue Evolution. Aber wir haben Kunden, die Anlagen haben, die über 20 Jahre alt sind, und diese neuen Technologien müssen bestehende Anlageninvestitionen unterstützen können.“

Entscheidend für Hersteller wird sein, herauszufinden, wo und wie sie Innovation anwenden können, fügte er hinzu. „Als Verbraucher schafft jeder von uns ein Erlebnis – mit den Autos, die wir fahren, den Smartphones und Smart Appliances, die wir haben. Das bewirkt, dass Unternehmen ihre Marktansätze ändern. Es zwingt diese Hersteller, effizienter oder innovativer zu werden.“

Für Entwickler wie Dassault ist das Ziel, aufregende neue Produkte schnell und effizient auf den Markt zu bringen, merkte er an. „Wenn man an die Markteinführung neuer Produkte denkt – vom Produktdesign über Fertigung bis zum Verbraucher – erfordert die Innovationsplattform die Fähigkeit, schnell zu kollaborieren, um das Design auf den Markt zu bringen.“ Das gehe über ERP hinaus, fügte er hinzu, in Richtung einer Business-Innovationsplattform. Anwendungen wie MOM (Manufacturing Operations Management), die das Produkt vom Design über die Fertigung durch einen kollaborativen modellbasierten Ansatz führen, können die Auslieferung von Produkteinführungen beschleunigen.

„Für uns als Organisation sehen wir das als wichtige Priorität“, sagte Green. „MOM ist ein umfassenderer Funktionsumfang als MES – mehrere Standorte, breiterer Umfang und breitere Bestandsführung. Was man sieht, ist, dass verschiedene Organisationen ihren Umfang erweitert haben, um MOM einzuschließen, und dies bindet in die Innovation ein, die wir bieten.“

Dem Nutzer Near-Real-Time-Fähigkeit zu geben, ist ein entscheidender Vorteil. „Der Wert liegt darin, dass wir globale Transparenz haben: Wenn Änderungen auftreten, können diese propagiert und Fehler eliminiert werden.“

Die Delmia-Apriso-Software ermöglicht digitale Kontinuität vom Engineering über alle Aspekte der Fertigung, sagte Green. „Es ist die Fähigkeit, eine virtuelle Welt zu nutzen, um verschiedene Szenarien zu optimieren, wie Modellmix“, sagte er. „Indem wir das reale Ausführungsmodell und Daten mit der virtuellen Welt des Engineerings kombinieren, nutzen wir Simulation oder Optimierung, um die Auswirkungen von Änderungen basierend auf echten Fabrikdaten zu bewerten, bevor Änderungen in der Fabrik eingesetzt werden. Delmia Apriso Software hilft Anwendern, Transparenz und Kontrolle globaler Operationen bereitzustellen, um die Ausführung über Produktion, Bestände und Qualität zu optimieren.“

Das Siemens MOM Portfolio umfasst MES, Quality, Advanced Scheduling und Manufacturing Intelligence. „Damit verbunden sind Lösungen für Fabrikdesign und -simulation, unser Tecnomatix Portfolio, und natürlich IoT und Datenanalytik mit Mindsphere“, fügte Brown hinzu. „Wir nehmen die Engineering-BOM, wandeln sie in die Manufacturing-BOM um, dann in einen Bill of Process. Hier übernimmt MES.“

„Wir erstellen Arbeitsanweisungen für jeden Schritt, einschließlich Qualitäts- und Inspektionsschritten, und können diese Anweisungen an den Bediener senden, wenn ein bestimmtes Teil an der Arbeitsstation präsentiert wird“, sagte Brown. „Oder wir können spezifischen Code an eine Roboterzelle senden, basierend auf dem Teil, das dieser Zelle präsentiert wird. In der Welt der Mass Customization, wo Losgrößen gen eins gehen, können wir Zykluszeiten und Kosten erreichen, die historisch nur mit harter Automation und sehr großen Serien gesehen wurden.“

Siemens hat auch eine neue Automation Gateway App für Simatic IT MES UAF 2.1 hinzugefügt, die OPC-Konnektivität und direkte Konnektivität zu Siemens S7-Steuerungen bietet, sagte Brown. Die App konfiguriert Automatisierungs-Knotenobjekte, die aus Eigenschaften bestehen, die mit Automatisierungssystem-Tags verbunden sind. „Automation Gateway umfasst einen Service zur Aufrechterhaltung der Verbindung mit Automatisierungssystemen, Synchronisation von Automatisierungsdaten“, sagte er. „Automatisierungsdaten werden für UA-App-Befehle zum Lesen und Schreiben offengelegt, und die App kann Automatisierungsdatenänderungsereignisse über Signalmanagement abonnieren.“

Mehr Maschinenanalytik

Mit wachsender Nachfrage nach Analytik gibt es mehr Auswahl, wie die neuen Maschinenanalytik-Lösungen, die Rockwell Automation (Milwaukee) letzten Herbst auf seiner Rockwell Automation Fair ankündigte. Dazu gehörten Rockwells FactoryTalk Analytics for Devices und eine FactoryTalk for Machines Cloud-basierte Anwendung für Anlagenbauer sowie System- und Enterprise-Analytik.

Analytik ergänzt MES- und ERP-Systeme und hilft Herstellern, die wachsenden Datenströme von Sensoren zu nutzen, die über IIoT verbunden sind. „Man spricht weiterhin über Industry 4.0 und Smart Manufacturing“, sagte Todd Montpas, Business Manager, Information Software, Rockwell Automation. „Woran sie wirklich interessiert sind, ist, ob die Technologie Erweiterungen für Maschinenleistung hat, und worum sie wirklich bitten, sind all diese Fähigkeiten auf Ausführungsebene – wir müssen sicherstellen, dass sie Prozesse haben, die funktionieren.“

Viele Kunden interessieren sich für Cloud-basierte Systeme, fügte er hinzu, und merkte an, dass einige Großkunden Interesse an Microsofts Azure Cloud zeigen. „Was wir tun, ist, einen sehr skalierbaren Ansatz zu haben, mit skalierbarer Ausführung, aber eingebettet in eine skalierbare Analytikstrategie; indem man einen Sensor daran anbringt, kann man Echtzeit-Analytik auf Maschinenebene erhalten und Machine Learning zur Vorhersage von Ausfällen.“

Auf der Hannover Messe enthüllte GE Digital (Boston) im April seine neue Plant Applications MES-Lösung, die darauf abzielt, das Angebot für hybride Fertigungsindustrien mit hochautomatisierten Produktionsprozessen zu verbessern. Diese neue Version bietet Kunden eine neue Benutzeroberfläche mit GEs fortschreittendem UX-Design, um Betriebspersonal besser in die Lage zu versetzen, Anlageneffektivität zu analysieren und Grundursachen von Stillstandzeiten zu identifizieren.

„Eines der interessanten Dinge, die ich heute sehe, ist, dass viele Kunden danach suchen, ‚bereit zu sein‘ für Industrial IoT“, sagte Matthew Wells, Vice President, Digital Product Management, GE Digital. „Es entwickelt sich weiter, aber es kristallisiert sich in einem Hybrid-Cloud-Konzept heraus. Es ist MES mit einem großen E [Betonung auf Execution]; sie wollen das on-premise laufen lassen. Was Industrial IoT und Cloud bieten, ist eine Möglichkeit, das zu ergänzen.“

Reaktionszeiten und die Notwendigkeit von 99%-plus Zuverlässigkeit für Fertigungsoperationen haben Hersteller davon abgehalten, massenhaft in die Cloud zu wechseln, merkte Wells an. „Ist 99 % Zuverlässigkeit genug? Viele Kunden akzeptieren dieses Risiko nicht für ihre Fertigungsanlagen“, sagte er. „Was die Cloud wirklich bietet, ist eine Möglichkeit, tiefer in die Daten einzutauchen. In der Cloud kann man Historie speichern und Machine Learning betreiben. Wenn man die Cloud hat, kann man auf große Datenmengen zugreifen, und das erhöht die Effektivität der Analytik.“

Der Zugriff auf mehrere Terabytes Daten jederzeit in der Cloud ermöglicht Herstellern, den Digital Twin voll auszuschöpfen, fügte Wells hinzu, was die Hauptattraktion des IIoT ist. „Der Digital Twin ist eine Reihe von Analysen, die im Grunde das Verhalten von Maschinen modellieren, die ständig im Hintergrund laufen und die Daten justieren“, sagte Wells. „Das ist wirklich der Punkt, an dem der Wert des Industrial IoT beginnt. Es ist ein aufstrebender Markt, der schnell wächst.“