Vorteile und Einsatzfelder integrierter Toolsets zur Modellierung von Manufacturing Execution Systems (MES)
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Im Jahre 1992 wurde die Manufacturing Execution Systems Association International (MESA) als Vereinigung von Entwicklern, Herstellern und Dienst leistenden Serviceunternehmen gegründet. Ziel ist es, ...

Im Jahre 1992 wurde die Manufacturing Execution Systems Association International (MESA) als Vereinigung von Entwicklern, Herstellern und Dienst leistenden Serviceunternehmen gegründet. Ziel ist es, das herkömmliche Modell eines Produktionsplanung und Steuerungssystem in Komponenten mit Blickrichtung auf eine unternehmensweite Integration aufzuteilen. Hauptsächliches Anwendungsgebiet ist die automatisierte Fertigung mit ihrer gesamten Breite und Vielfalt. Dabei werden sowohl technische, betrieblich-organisatorische als auch betriebswirtschaftlich-administrative Funktionen integriert

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Vorteile und Einsatzfelder integrierter Toolsets zur Modellierung von Manufacturing Execution Systems (MES) Vorteile und Einsatzfelder integrierter Toolsets zur Modellierung von Manufacturing Execution Systems (MES) Document Transcript

  • SCHULZ, Thomas: Vorteile und Einsatzfelder integrierter Toolsets zur Modellierung von Manufacturing Execution Systems (MES). In: Scientific Reports - Wissenschaftliche Berichte. Nr. 5: IWKM 2000 - Band A: Automatisie- rungstechnik. Mittweida : Wissenschaftliche Zeitschrift der Hochschule Mittweida, 2000, S. 65-72. VORTEILE UND EINSATZFELDER INTEGRIERTER TOOLSETS ZUR MODELLIERUNG VON MANUFACTURING EXECUTION SYSTEMS (MES) Dipl.-Ing. Thomas Schulz Wonderware GmbH, Geschäftsstelle Berlin, Deutschland 1. Abgrenzung der Einsatzfelder Im Jahre 1992 wurde die Manufacturing Execution Systems Association International (MESA) als Vereinigung von Entwicklern, Herstellern und Dienstleistern gegründet. Der Bereich der Manufacturing Execution Systems, kurz auch MES genannt, verbin- det wie in Abbildung 1 dargestellt als integratives Zwischenstück die Planungs- und Finanzwelt der ERP-Ebene mit der Produktionswelt im Steuerungsbereich. Dabei wird eine Brücke zwischen transaktionsorientiertem Denken und ereignisorientiertem Handeln in Unternehmen geschlagen. MES = Manufacturing Execution System SSM ERP = Enterprise Ressource Planning SCM = Supply Chain Management SCM ERP SSM = Sales & Service Management P/PE = Product & Process Engineering Steuerungen = SPS, DCS, NC, SCADA MES P/PE Steuerungen Abbildung 1: MES Kontextmodell [Fraser97] Laut [Thiel00] ist das angestrebte Ziel die Aufteilung des herkömmlichen Modells ei- nes Produktionsplanungs- und Steuerungssystem in einzelne Komponenten. MES sichert mit seinen Informationen eine Optimierung von Produktionsabläufen von der Auftragserstellung bis hin zum fertigen Produkt. Die hieraus resultierende schnelle Reaktion auf die den Fertigungsablauf beeinflussenden Bedingungen, sowie die Fo- kussierung auf Reduzierungen von nicht wertschöpfenden Tätigkeiten führt zu effek- tiveren Fertigungs- und Prozeßabläufen. Hauptanwendungsfeld sind Fertigungssys- teme mit automatisierten Abläufen in ihrer gesamten Breite und Vielfalt.
  • 1.1 Fertigungssysteme Im deutschsprachigen Raum wird die Thematik der Fertigungssysteme, wie die Defi- nition von Begriffen, Abläufen und Funktionen, hinreichend in [VDI 3633] beschrie- ben. Fertigungssysteme werden als Summe aller Arbeitsmittel in einem festgelegten Bereich definiert. Am Eingang ankommendes Material wird in einen definierten Zu- stand überführt um dann wiederum am Ausgang des Systems abgegeben zu wer- den. Die einzelnen Komponenten von Fertigungssystemen nennt man Arbeitssysteme. Diese haben in einem Unternehmen eine eindeutig definierte Struktur zueinander. Als Subsysteme eines Fertigungssystems kennzeichnen Arbeitssysteme den physi- kalischen oder logischen Ort, an dem ein Transformationsprozess am Material statt- findet. Abbildung 2 verdeutlicht die Aufteilung der Arbeitssysteme in Produktions- und Materialflusssysteme. Deren Funktionen und Verhalten bilden die Grundlage für den eigentlichen Modellierungsprozess. Arbeitssystem Funktion Transformationsprozess Verhalten Richtlinie Produktions- bearbeiten Qualität aktiv VDI 3300 system prüfen Zustandserfassung passiv VDI 3300 Material- lagern Zeit passiv VDI 2411 flusssystem handhaben Ort aktiv VDI 2860 transportieren Ort aktiv VDI 3300 Abbildung 2: Übersicht Arbeitssysteme Bei Projektbeginn ist es wichtig, aus den vielen Funktionen diejenigen herauszufin- den, die für die jeweilige Aufgabe relevant und notwendig sind. Existierende Software sollte nach sorgfältiger Prüfung weitestgehend einbezogen werden. Anwendungsbe- richte wie [Elsner96] und [Viergutz96] beschreiben, dass erfolgreiche Quantensprün- ge seltener sind und die kontinuierlichen Verbesserung des Prozesses im Vorder- grund steht. Die Wahl effektiver Entwurfsumgebungen ist eine notwendige Voraus- setzung den ROI von Projekten positiv zu gestalten. 1.2 Entwurfsumgebungen Auf Grund der Vielfalt der Entwicklunganforderungen sind Standardentwurfsumge- bungen von einem Hersteller die den gesamten Bereich des MES abdecken noch sehr selten im Einsatz. Individuelle Lösungen für Kunden verbieten sich ebenfalls aus Zeit- und Kostengründen. Um so häufiger stellen deshalb die Endanwender die Forderung nach offenen und flexiblen Entwurfsumgebungen. Offenheit beinhaltet da- bei die Möglichkeit der Einbindung neuer bzw. den Austausch vorhandener Ent- wurfsumgebungen. Flexibilität setzt die Fähigkeit der Anpassung von Struktur und Verhalten der Gesamtumgebung an die aufgabenspezifischen Gegebenheiten jedes einzelnen Unternehmens voraus. Durch die immer kürzer werdenden Innovationszyklen in der Informationstechnologie werden die Vorteile von offenen und flexiblen Umgebungen in Zukunft noch viel stär-
  • ker in den Vordergrund treten. Technologie Standards und Architekturen sowie dar- aus resultierende Entwicklungsrichtlinien für Softwareprojekte sind nach [Reinhart98] schon nach wenigen Jahren neu zu überarbeiten. Modulare Systeme können flexib- ler auf neue Anforderungen reagieren. Das Zerlegen eines komplexen, monolithi- schen Systems in kleinere, überschaubare Einzelkomponenten erhöht nicht zuletzt auch die Wartbarkeit und hilft bei der Verringerung der Fehlerrate. 2. Modellbildung und Werkzeuge Bei der Modellbildung wird wie in Abbildung 3 ersichtlich mit Hilfe eines Schemas die Realität in einem Modell abgebildet. Dieses Schema oder Datenmodell ist das Orga- nisationsprinzip, nach dem die Daten sowie ihre Beziehungen in einer Datenbasis abgelegt werden. Objektorientierte Ansätze haben sich hier als sehr geeignet erwie- sen. Realität Diskursbereich Modell des Diskursbereiches Schema und Tabellen Datenmodell Datenmodell RDMS Abbildung 3: Modellbildung Zur Abbildung dieses Modells und zur Ablaufsteuerung und -kontrolle müssen durch die Entwurfsumgebung entsprechende Dienste bereitgestellt werden. Dienste zur Modellierungsunterstützung definieren Strukturen und Aktivitäten sowie deren Ver- halten und deren Anforderungen an die einzelnen Ressourcen. Darüber hinaus sol- len Änderungen und Reengineering von Applikationen oder Teilprozessen möglich sein. Anhand eines gegebenen Modells können konkrete Instanzen erzeugt und ausgeführt werden. 2.1 Entwicklungsmethoden Jeder Anwender von Software möchte eine stabil funktionierende Lösung für seine speziellen Aufgaben haben. Abbildung 4 gibt dazu einen Überblick über die am häu- figsten verwendeten Entwicklungsmethoden im Softwarebereich. Oftmals werden im Bereich MES auch heute noch in sich geschlossene, individuell programmierte Lö- sungen angewendet. Sie sind zwar höchst flexibel, aber aus Zeit- und Kostengrün- den die schlechteste Wahl für den Anwender. Fertige Branchenlösungen stehen nur für sehr begrenzte Aufgaben mit oft eingeschränkten Leistungsumfang zur Verfü- gung. Der Grad ihrer Flexibilität ist gering und Anpassungen sowie Erweiterungen sind nicht immer problemlos möglich.
  • Service oder Software 100 80 60 40 entwickeln 20 0 kaufen individuelle Toolset konfigurierbare fertige Programmierung Applikation Branchenlösung Abbildung 4: Übersicht Entwicklungsmethoden Eine echte Alternative dazu stellen modulare Ansätze mit mehreren Tools oder ei- nem Toolset dar. Diese Lösungen können flexibler an neue Anforderungen angepaßt werden. Durch das quot;Aneinanderfügenquot; der vorgefertigten Werkzeuge wird deren Wiederverwendung in verschiedensten Anwendungsfällen ermöglicht und damit eine Kostenreduzierung erreicht. Auch konfigurierbare Applikationen können mit einem Toolset sowie zusätzlichen Erweiterungen durch individuelle Programmierung ent- standen sein. 2.2 Integriertes Toolset Nach [Wassermann90] ist ein Tool ein Software-Modul, in dem eine Menge seman- tisch zusammenhängender Dienste angeboten wird und klar definierte Schnittstellen existieren. Um für die Entwicklung eines Produktes mehrere Tools einzusetzen ist es wichtig, diese aufeinander abzustimmen. Die verwendeten Tools müssen in der Lage sein, untereinander Informationen auszutauschen und gemeinsame Dienste zu nut- zen. Diese Werkzeuge unterschiedlicher Größe und Funktionalität, die ohne die An- passung ihres Quellcodes zu komplexen Entwurfsumgebungen zusammengefügt werden können, werden als Toolset bezeichnet. Die sich daraus ergebende Ent- wurfsumgebung ist die Menge von Diensten, die einen gegebenen Entwurfsprozeß durchgängig und effektiv unterstützen. Nutzer Benutzer- Schnittstelle Aktionssteuerung weitere Tools Tool Kommunikations- Datenbank- Schnittstelle Schnittstelle Abbildung 5: Integrationsschnittstellen eines Tools [Sattler98] Die damit angestrebte Software-Struktur mit deren Integrationsschnittstellen stellt somit einen Rahmen dar, welcher die beliebige Kombination von Tools ermöglicht (Abbildung 5). Dieses ermöglicht eine aufgabenorientierte Konfigurierung der Ent-
  • wurfsumgebung. Die einzelnen Tools werden als wiederverwendbare Bausteine o- der Komponenten angesehen, die in beliebiger Form kombiniert und zu neuen Bau- steinen zusammengesetzt werden können. Die verschiedenen Werkzeuge einer Umgebung müssen in geeigneter Weise mitein- ander verbunden werden, um das gewünschte Verhalten zu erzielen. Diese Verbin- dung und Abstimmung von Software-Modulen in einem funktionierenden Gesamtsys- tem wird als Tool-Integration bezeichnet. Diese Integration erfolgt auf mehreren Ebe- nen. Ziel ist die Generierung eines funktionierenden Gesamtsystemes, auch als Tool- Integration bezeichnet. Eine Datenintegration beinhaltet die Verwaltung der im Ent- wurfsprozeß anfallenden Daten. Die Kommunikations-Schnittstelle enthält die Me- chanismen zur direkten Interaktion zwischen Tools. Ziel der Präsentationsintegration ist eine effiziente Unterstützung der Interaktion zwischen Nutzer und Umgebung. Einheitliche Benutzerschnittstellen fördern die Integration. Das Toolset FactorySuite, bestehend aus den Tools InTouch, InTrack, InBatch, Crys- talReports und IndustrialSQL-Server, dient als leistungsfähige Basis zur Modellierung von Fertigungsprozessen für MES. Die Abstimmung der einzelnen Tools aufeinander und deren Einbettung in ein integriertes Gesamtsystem garantiert hier der Hersteller. 3. Praktische Anwendungen 3.1 Modellintegration Für den Bereich der diskreten Fertigung mit den in Abschnitt 1.1 herausgestellten Grundlagen besitzt das Tool InTrack optimale Voraussetzungen zur Abbildung der realen Welt. Die Modellierung des Fertigungssystems in der Entwurfsumgebung er- folgt grafisch-interaktiv. Das Wissen um die Prozess- und Fertigungsabläufe wird pa- rallel zur Darstellung auf dem Bildschirm in der InTrack-Datenbank abgelegt. Da- durch wird die Konsistenz und Wiederverwendbarkeit der Daten und Modelle sicher- gestellt. Zeit-, Kosten- und Ressourcenersparnis bei der Modellierung von Ferti- gungsprozessen erhöhen vordefinierte Objekte. Struktur Material Rohmaterialien Fertigungsmodell Zwischenprodukte Nebenprodukte Kuppelprodukte Produktionskomponenten Endprodukte Prozessfolge Technologie Technologie Ressourcen Ressourcen Störungen Prozessgrößen Mitarbeiter Einstellgrößen Maschinen Eingang Ausgang Transfor- Fertigungslinien mations- prozess Transportsysteme Material Ressourcen Material Lagerorte Abbildung 6: Modellintegration im Tool InTrack
  • Abbildung 6 zeigt die Inhalte eines Fertigungsmodells im InTrack. Eine relationale Datenbank liefert die notwendige Flexibilität, um verschiedenen Projektanforderun- gen im Unternehmen gerecht zu werden. Damit können Anpassungen auf zukünftige Veränderungen in der Organisation oder der Aufgabenstellung schnell und einfach vorgenommen werden. Auf dieser Grundlage ist neben zahlreichen Möglichkeiten der kennzahlen-basierten Analyse und des Reportings auch die Vorausschau von reali- tätsgetreuen Ressourcenauslastungen realisierbar. 3.2 Einsatzbeispiele Am häufigsten kommt in der Multitier-Architecture ein verteilter Client/Server-Aufbau wie in Abbbildung 7 dargestellt zum Einsatz. Bei den Applikationen mit InTrack erfolgt eine Teilung der Anwendungsschicht in lokale Anwendungsverarbeitung und transak- tionsbezogenen Teil. Diese Anwendung stellt vielfältige Dienste zur Anwendungslo- gik des Systems, zur Regelung des Zugriffs zwischen Datenhaltung und Präsentation und zur Kommunikation mit anderen Komponenten und Anwendungen bereit. Die Teilung dieser Dieses bringt eine flexiblere Verteilung der Lasten zwischen Server und Clients und damit eine leichtere Optimierung des Gesamtsystems mit sich. Verteilte Funktionen Client Grafische Benutzeroberfläche lokale Anwendungs- verarbeitung Server Transaktionsbezogene Teil der Anwendung gesamte Datenhaltung Abbildung 7: Client/Server-Architektur Die Grafische Benutzeroberfläche ist das eigentliche Interface für Monitoring und Be- dienung. ActiveX-Objekte als unabhängige Oberflächen finden hier ein breites An- wendungsfeld. Über OLE-Mechanismen ist der direkte leistungsfähige Zugriff auf Da- ten der zentral genutzten SQL-Datenbank sowohl für InTouch als auch für andere Tools möglich. Die Dimensionierung von Anwendungen erfolgt höchst flexibel. Ein Anwendung aus der Metallindustrie verwendet die Tools InTouch, InTrack und CrystalReports sowie den Microsoft SQL-Server als Datenbasis. Abbildung 8 veranschaulicht die Struktur des Fertigungsprozesses. Den größten Nutzen dieser Applikation eines MES liegt laut eigenen Aussagen des Anwenders in den übersichtlichen Produktionsprotokollen sowie den Qualitätsnachweis für jedes einzelne Rohr. Die Ermittlung und Dokumen- tation von allen wichtigen Betriebskennzahlen erfolgt ebenfalls. Durch die Verwen- dung der FactorySuite als Toolset ist eine einfache Erweiterbarkeit problemlos auch vom Anwender selbst möglich. Ein weiteres Beispiel ist eine Lösung aus der Nahrungsmittelindustrie. Diese Anwen- dung zeichnet sich durch ihre fast alle Komponenten des MES umfassenden Kom-
  • plexität aus. Hier wurden die Tools InTouch, InTrack, IndustrialSQL-Server, Crystal- Reports sowie für individuelle Programmierungen Visual Basic verwendet. Abbildung 8: Anwendung Stahlrohrproduktion Als Server für den umfangreichen Datenbestand dient wegen der hohen Verfügbar- keit ein Rechner mit mehreren Prozessoren. Auch hier wurde ein Microsoft SQL- Server als Datenbasis ausgewählt. Abbildung 9: Anwendung Fischverarbeitung Beispielhaft für das hohe Maß an individueller Anpassung an Kundenwünsche zeigt Abbildung 9 einen Bildausschnitt einer der sieben Fertigungslinien. Dem Systemliefe- ranten ist in diesem Fall die Erstellung einer konfigurierbaren Applikation mit Hilfe ei- nes Toolsets für die Nahrungs- und Genussmittelindustrie gelungen. 3. Schlussbemerkungen Die vorherigen Abschnitte leisten einen Beitrag zur weiteren Verbreitung integrierter Toolsets. Schließlich zwingt die Diskussion um Offenheit und Flexibilität auch dazu,
  • wieder einmal darüber nachzudenken, wie man langfristige Ziele mit kurzfristigen in Übereinstimmung bringt. Es gilt eine Investition die für die Zukunft zu treffen. Sie kann dabei die heutigen Kosten temporär erhöhen. Der Mehrwert wird erst sichtbar, wenn eine Mindestschwelle an Investitionen überschritten ist. Literatur Elsner96 Elsner, R.: Anpassung eines Standard-PPS. Erfahrungen aus dem praktischen Einsatz. m&c - Management & Computer 4 (1996) Heft 1, Seite 5-11. Fraser97 Fraser, J.: MES Explained: A High Level Vision. MESA Interna- tional White Paper Number 6, Manufacturing Execution Systems Association, Pittsburgh, 1997. Reinhart98 Reinhart, G. u.a.: Software für die Produktion. Anforderungen an Struktur und Funktionalität – heute und morgen. VDI-Z 140 (1998) Heft 7/8, S. 58-61. Sattler98 Sattler, K.-U.: Tool-Komposition in integrierten Entwurfsumgebun- gen. In: VDI-Fortschritt-Berichte, Reihe 10 Band 543. VDI-Verlag, Düsseldorf, 1998. Thiel00 Thiel, K.: Neue Produktionssysteme. it – Industrielle Informations- technik 37 (2000) Heft 6-7, Seite 20-26. VDI 3633 VDI-Richtlinie 3633: Simulation von Logistik-, Materialfluß- und Produktionssystemen - Begriffsdefinitionen, Beuth-Verlag, Berlin, 1996. VDI 2411 VDI-Richtlinie 2411: Begriffe und Erläuterungen im Förderwesen. Beuth-Verlag, Berlin, 1970. VDI 2860 VDI-Richtlinie 2860: Handhabungsfunktionen, Handhabungsein- richtungen; Begriffe, Definitionen, Symbole. Beuth-Verlag, Berlin, 1990. VDI 3300 VDI-Richtlinie 3300: Materialfluß-Untersuchungen. Beuth-Verlag, Berlin, 1973. Viergutz96 Viergutz, B.; Bodo, O.: Anwendergerechte Prozeßmodellierung von komplexen Informationssystemen. ZWF – Zeitschrift für wirt- schaftlichen Fabrikbetrieb 91 (1996) Heft 9, Seite 421-424. Wassermann90 Wassermann, A.: Tool Integration in Software Engineering Envi- ronments. In: Long, F. [Hrsg.]: Software Engineering Environ- ments: Procedings of International Workshop on Environments. Springer Verlag, Berlin, 1990.