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Planungssysteme im Umbruch

Mit der Fertigung verändert sich die Software

Planungssysteme im Umbruch

Die zunehmenden Anforderungen an die Produktionseffizienz und die steigende Verteilung von Wertschöpfungsketten bleibt auch für die produktionsnahe IT nicht ohne Folgen. Auch wenn noch nicht präzise absehbar ist, in welche Form sich die Produktion vor dem Hintergrund etwa von Cyber-Physical Systems entwickeln wird, scheint eines sicher: Die Bedeutung von Software als Steuerungsinstrument nimmt weiter zu.

Die gesellschaftlichen Megatrends machen auch vor dem produzierenden Gewerbe nicht halt. Die Globalisierung der Nachfrage, Produktion und Beschaffung geht einher mit der Dekomposition klassischer Wertschöpfungsketten. Somit stehen nicht mehr nur Unternehmen im Wettbewerb, sondern ganze Lieferketten bewerben sich um die Gunst des global aufgestellten Kunden. Trotz des zunehmenden Individualisierungsgrades der Enderzeugnisse werden auch unter diesen Bedingungen kurze Lieferzeiten und höchste Termineinhaltung erwartet. Die zunehmende Sensibilisierung der Gesellschaft für ökologische Themen weitet sich ebenfalls auf die Fertigungsindustrie aus.

Der schonende Umgang mit natürlichen Ressourcen beschränkt sich längst nicht mehr nur auf den effizienten Einsatz von Rohstoffen und Material. Energie in jedweder Form rückt mehr und mehr in den Vordergrund. Gleichzeitig macht die Digitalisierung auch vor den Produktionsprozessen nicht halt. Produkte mit Gedächtnis, die einerseits die Fertigungsprozesse steuern und andererseits ihre Herstellungsparameter kennen, sollen in naher Zukunft eine Selbstverständlichkeit werden. Die Herstellung dieser Erzeugnisse findet dann in ‚Smart Factories‘ statt, deren Maschinen untereinander kommunizieren und ihren Zustand genauso wie Fertigungsfortschritte an die Planungs- und Steuerungssysteme melden.

Solche Trendthemen führen zu neuen Anforderungen hinsichtlich der Integration der unterschiedlichen Steuerungsebenen eines Unternehmens. Es geht dabei um die horizontale Integration entlang der Wertschöpfungskette genauso wie die vertikale Integration von der Planung bis zur Automatisierung.

Schnittstellen zwischen Unternehmens- und Betriebsleitebene

Für die von globalen Märkten geforderte Agilität und Flexibilität in wandlungsfähigen Produktionssystemen sind integrierte IT-Strukturen und dezentrale Produktionsplanung und -regelung eine wichtige Voraussetzung. Die fortschreitende Autonomie der Partner in den mehr und mehr weltweit agierenden Wertschöpfungsketten erfordert eine effiziente und robuste horizontale Integration. Das unter Federführung des Forschungsinstituts für Rationalisierung (FIR) an der RWTH Aachen laufende Projekt ‚Wandlungsfähige Produktionssysteme durch integrierte IT-Strukturen und dezentrale Produktionsplanung und -steuerung‘ (WIND) fokussiert vor diesem Hintergrund Fragen der Datenverfügbarkeit und -qualität:

Die IT-Integration an den Schnittstellen zwischen Unternehmensebene (ERP) und Betriebsleitebene (MES) ist dabei eine der wichtigsten Aufgabenstellungen für die vertikale Integration der Prozesse. Während ERP-Systeme eher administrierende und auf übergeordneter Ebene unternehmensweit logistische und betriebswirtschaftliche Prozesse steuern, sind MES eng mit Produktionslinie und Automatisierungstechnik verbunden. Die Systeme dienen der laufenden Optimierung der Produktion sowie der Erfassung von Informationen und technischen Parametern des Herstellungsprozesses.

Diese Daten können vielfältiger Natur sein: Zeit- und Mengenmeldungen, Qualitätsdaten, Zustände von Maschinen und Anlagen, Störungen und deren Ursachen. Somit spiegeln diese Informationen den Zustand des Produktionssystems wider, und genau dies hat Einfluss auf die Produktionsplanung in den übergeordneten, koordinierenden und zunehmend dezentralen Systemen. Dem Entwurf einer ERP-MES-Standardschnittstelle kommt im Zusammenhang mit den zu erwartenden Anforderungen demzufolge eine hohe Bedeutung zu. In breit angelegten Standardisierungsvorhaben werden die Ergebnisse der Integration umfassend kommuniziert.

Neue Herausforderungen an Feinplanungssysteme


Karl Tröger, Leiter Produktmanagement Psipenta GmbH (Bild: Psipenta)

Das vom gleichen Institut geleitete Forschungsvorhaben ‚Prosense‘ hat das Ziel, eine hochauflösende und adaptive Produktionssteuerung auf der Basis kybernetischer Systeme und intelligenter Sensorik zu entwickeln. Die Durchgängigkeit der Produktionssteuerung und der Grad der Vernetzung in den sogenannten Cyber-Physical Systems (CPS) von der Maschinenebene über das Fertigungs- und Montagesystem bis hin zu einem vollständigen Produktionsnetzwerk wird damit ein hohes Niveau erreichen müssen. Dazu sollen die in Smart Factories produzierten Erzeugnisse schrittweise in die Kommunikation mit den zunehmend autonomen und dezentralisierten Systemen übernehmen. Da damit zu rechnen ist, dass die Datenmengen rasant wachsen, werden neue Methoden der Filterung und Auswertung dieser Informationen benötigt.

Die Modelle zur Steuerung der Produktion werden dazu auf Basis von Echtzeitdaten dynamisch an die Ereignisse in der Werkhalle angepasst. Die Anforderungen an die Verbindung zwischen Planungs- und Leitebene, somit an die Schnittstelle zwischen ERP-Systemen und MES, erhöhen sich damit erheblich: Die klassischen Funktionsbereiche der Feinplanung in der produktionsnahen IT müssen um Fähigkeiten zur Simulation und Selbstoptimierung erweitert werden. Die Rückkopplung des Produktionsstatus in die Prozess-Steuerung liefert die Ausgangsdaten für diese Simulationen sowie die Bewertung der Effizienz und den Grad der Zielerreichung. Schwachstellen und Verbesserungspotenziale können so in die Konfiguration und laufende Optimierung der Produktion eingehen.

Energie als Planungsgegenstand für Produktionsverantwortliche

Zusammen mit dem schonenden Umgang mit natürlichen Ressourcen rückt auch Energie in jedweder Form mehr und mehr in den Fokus. Energieeffiziente Maschinen und Anlagen sind nur ein Bestandteil der Betrachtung. Die Steuerung und Vorhersage des Energieverbrauchs von Produktionsprozessen unter Einkaufs- und Kostenaspekten ist ein wichtiger Themenbereich und eines der Trendthemen der jüngeren Vergangenheit. Das steigende Angebot an erneuerbaren Energien und das zunehmende ökologische Bewusstsein sind weitere Dimensionen zukünftiger Herausforderungen bei der Steuerung der Produktionsprozesse. Die Reihenfolgeplanung von Produktionsprozessen in MES-Systemen sollte zukünftig neben den Ressourcen wie Material und Fertigungskapazität daher auch Aspekte der Verfügbarkeit von Energie berücksichtigen. Wesentliche Aspekte hierbei umfassen:

  • Einplanung von energieintensiven Arbeitsfolgen in Zeiten günstigerer Energiekosten
  • Forecasting des Energieverbrauchs und Unterstützung beim saisonalen Einkauf von Energie
  • Berücksichtigung schwankender Energiepreise bei der termingerechten Einplanung von Aufträgen
  • Vermeidung teurer Überlastszenarien durch eine gezielte Führung der Lastgänge
  • Von der Datenerfassung zum integrierten Produktionssystem

    Hochauflösende Produktionsmanagementsysteme benötigen zukünftig in Echtzeit eine große Menge an Informationen aus dem Fertigungsprozess. Die ständige Nachführung der Steuerungsparameter des Prozesses und die laufende Bewertung der Effizienz stellen hohe Anforderungen an die Datenerfassung: Automatisierte Rückmeldungen zu Mengen oder Prozessparametern können konkreten Aufträgen und Erzeugnissen zugeordnet werden, Statusinformationen der Produktionstechnik helfen bei der Aufrechterhaltung der ordnungsgemäßen Funktionsweise von Maschinen und Anlagen. Im Zusammenhang mit ‚intelligenten Produkten‘ wird auch die gezielte Beeinflussung der Fertigungsprozesse durch Informationstechnologie stärker in den Mittepunkt rücken.

    Standardisierte Kennzahlen zur Effizienzbewertung erlauben bereits heute vergleichbare Benchmarks und zeigen Verbesserungspotenzial in Produktionsabläufen auf. Dazu können eindeutig beschriebenen Ableitungen und Berechnungsvorschriften, wie die aus dem VDMA-Einheitsblatt 66412 hervorgegangenen und in der ISO 22400 standardisierten Produktionskennzahlen, als Basis genutzt werden. Es steht zu erwarten, dass derartige Kennzahlen zukünftig auch für die Steuerung der Produktionsprozesse herangezogen werden. Abweichungen von der Norm müssen zeitnah oder sogar in Echtzeit erkannt und behoben werden.

    Auch auf diesem Gebiet wird sich das Leistungsportfolio von MES-Systemen als prozessnahes Steuerungssystem verändern: Die Beeinflussung der Produktionsprozesse durch MES-Systeme und die gezielte Beeinflussung der Automatisierungstechnik sind zukünftige Anforderungen an die Steuerungssysteme. Im Zusammenspiel mit neuen Konzepten für die Maschinen sowie einem zunehmenden Leistungsumfang von MES wird dann eine Standardisierung der Daten und Kommunikationswege etwa auf Basis von Webdiensten unumgänglich. Denn zur Herstellung der Kompatibilität unterschiedlicher Produktionssysteme ist eine Vielfalt an Protokollen und Kopplungsmechanismen nicht länger sinnvoll.