Im Rahmen aktueller Forschungs- und Entwicklungsarbeiten ent-

stehen bei uns im Haus verschiedene nützliche Anwendungen.

Details zu diesen Tools finden Sie unter

http://www.iosb.fraunhofer.de/ilt

Forschung in ILT / Interoperabilität und Tools

Interoperabilität ist die Voraussetzung dafür, dass die verschie-

denen beteiligten IT-Systeme über alle Ebenen der Fertigung

konsistent kommunizieren können. Um die verschiedenen

Facetten zu unterstützen, hat das IOSB diverse Werkzeuge

entwickelt, z. B.

OWLTreePrint

Definieren Sie Datenaustausch-Schnittstellen mittels

OWL-Ontologien

CAEXImporter

Machen Sie automatisch CAEX (Computer Aided Engineering

Exchange, IEC 62424) aus beliebigen XML-Daten

CAEXMapping

Erstellen Sie eine Abbildung zwischen zwei

CAEX-Beschreibungen / AutomationML-Import

LEISTUNGSANGEBOT KOMPETENZEN

Benötigen Sie Hilfe bei der Definition und Implemen-

tierung von Standard-Datenaustausch-Schnittstellen in

Ihrem Haus?

Benötigen Sie Hilfe bei der Erstellung einer CAEX- oder

AutomationML-Schnittstelle für Ihre Tools?

Sie möchten einen verlustfreien CAEX / AutomationML-

Import / Export in ihr Tool integrieren?

Sie möchten selbst eine Möglichkeit zur Erstellung

und Bearbeitung von CAEX / AutomationML in ihrem

Unternehmen und auf Ihre Bedürfnisse zugeschnitten

erstellen?

Benötigen Sie Hilfe bei der Entwicklung von

OPC-UA-Anwendungen?

Sprechen Sie uns an. Wir helfen gerne!

CAEXEditor (V1 und V2)

Erstellen und verändern Sie Ihre CAEX- oder

AutomationML-Dateien / Beschreibungen

OPC-UA-Modeler

Erstellen Sie einfach und intuitiv OPC-UA-Informations-

modelle bzw. Adressräume für OPC-UA-Server mit

CAEX-Import und XML-Export

Kontaktieren Sie uns, um mehr darüber zu erfahren.

Wir bieten Ihnen diese Tools für Testzwecke an.

Überzeugen Sie sich selbst!

Auch Ihre Wünsche und Erweiterungen könnten einfließen!

ANWENDUNGEN, LTSTOOLS DIE SIE BRAUCHEN!

Fraunhofer IOSB

Abteilung Informationsmanagement und Leittechnik

Fraunhoferstr. 1

76131 Karlsruhe

http://mes.fraunhofer.de

http://klkblog.de

http://www.iosb.fraunhofer.de/ilt

Ansprechpartner

Dr. rer. pol. Ljiljana Stojanovic

Telefon +49 721 6091-287

Fax +49 721 6091-413

ljiljana.stojanovic@iosb.fraunhofer.de

KONTAKT

F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R O P T R O N I K ,

S Y S T E M T E C H N I K U N D B I L D A U S W E R T U N G I O S B

LTSTOOLS ANWENDUNGEN, DIE SIE BRAUCHEN!

In der Abteilung Informationsmanagement und Leittechnik

sind kundenspezifische Leitsysteme unsere Passion, Leitsysteme

im Einsatz in der Produktion unsere Stärke. Vor allem für den

Fahrzeugbau und die Zulieferer bieten wir Lösungen, die Sie

sonst nirgends kaufen können:

Agentenbasierte Leittechnik, Online-Simulation, Virtuelle

Inbetriebnahmen, spezielle OPC-Lösungen, realzeitfähige

Feinplanung, Energiemonitoring, etc.

Unsere Mitarbeiter entwickeln innovative MES-Komponenten und

realisieren leittechnische Gesamtlösungen für die (produzierende)

Industrie, die Sie bei keinem Systemhaus kaufen können.

Wir konzipieren und realisieren produktionsnahe IT-Systeme,

zugeschnitten auf den jeweiligen Kundenbedarf, erarbeiten

gemeinsam mit den Kunden die Software- und Hardware-

Architektur, implementieren leittechnische Komponenten und

betreuen die Kunden im laufenden Betrieb.

In der Gruppe Leitsysteme und Anlagenmodellierung beschäf-

tigen wir uns unter Anderem mit dem Leitsystem-Engineering,

Standard-Datenaustauschformaten, Schnittstellendefinition

und -implementierung, Plug&Work, Interoperabilität, virtueller

Leittechnik-Inbetriebnahme, durchgängigen Lösungen und

Modellen, Konformitätstests und dem Datenaustausch im

Allgemeinen.

Sprechen Sie uns an!

Wir helfen gerne!

PROFIL

U N S E R Z I E L I S T E S , D E N E N G I N E E R I N G P R O Z E S S

E F F I Z I E N T E R Z U G E S TA LT E N U N D D I E P R O Z E S S E

W Ä H R E N D D E S D A R A U F F O L G E N D E N B E T R I E B S Z U

V E R E I N F A C H E N U N D Z U V E R B E S S E R N .

auto.2011.0936.pdf

Th

is a

rticle

is p

rote

cte

d b

y G

erm

an

co

pyrig

ht la

w. Y

ou

may c

op

y a

nd

dis

tribu

te th

is a

rticle

for y

ou

r pers

on

al u

se o

nly

. Oth

er u

se is

on

ly a

llow

ed

with

writte

n p

erm

issio

n b

y th

e c

op

yrig

ht h

old

er.

at 7/2011

Methoden ���

Interoperabilität von ManufacturingExecution Systems (MES)Durchgängige Kommunikation in unterschiedlichen Dimensionen der Informationstechnikin produzierenden Unternehmen

Interoperability of Manufacturing Execution Systems (MES)

Consistent Communication in Various Dimensions of Manufacturing Related Information Technology

Miriam Schleipen, Ansgar Münnemann, Olaf Sauer, Fraunhofer IOSB Karlsruhe, BASF SE Ludwigshafen

Zusammenfassung Informationstechnik befähigt moderneProduktionssysteme dazu, sich entsprechend der Marktanfor-derungen zu wandeln, im Netzwerk zu arbeiten und in Echt-zeit Informationen auszutauschen. Die Integration vorhandenerund neuer IT-Systeme spielt dabei eine immer bedeutendereRolle, um Geschäftsprozesse durchgängig zu unterstützen.Basis dieser Integration sind Mechanismen zur Interoperabi-lität, von denen einige in diesem Heft vorgestellt werden.Die Autoren dieses Betrags beschreiben die Dimensionen der

Interoperabilität auf der Fertigungsleitebene. ��� Sum-mary Information technology enables modern productionsystems to react to requirements of the market, to operate inthe network and to exchange information in real-time. Inte-gration of existing and new IT systems is very important tocontinuously support business processes. This integration baseson mechanisms to interoperability described in this journal. Theauthors of this contribution describe the dimensions of inter-operability on MES level.

Schlagwörter Manufacturing Execution System (MES), vertikale Integration, horizontale Integration, digitale Fabrik,Informationsmodell, Automatisierung ��� Keywords Manufacturing Execution System (MES), vertical integration, horizontalintegration, Digital Factory, information model, automation

1 EinleitungInformationstechnik befähigt moderne Produktionssys-teme dazu, sich entsprechend der Marktanforderungenzu wandeln, im Netzwerk zu arbeiten und in EchtzeitInformationen auszutauschen [1]. Die Integration vor-handener und neuer IT-Systeme spielt dabei eine immerbedeutendere Rolle, um Geschäftsprozesse durchgängigzu unterstützen und Informationen entsprechend demInformationsbedürfnis der jeweiligen Arbeitsaufgabe be-reit zu stellen. Zur Integration zählen• die vertikale Systemintegration, z. B. von der Unter-

nehmensleitebene bis zur Fertigungsebene,

• die horizontale Integration zur durchgängigen Unter-stützung von Prozessen, z. B. auf der Fertigungslei-tebene, die heute auch als MES-Ebene bezeichnet wird(Bild 1) sowie

• die Integration über den Lebenszyklus einer Fabrikund deren Produktionsanlagen.

MES entwickeln sich zur Informations- und Daten-drehscheibe in den Fabriken und Werken der diskretenFertigung und der Prozessindustrie mit ihrer kontinuier-lichen oder Batch-orientierten Fertigung [3].

Die Manufacturing Enterprise Solutions Association(MESA) definiert ein MES als „prozessnah operie-

at – Automatisierungstechnik 59 (2011) 7 / DOI 10.1524/auto.2011.0936 © Oldenbourg Wissenschaftsverlag 413

Th

is a

rticle

is p

rote

cte

d b

y G

erm

an

co

pyrig

ht la

w. Y

ou

may c

op

y a

nd

dis

tribu

te th

is a

rticle

for y

ou

r pers

on

al u

se o

nly

. Oth

er u

se is

on

ly a

llow

ed

with

writte

n p

erm

issio

n b

y th

e c

op

yrig

ht h

old

er.

Methoden

Bild 1 Informationstechnische Ressourcen in den Hierarchiebenen der Fertigung [2].

rendes Fertigungsmanagementsystem.“ Im Unterschiedzu Enterprise Resource Planning (ERP) Systemensind MES direkt an die Fertigungsebene und derenAutomatisierungstechnik gekoppelt und können die Pro-duktion in Echtzeit steuern und kontrollieren. Nachder VDI-Richtlinie 5600 unterstützt ein MES zeitnahdie produktionsrelevanten Geschäftsprozesse eines Un-ternehmens [4].

Gemäß IEC 62264 [5] bzw. NA94 [6] umfassenMES Aufgaben/Funktionen in den Bereichen Produk-tion, Instandhaltung, Qualitätssicherung und Lager- bzw.Bestandsmanagement. Bei Standorten mit mehrern Pro-duktionsanlagen muss oftmals auch die Standortlogistikin Anwendungen der MES-Ebene mit berücksichtigt wer-den.

Bild 2 Beispiele für MES-Komponenten und -Anwendungen in der Prozessindustrie.

Die Vielzahl der unterschiedlichen Systeme undTechnologien auf der Fertigungsebene führt in derbetrieblichen Praxis zu der Forderung nach Datenaus-tausch und damit nach Schnittstellen zur MES-Ebene.MES-Systeme sind meist nur zur Unterstützung spe-zieller Aspekte der Produktion ausgelegt, so dass inproduzierenden Unternehmen heterogene System- undAnwendungslandschaften existieren. Ein Beispiel dafür istin Bild 2 dargestellt.

Letztendlich resultiert eine Vielzahl von unterschied-lichen Schnittstellen zur Zellen- und Fertigungsebene,in Richtung der Unternehmensleitebene, aber auchzwischen den verschiedenen MES-Komponenten und-Anwendungen, die benötigt werden, um die be-trieblichen Abläufe durchgängig abzubilden und das

414

Th

is a

rticle

is p

rote

cte

d b

y G

erm

an

co

pyrig

ht la

w. Y

ou

may c

op

y a

nd

dis

tribu

te th

is a

rticle

for y

ou

r pers

on

al u

se o

nly

. Oth

er u

se is

on

ly a

llow

ed

with

writte

n p

erm

issio

n b

y th

e c

op

yrig

ht h

old

er.

Interoperabilität von Manufacturing Execution Systems (MES) ���

Betriebspersonal bei ihrem kontinuierlichen Verbesse-rungsprozess zu unterstützen [7].

Aus der betrieblichen Praxis werden darum Forderun-gen nach interoperablen MES-Lösungen erhoben.

2 Trends und Anforderungen aus dem BetriebProduzierende Unternehmen stellen ihre Produkte unterRahmenbedingungen her, an denen sich die Gestaltungder Produktion orientieren muss. Dies sind unter ande-rem:• Hohe Marktdynamik und damit hohe Änderungsge-

schwindigkeit, z. B. bei Kundenaufträgen,• Zunehmende Produktdiversifikation und hohe Vari-

antenvielfalt,• Kurze Lieferzeiten und schnelle Reaktionen auf Kun-

denwünsche,• Steigende Anforderungen an Produkt- und Prozess-

qualität und deren Dokumentation,• Minimierung des Ressourcenverbrauchs, z. B. Energie-

und Rohstoffeffizienz,• Optimale Anlagenauslastung bzw. Skalierbarkeit von

Kapazitäten,• Zeitliche Engpässe von qualifiziertem Personal und

dessen effizienter Versorgung mit Informationen.Aus diesen gegebenen Bedingungen resultiert Bedarfan einer informationstechnischen Unterstützung, umdiesen Tendenzen wirtschaftlich folgen zu können. Letzt-endlich geht es darum, den Geschäftsprozess optimalzu unterstützen und dabei die Flexibilität mitzubrin-gen, sich auf ändernde Rahmenbedingungen schnellund einfach anpassen zu können. Derartigen Anforde-rungen kann heute nicht mehr mit dem klassischenAnsatz von ,Insellösungen‘ begegnet werden, da dadurchkein Gesamtoptimum erreicht werden kann. Gerade dasThema Durchgängigkeit und Aktualität von Informa-tionen wird damit eine wesentliche Anforderung fürMES-Anwendungen.

Dabei ist aufgrund der zunehmenden Abhängig-keiten zwischen früher eher getrennt ablaufendenTätigkeiten eine stetige Zunahme an Umfang und Ver-schiedenartigkeit der Informationen zu beobachten, die

Bild 3 Veränderung der Informationsarchitektur in der Fabrik (siehe [9]).

benötigt werden, um Arbeitsabläufe und Produktionund Logistik möglichst optimal aufeinander abzustim-men. So müssen z. B. neben Messwerten auch Labor-und Rohstoffchargeninformationen in eine durchgängigeProzessdokumentation für jeden Prozessschritt mitbe-rücksichtigt werden.

Für MES zeichnen sich folgende Entwicklungen ab [3],die die oben skizzierten Anforderungen aus der Praxisunterstreichen:1. MES-Systeme der Zukunft werden mit der unterlager-

ten Fertigungsebene vertikal integriert sein, und zwarso, dass Standard ,plug-and-work‘-Mechanismen dieseIntegration unterstützen.

2. Auf der MES-Ebene werden einzelne MES-Komponenten auch unterschiedlicher Hersteller ho-rizontal integriert sein, und zwar durch Instrumentewie Ontologien, einen Service-orientierten Aufbau unddurchgängiges Datenmanagement.

3. MES-Systeme werden zukünftig voll an Systeme derDigitalen Fabrik angekoppelt sein. Ziel ist unter ande-rem die permanente Planungsbereitschaft, d. h. sobaldsich Änderungen in der Produktion ergeben, werdendiese in sämtlichen beteiligten Systemen nachgeführt.

Um Interoperabilität in diesen drei Dimensionen mög-lichst umfassend zu beschreiben, sind folgende Fragen zubeantworten:1. Was wird kommuniziert? – Die zwischen MES-

Anwendungen bzw. zwischen den verschiedenenEbenen zu kommunizierenden Inhalten müssen struk-turiert werden. Ebenso muss die Bedeutung der Inhaltedefiniert sein.

2. Wie wird kommuniziert? – Die Kommunikationsme-chanismen müssen festgelegt werden. Dies umfasst denAblauf und die Methoden [8].

3 Einordnung von MES in die Architekturder industriellen Automatisierung

Bisher ging man von einem pyramidenähnlichen Aufbauder Informationstechnik in Produktionsunternehmenaus (siehe Bild 3). Der Aufbau der ,Automatisierungs-pyramide‘ resultierte ehemals aus der Menge und

415

Th

is a

rticle

is p

rote

cte

d b

y G

erm

an

co

pyrig

ht la

w. Y

ou

may c

op

y a

nd

dis

tribu

te th

is a

rticle

for y

ou

r pers

on

al u

se o

nly

. Oth

er u

se is

on

ly a

llow

ed

with

writte

n p

erm

issio

n b

y th

e c

op

yrig

ht h

old

er.

Methoden

Bild 4 Dimensionen und Aufgabenfelder von Interoperabilität.

dem Bedarf der anfallenden Informationen, sowiederen Zeitanforderungen auf den verschiedenen Ebe-nen, z. B. prozessorientierte Informationsverarbeitungin Echtzeit auf der Fertigungsebene, Batch-orientierteoder benutzerorientierte Informationsverarbeitung aufder Unternehmensleitebene. Aufgrund der zunehmen-den Durchdringung mit Informationstechnik auf allenHierarchieebenen der Fabrik kristallisiert sich heuteheraus, dass die Informationsströme über alle Ebenender Fabrik zunehmen und sich damit die Notwen-digkeit eines neuen ,Referenzmodells der industriellenInformationsarchitektur‘ [9] ergibt, das die drei Dimen-sionen vertikaler und horizontaler Integration sowie dieIntegration über den Lebenszyklus von Produktionsan-lagen abbilden muss. In Bezug auf die Befähigung vonMES zur durchgängigen Kommunikation in den dreigenannten Dimensionen ist ihre systematische Verknüp-fung mit Systemen der Digitalen Fabrik (DimensionLebenszyklus) und der Automatisierungstechnik auf derFeldebene (Dimension vertikale Integration) erforderlich,und zwar zwingend unter Nutzung ebenenübergreifenderSyntax und Semantik. Auch andere Autoren fordern dieseDurchgängigkeit, z. B. beim Engineering von MES [10].[11] beschreibt den Entwurf und die Implementierungvon MES Lösungen in der Prozessindustrie und gehtdabei auf Anforderungen und Umsetzungsmöglichkeitenein.

In den folgenden Abschnitten werden schlaglichtartigdie Dimensionen und Aufgabenfelder von Interoperabi-lität mit dem Fokus auf die MES-Ebene beleuchtet. Eineerste Übersicht gibt Bild 4.

3.1 Horizontale IntegrationAufgrund der arbeitsteiligen Organisation und der Cha-rakteristik der variantenreichen Produktion existieren inder Industrie für die verschiedenen MES-Aufgaben ei-genständige IT-Systeme. Diese Systeme arbeiten heutemeist ohne Datenaustausch und Verbindung zu anderenMES-Komponenten. Ziel produzierenden Unternehmenist es, die Einzelsysteme in den kommenden Jahrenmiteinander zu verbinden, um damit Synergiepotentiale

auszuschöpfen. Damit wird es möglich, Entscheidungen,die auf der Werkstattebene getroffen werden, transpa-rent und durchgängig zu unterstützen, z. B. um im Falleiner Maschinen-/Anlagenstörung die Auswirkungen aufsequenzgenau angelieferte Teile zu verdeutlichen.

Haupttreiber für neue, integrierte Software-Lösungensind die steigende Anzahl neuer Produkte, deren kür-zere Entwicklungs-, Anlauf- und Lebenszyklen sowie dieEntwicklungsgeschwindigkeit ,intelligenter‘ Komponen-ten der Automatisierungstechnik. IT-Systeme leben meistlänger als die Produkte und müssen darum flexibler wer-den.

Allerdings ist mit den heute im Betrieb eingesetztenSoftware-Technologien eine wirkliche horizontale In-tegration vorhandener Systeme kaum machbar. Heuteerfolgt die Integration meist über große Datenbanken,die ein gemeinsames Datenmodell erfordern. Speziell die-jenigen Anwendungen, die Echtzeit-Datenverarbeitungerfordern, lassen sich damit aufgrund der mangelndenPerformanz nicht integrieren. Die Integrationsansätzeüber ein gemeinsames Datenmodell und eine Daten-bank sind zu unflexibel gegenüber Änderungen oderErweiterungen. Spätestens, wenn eine neue Anwendungeingefügt werden soll, stößt die Lösung über ein gemein-sames Datenmodell an seine Grenzen. Andererseits ist esnicht absehbar, dass es einen Lieferanten oder ein Sys-temhaus geben wird, dass sämtliche MES-Komponentenintegriert aus einer Hand anbieten kann. Darum müssenzur Integration der MES-Komponenten zu einer durch-gängigen Datenverarbeitung andere technische Lösungengefunden werden. [12] beschreibt Defizite und Heraus-forderungen bei der Einführung und beim Einsatz vonMES, denen durch eine solche durchgängige Lösung be-gegnet werden könnte.

Softwaresysteme müssen zukünftig Mechanismen be-reitstellen, die Wissen auf semantischem Niveau über diezu kommunizierenden Inhalte haben.

3.2 Vertikale Integration zwischen MESund Fertigungsebene

Die Integration zwischen der Unternehmensleitebeneund MES sehen die Autoren als weitgehend gelöstan; darum konzentieren wir uns im folgenden aufdie vertikale Integration zwischen MES und der Fer-tigungsebene. Dazu sind standardisierbare Methoden,Softwarekomponenten und Anwendungen erforderlich,mittels derer Produktionsanlagen und deren Komponen-ten, z. B. Feldgeräte, einfach, schnell und sicher in einProduktionssystem integriert werden können, bzw. Ände-rungen an Anlagen und deren Steuerungen automatischin die überlagerte IT propagiert werden [13].

Darüber hinaus werden Produktionssysteme laufendangepasst, weil sich Änderungen an den Produkten er-geben, Kapazitäten aufgrund schwankender Bedarfe neujustiert werden müssen oder rationellere Fertigungs-technologien eingesetzt werden. In der Praxis führenÄnderungen an Produktionsanlagen nicht nur zum

416

Th

is a

rticle

is p

rote

cte

d b

y G

erm

an

co

pyrig

ht la

w. Y

ou

may c

op

y a

nd

dis

tribu

te th

is a

rticle

for y

ou

r pers

on

al u

se o

nly

. Oth

er u

se is

on

ly a

llow

ed

with

writte

n p

erm

issio

n b

y th

e c

op

yrig

ht h

old

er.

Interoperabilität von Manufacturing Execution Systems (MES) ���

räumlichen ,Verschieben‘ von Anlagen innerhalb ei-nes Werkes, sondern vor allem zu Anpassungen ander steuernden Software von Maschinen und Anlagen,z. B. speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPSen),sowie an der Informationstechnik, die den unmittelbarenAnlagensteuerungen überlagert ist. CIRP, die führendeinternationale Organisation produktionstechnischer Wis-senschaftler, bezeichnet diese Fähigkeit zur permanentenÄnderung als zukünftigen strategischen Wettbewerbsvor-teil von Fabriken und Produktionssystemen [14]. Dazusind „plug-and-work“-Mechanismen erforderlich, z. B.um die automatische Erkennung von Anlagen und Feld-geräten im übergeordneten MES-System zu ermöglichen.

Feldgeräte werden durch Fortschritte bei eingebettetenSystemen immer „intelligenter“. Hierdurch können Auf-gaben, die vorher in einer zentralen Steuerung ausgeführtwurden, nun durch die Feldgeräte selbst übernom-men werden. Hierzu gehören beispielsweise neben einerIEC-61131 Steuerungsfunktion auch SQL-Clients, mitderen Hilfe ein Feldgerät selbständig in der Lage ist,Auftrags- oder Maschinendaten mit einer Datenbank inder Fertigungs- oder Unternehmensleitebene auszutau-schen.

Das führt zum Einen zu einer verteilten Prozessdaten-verarbeitung, die in der Anwendung die Systemkomplexi-tät deutlich erhöht. Auch lassen sich die so entstehendenGeräte nicht mehr eindeutig den klassischen Ebenen derAutomatisierungspyramide (Bild 3) zuordnen. Zum An-deren erlauben diese intelligenten Feldgeräte modulareAufbaukonzepte von Maschinen und Anlagen.

Der ebenenübergreifende Informationsaustausch setzteine entsprechende physikalische Kommunikationsarchi-tektur voraus. Die heutige Situation ist geprägt vonvielen drahtgebundenen und drahtlosen Kommunika-tionssystemen. Häufig kommen aufgrund funktionalerAnforderungen mehrere Feldbussysteme gleichzeitig ineiner Produktionsanlage zum Einsatz. Der Übergang voneinem Kommunikationssystem zum anderen macht Ga-teways erforderlich, die entsprechend konfiguriert werdenmüssen. So entsteht schon auf der Kommunikationsebeneein heterogenes Teilsystem ohne die erforderliche Fä-higkeit zur Interoperabilität. Echtzeit-Ethernet als zweiteGeneration der industriellen Kommunikation ermöglichtdie Fortsetzung des in den Bürobereichen ohnehin ver-wendeten Ethernet bis in die Feldebene und schafft damiterstmals eine durchgängige physikalische Kommunikati-onsstruktur. Echtzeit-Ethernet ist damit ein „Befähiger“für flexiblen und durchgängigen Datenaustausch [13].

3.3 Integration im LebenszyklusDie Grundlagen der Digitalen Fabrik werden in derVDI-Richtlinie VDI 4499 [15] definiert. Das Blatt 2 derRichtlinie [16] befasst sich mit der Anwendung derDigitalen Fabrik im Anlauf und im laufenden Produk-tionsbetrieb – dem Digitalen Fabrikbetrieb. Der DigitaleFabrikbetrieb bezeichnet „die Nutzung und das Zusam-menwirken von Methoden, Modellen und Werkzeugen

der Digitalen Fabrik, die bei der Inbetriebnahme ein-zelner Anlagen, dem Anlauf mehrerer Anlagen und derDurchführung realer Produktionsprozesse eingesetzt wer-den. Ziele sind die Absicherung und Verkürzung desAnlaufs sowie die betriebsbegleitende und kontinuier-liche Verbesserung der Serienproduktion. Dazu wirddas dynamische Verhalten einzelner Produktionsanla-gen und komplexer Produktionssysteme und -prozesseeinschließlich der Informations- und Steuerungstechnikrealitätsnah abgebildet. Virtuelle und reale Komponen-ten können dabei miteinander gekoppelt sein [16].“ DieDigitale Fabrik kann genutzt werden, um IT-Systeme aufMES-Ebene mit Hilfe von Daten aus der Digitalen Fabrikzu konfigurieren. Ein Beispiel hierzu findet sich in [17].

Zur Verdeutlichung, welche Daten und Informationenim Lebenszyklus ausgetauscht werden müssen, sind imfolgenden beispielhaft einige Aufgaben zur Projektierungeines MES-Systems aufgeführt (siehe dazu auch [18]):• Physikalische Verknüpfungselemente, z. B. OPC-

Server oder Bedienstationen konfigurieren,• Zuordnung der physikalischen Verknüpfungselemente

zur Topographie, z. B. zum Beispiel Fertigungslinien,• einzelne Anlagentypen und daraus abgeleitete Anla-

genkomponenten konfigurieren aus Topologieinfor-mationen,

• Struktur der einzelnen Anlagentypen und -kompo-nenten konfigurieren, beispielsweise verschiedeneaggregierte Signale und ihre Bedeutung,

• Verknüpfung der physikalischen Prozesssignale mitder Struktur der Anlagen,

• Zuordnung der Anlagen zu physikalischen Verknüp-fungspunkten,

• Verknüpfen der statischen Bedienelemente mit den zurVerfügung stehenden realen Signalen,

• Erstellen der statischen Bildelemente zur Visua-lisierung, unter Beachtung der Topographie undTopologie.

In der Praxis werden die Ergebnisse aus einzelnen Pla-nungsphasen in Papierform oder als digitales Dokument(Excel, Word, XML) übergeben. Die Informationen müs-sen manuell in die jeweiligen Zielsysteme eingepflegtwerden. Ingenieure entdecken dabei auftretende Miss-verständnisse oder Fehler nur aufgrund von Wissen undErfahrung [18].

4 Beispiele für Lösungen zur Interoperabilitätin den drei Dimensionen

4.1 Lösungen zur KommunikationEin durchgängiger flexibler Datenaustausch zwischen Fel-debene und MES (siehe auch [19]) ist die Basis für einedurchgängige Kommunikation. Beispiele für den Standder Technik sind folgende Realisierungen:

OPC ist einer der Kommunikationsstandards inder Automatisierungstechnik. 2006 stellte die OPC-Foundation die Unified Architecture vor [20]. Diedort enthaltenen ,UA-Base-Services‘ als abstrakte Me-

417

Th

is a

rticle

is p

rote

cte

d b

y G

erm

an

co

pyrig

ht la

w. Y

ou

may c

op

y a

nd

dis

tribu

te th

is a

rticle

for y

ou

r pers

on

al u

se o

nly

. Oth

er u

se is

on

ly a

llow

ed

with

writte

n p

erm

issio

n b

y th

e c

op

yrig

ht h

old

er.

Methoden

thodenbeschreibungen sind die Basis für die gesamteOPC-UA-Funktionalität und protokollunabhängig. Dieüberlagerte Transportschicht setzt diese Methoden inein Protokoll um. Darauf aufbauend hat jeder Anwen-der die Möglichkeit, sein eigenes Informationsmodell zudefinieren und herstellerspezifische Informationen hinzuzu fügen. Die OPC-Unified Architecture (OPC-UA) istein Standard, der die Kommunikation in der Fabrikstrukturiert mit einem unterlagerten Informationsmo-dell unterstützt. Das voll-vernetzte Informationsmodellermöglicht es Benutzern, eine Repräsentation ihrerAnlagenkomponenten und Datenobjekte unter Zuhilfe-nahme objektorientierter Modellierungsparadigmen zurepräsentieren. Dies ermöglicht ein breiteres Einsatz-spektrum nicht nur auf Feldebene, sondern bis zuMES oder ERP-Systemen. OPC-UA unterstützt darüberhinaus asynchrone und verteilte Kommunikation, be-rücksichtigt aber auch Sicherheit, Zuverlässigkeit undRedundanz und stellt dafür geeignete Funktionalitätenbereit. In [21] wird auf die Möglichkeit zu verteiltenMES-Funktionalitäten ebenso eingegangen wie auf dieVerwendung von OPC-UA zur vertikalen Integrationzwischen MES und Unternehmensebene.

OPC-UA zur automatisierten Projektierungvon Leitsystemen sowie zur Kopplungvon Fertigungsleit- und Feldebene„Die Inbetriebnahme eines Prozesses gehört zu denkritischsten Momenten in seinem Lebenszyklus“ [22].Eine Effizienzverbesserung in dieser Phase wird durchadaptive Komponenten und flexible, schnell umkon-figurierbare Systeme erreicht. Das Schlagwort hierfürlautet ,Konfigurieren statt Programmieren‘. Die Auto-ren schlagen hier zur automatisierten Projektierung vonLeitsystemen OPC-UA vor, da viele der beteiligten Sys-teme bereits heute eine solche Schnittstelle bereit stellen.Auf Grund von „plug-and-work“-Mechanismen entfälltein großer Teil der zuvor manuellen und aufwändigenProjektierungs- und Engineeringtätigkeiten oder kann infrühere Phasen vorverlagert werden. Dies beginnt mit derMöglichkeit zur schnellen Umkonfiguration und einemso genannten Online-Engineering (siehe [23]). Weiterhingibt es verschiedene Ansätze zur automatisierten Pro-jektierung bzw. zur Selbstkonfiguration von MES, diein [24] schlaglichtartig dargestellt werden. Aus einer Ver-fügbarkeit und Verwendbarkeit der Informationen für dieMES-Ebene lassen sich aber auch weitere Möglichkeitenfür überlagerte ERP-Systeme ableiten (siehe dazu [25]).Dies führt zu einer neuen Möglichkeit der Integrationvon ERP, MES und Feldebene (siehe [26]).

An das zu entwickelnde Kommunikationskonzept wer-den zahlreiche Anforderungen gestellt. Es soll, da eseinschneidende Veränderungen in Systemen der MES-Ebene mit sich bringt, zukunftsorientiert sein. Es mussmodular und erweiterbar gestaltbar sein, um nach undnach immer mehr Inhalte integrieren zu können. Wirddabei ein Kommunikationsstandard zum Austausch der

Projektierungsinhalte verwendet, soll dieser Standardim Idealfall auch zur Onlinekommunikation der Pro-zesssignale verwendet werden können. Also sollte auchdie Kommunikation auf Prozessebene integrierbar sein.Auf Grund der zahlreichen Datenquellen und aktuel-len IT-Infrastrukturen bei Anlagenbetreibern muss diekomplette Anwendung auf unterschiedliche Rechner oderNetze verteilt ablaufen können. Und obwohl es sich beider Projektierung solcher Systeme normalerweise umoffline ausgetauschte Inhalte handelt, muss zur automa-tisierten Projektierung die Kommunikation der Datenonline vonstattengehen. Deshalb sollte das Datenvolu-men für alle benötigten Mechanismen möglichst geringgehalten werden und die Kommunikation möglichst ef-fizient ablaufen [27; 28].

OPC-UA zur Online-Kommunikation von Datenzwischen Steuerungs- und LeitebeneAufgrund der hohen Änderungsdynamik, die zu häufigenUmplanungen in der Produktion führt, ist die Aktuali-tät von Konfigurationsdaten eine Herausforderung fürMES. MES müssen für eine fehlerfreie Funktionsweiseihre Umwelt kennen. Die Umwelt bezeichnet in diesemZusammenhang unter Anderem die zu überwachendeAnlage mit ihren Signalen und deren Bedeutung, dieinternen Zusammenhänge zwischen einzelnen Anlagen-komponenten und ihren grafischen Repräsentationen.Um dieses ,Weltmodell‘ aufzubauen, eignet sich OPC-UA. Wie oben beschrieben, stellt sie die moderneKommunikationsschnittstelle zwischen MES und der un-terlagerten Produktion dar. Sie ermöglicht es MES, dieempfangenen und versendeten Daten in eine objekt-orientierte Abbildung der realen Welt einzubetten. DieseAbbildung wird durch sogenannte Informationsmodelleim OPC-UA-Server ermöglicht. Dieses Informations-modell muss bei Neuplanungen angelegt und beiUmplanungen angepasst werden, damit im späterenBetrieb entsprechende Signale aus dem Produktions-prozess korrekt zugeordnet, erkannt und interpretiertwerden können. Der Aufbau eines solchen Informati-onsmodells kann je nach Umfang der zu überwachendenund anzusteuernden Produktionsanlage aufwändig seinund durch geeignete Software-Assistenz unterstützt wer-den [29]. Ein Kommunikationskonzept allein reicht füreine automatisierte Projektierung aber nicht aus. Esmuss mit geeigneten Modellen bzw. Beschreibungsmit-teln kombiniert werden, um die Inhalte auch semantischfestzulegen.

4.2 Lösungen zu kommunizierten InhaltenIm Umfeld von MES gibt es einige Normen und Stan-dards, die auch die zu kommunizierenden Inhaltenbeschreiben.

Der ZVEI (Zentralverband Elektrotechnik und Elek-tronikindustrie) stellt mit der Broschüre ,MES –Branchenspezifische Anforderungen und herstellerneu-trale Beschreibung von Lösungen‘ [30] eine Übersicht

418

Th

is a

rticle

is p

rote

cte

d b

y G

erm

an

co

pyrig

ht la

w. Y

ou

may c

op

y a

nd

dis

tribu

te th

is a

rticle

for y

ou

r pers

on

al u

se o

nly

. Oth

er u

se is

on

ly a

llow

ed

with

writte

n p

erm

issio

n b

y th

e c

op

yrig

ht h

old

er.

Interoperabilität von Manufacturing Execution Systems (MES) ���

über am Markt verfügbare oder realisierbare Lösungenim Bereich MES zur Verfügung.

Die ISA95 bzw. IEC 62264 [5] befasst sich mit derIntegration von ERP-, MES- und Steuerungsebene. Teil 1beschreibt dabei Modelle und Terminologien, Teil 2 be-fasst sich mit den Objektmodellattributen und Teil 3beschäftigt sich mit dem Management von Fertigungs-prozessen. Das in der ISA95 beschriebene Datenmodellexistiert auch in einer XML-spezifischen Repräsentationals B2MML. Für einige MES-Funktionalitäten stellt esfür den Stammdatenhaushalt eine geeignete Form derBeschreibung dar (siehe auch [31]), allerdings ist diesefür komplette Konfigurationen von MES nicht detail-liert genug und deckt nicht alle notwendigen Bereicheab. Zusätzlich besteht ein Anwendungsspielraum für je-den Benutzer, der ein einheitliches Verständnis und dieeinheitliche Verwendung erschwert.

Die Namur (Interessengemeinschaft Automatisie-rungstechnik der Prozessindustrie) stellt Empfehlungenzum Thema MES bereit. Die Namur-EmpfehlungNE33 [32] vereinheitlicht Begriffe und Konzepte be-züglich der Rezeptfahrweise aus ISA88 bzw. IEC61512.Das Namur-Arbeitsblatt NA 94 [6] baut auf der ISA95bzw. der IEC62264 und der NE59 auf und defi-niert ein Datenmodell, in dem Funktionen eines MESin der Prozessindustrie und zugehörige Informations-flüsse modelliert werden, um produktionstechnischeund logistische Abläufe zu unterstützen. Das Namur-Arbeitsblatt NA 110 [33] versucht den Einsatz von MESin der Praxis durch Funktionen, die realisiert werden soll-ten, zu erleichtern.

Über die Richtlinien und Empfehlungen von Ver-bänden hinaus existieren einige Konsortialstandards,die spezifisch für bestimmte Industriezweige entwickeltwurden. Dies sind beispielsweise PackML aus der Ver-packungsindustrie, die SECS/GEM-Standards aus derHalbleiterindustrie oder die Weihenstephaner Standardsfür Getränkemittelabfüllanlagen.

Die einfachste Form der zu kommunizierenden In-halte stellen in der Prozessindustrie die Messwert-, Status-und Parameterinformationen aus Prozessleit- und Steue-rungsebene dar. Für diese Basis-Kommunikation habensich Standards wie OPC DA, AE und HDA etabliert, auchwenn diese in manchen Produkten nur unzureichendumgesetzt sind. Auch hier gewinnen Interpretierbarkeitund Meta-Information zunehmend an Bedeutung, damitdie korrekte Weiterverarbeitung dieser Basisinformatio-nen möglichst automatisiert erfolgen kann, was mit dereinfachen Semantik eines OPC nur sehr umständlichmöglich ist. Beispielsweise werde heute in vielen Fir-men Werkzeuge zur Überwachung der Basisregelkreiseim Prozessleitsystem eingesetzt. Da in einer üblichenprozesstechnischen Anlage schnell mehrere 100 Regel-kreise konfiguriert sind, gestaltet sich eine manuelleKonfiguration der Reglerüberwachung als sehr aufwän-dig. Daher setzt man hier heute nach Möglichkeitauf Automatismen zur Übernahme der notwendigen

Konfigurationsinformationen aus dem Prozessleitsys-tem.

Bei Batch-Automatisierungssystemen ist die Über-nahme von Batchinformationen für Auswertungen undProduktionsmengenrückmeldungen oder umgekehrt dieVorgabe einer Batch-Folge aus einem Produktions-feinplanungstool eine oft notwendig umzusetzendeSchnittstellenaufgabe, die bis heute auf keine einheitli-chen Semantiken zurückgreifen kann. Mit der BatchMLstehen zwar prinzipielle Datenelemente zur Beschreibungvon Batchinformationen zur Verfügung, eine Konkreti-sierung der Interaktionsformen und Beschränkung derBeliebigkeit sind aber erforderlich, um zu einer echtenInteroperabilität zu gelangen. Hier versucht aktuell dieNAMUR eine Batch-Schnittstellenspezifikation zu eta-blieren.

Zur Spezifikation von MES gibt es aber auch gra-phische Ansätze mittels Business process model andnotation und UML (siehe [34]). Der Ansatz eines En-gineerings auf Basis von Modellen wurde auch in denForschungsprojekten MODALE [35], FÖDERAL [36], so-wie AUTEG [37] und PABADIS [38] verfolgt.

Ontologien als Basiselemente einer MES-SemantikBei der Produktion industrieller Güter sind viele Soft-waresysteme im Einsatz, die miteinander über festdefinierte Schnittstellen interagieren. Dabei kennen zweikommunizierende Softwaresysteme zwar die jeweiligenDatenformate, nicht aber deren Bedeutung. Gleichzeitigwachsen die Menge der interagierenden Softwaresystemeund die Anzahl der Kommunikationswege zwischen ih-nen.

Softwaresysteme müssen nicht nur fest definierte Da-tenschnittstellen anbieten, vielmehr müssen sie zukünftigMechanismen bereitstellen, die semantisches Wissen überdie zu kommunizierenden Inhalte besitzen.

Dazu können die Struktur der zu übertragendenInformationen sowie eine semantische Interpretationder syntaktischen Definitionen separat in einer On-tologie definiert werden. Damit ist für zwei beliebigeSoftwaresysteme, die auf Basis der gleichen Ontologiekommunizieren, die Bedeutung der Kommunikations-inhalte eindeutig [39]. Beispiele für den Einsatz vonOntologien bzw. semantischen Technologien finden sichin [40–44].

Vorschlag einer MES-OntologieMES-Systeme sind auf die Kopplung mit den Maschinenund Anlagen in der Fertigung und Montage angewie-sen. Ohne diese Kopplung sind die MES-spezifischenAufgaben nicht oder nur unzureichend auszuführen.Vor allem der Aspekt der Echtzeit-Fähigkeit ist ohnedie Kopplung zwischen MES und Anlagen nicht zurealisieren. Aufgrund der Heterogenität des Maschinen-parks in der produzierenden Industrie ist diese Kopplungzwischen Maschinen und MES-Systemen in nahezu je-dem Anwendungsfall unterschiedlich und darum für

419

Th

is a

rticle

is p

rote

cte

d b

y G

erm

an

co

pyrig

ht la

w. Y

ou

may c

op

y a

nd

dis

tribu

te th

is a

rticle

for y

ou

r pers

on

al u

se o

nly

. Oth

er u

se is

on

ly a

llow

ed

with

writte

n p

erm

issio

n b

y th

e c

op

yrig

ht h

old

er.

Methoden

MES-Lieferanten, Systemintegratoren oder die Anlagen-betreiber mit manuellem Aufwand verbunden. Dabeireicht es nicht aus, lediglich Daten zu kommunizierenund den Kommunikationskanal, z. B. über OPC (sieheoben), zu beschreiben. Die Autoren schlagen darum alsBasis der standardisierten Beschreibung auszutauschen-der Daten zwischen Maschinen und MES eine Ontologievor, wie sie im Blatt 3 der VDI-Richtlinie 5600 [45]erarbeitet wurde. Ähnliche Ansätze gibt es für die Gebäu-deautomatisierung (siehe [46; 47]). Die Basiskonstruktedieser Ontologie sind im Folgenden kurz beschrieben.1. Produkt: Ein Produkt kann hierarchisch aufgebaut

sein und muss kein Endprodukt sein. Dazu gehörenWerkstücke, Baugruppen, Halbfabrikate, Rohmaterial,Rohstoffe, etc. Zu einem Produkt gehören Test-/Prüf-ergebnisse, Dokumentation, Beschreibungsdaten, etc.Diese Definition ähnelt der in der ISA95 enthaltenenProductDefinition, sowie der Definition von Produk-ten nach [48] und [49].

2. Produktionsauftrag: Ein Produktionsauftrag ist hierdefiniert als Fertigungsauftrag.

3. Prozess: Dieser Datenpunkt beschreibt Produktions-prozesse inklusive aller Teilprozesse. Dazu gehörenProzessparameter, der Prozessablauf, Prozessplanung,etc. Diese Definition ähnelt dem ProductionSchedulein der ISA95, sowie der Definition von Prozessenin [49].

4. Ressourcen: Dieser Datenpunkt beschreibt produzie-rende Ressourcen. Dazu gehören Anlagen, Roboter,Maschinen, etc., sowie deren Zustand, Vorrichtungen,mögliche Meldungen, etc. Dies sind Entitäten für dieProduktion. Die Definition ähnelt dem Equipment inder ISA95 und den Ressourcen in [49].

5. Zeitsynchronisation: Dieser Datenpunkt ist erforder-lich, um die Zeit des MES mit derjenigen der Maschineabzugleichen. Ein Beispiel hierfür wäre die Zeitsyn-chronisierung mit der SPS.

6. Allgemeiner Datenpunkt: Dies sind alle unabhängi-gen, aber dennoch erfassten Werte und Parameter, wieUmgebungs- und Umweltbedingungen mit Luftanaly-sewert, Luftfeuchtigkeit, Schadstoff, Umgebungstem-peratur, etc. Vorgesehen sind sie für Daten, die in denspeziellen Strukturen nicht vorhanden sind.

Parallel zur Definition der Schnittstelle wurde auchdie Integration bestehender Standards bedacht. Da dieSchnittstellenbeschreibung sich in Konzepten der On-tologie widerspiegelt, können bestehende Standards alsIndividuen/Instanzen der Konzepte auf sie abgebildetwerden. In einer ersten beispielhaften Abbildung wurdedie Schnittstelle auf die Spezifikation AQDEF (Au-tomotive Quality Data Exchange Format) abgebildet.Dazu werden die Elemente einer bestimmten Schnitt-stelle mit einem eigens dafür entwickelten Werkzeugimportiert. Die einzelnen Elemente werden zu In-dividuen vom Typ OWLThing (allgemeiner Typ inOWL-Ontologien). Mit Hilfe einer einfachen grafischenOberfläche können diese Individuen zu den Kon-

zepten der MES-Ontologie zugeordnet werden. Wirddieses Mapping durchgeführt, werden die Individuenvon Konzepten des entsprechenden Typs abgelei-tet [50].

AutomationMLTM

AutomationMLTM [51] als durchgängiges Datenaus-tauschformat in der Anlagenplanung modelliert ver-schiedene Aspekte des Anlagen-Engineerings: Anlagen-hierarchie, Geometrie, Kinematik, Ablaufplanung undVerhalten. Diese Daten entstehen aktuell in unter-schiedlichen Software-Werkzeugen und können dahernur schwer vereinheitlicht werden. Die Topologie vonAnlagen-Objekten und deren Beziehungen untereinan-der werden dabei mittels des Formats Computer AidedEngineering Exchange (CAEX) [52] beschrieben. Zur Un-terstützung von Geometrie und Kinematiken integriertAutomationMLTM zusätzlich das Format „COLLAbo-rative Design Activity“ (COLLADA) [53], Logik undVerhalten werden mittels PLCOpenXML [54] beschrie-ben. Diese Architektur ebnet den Weg zur Integrationweiterer relevanter Inhalte mittels zusätzlicher XML-basierter Datenaustauschformate.

Das Dachdatenformat CAEX ist dabei vergleichbar mitOntologien. Es existieren Typen oder Konzepte als sog.SystemUnitClass. Instanzen sind in der InstanceHierar-chy als InternalElements hinterlegt und die semantischeBedeutung der Elemente erfolgt durch die Zuordnungvon RoleClasses. Über InterfaceClasses werden mögli-che typisierte Schnittstellen definiert. Diese dienen zurVerknüpfung der einzelnen Objekte untereinander. Da-rüber hinaus existieren zahlreiche mögliche Relationenzwischen den Elementen. CAEX wurde zum Austauschvon Anlagenplanungsdaten entwickelt, und es gibt ver-schiedene Einsatzbeispiele, die zeigen, dass CAEX dabeiauch für die Leittechnik- und MES-Ebene geeignet ist,z. B. [55].

AutomationMLTM definiert nun zusätzlich zu denin CAEX definierten Basistechniken neue Konzepte,die gerade für MES essentiell sind. So können bei-spielsweise verschiedene Sichten auf das Datenmodellüber das ,Facetten-Konzept‘ definiert werden. Ebensogibt es die Möglichkeit zusammengehörige Schnitt-stellen zu ,Ports‘ zusammenzufassen. Die elementarsteFestlegung für MES ist aber die Unterteilung allerObjekte in Prozesse, Ressourcen und Produkte. Diesist eine bereits aus verschiedenen etablierten Syste-men und Normen bekannte Dreiteilung (siehe [56]).Auch die Beschreibung mechatronischer Objekte undKomponenten (siehe [57]) ist eines der aktuellenThemen in AutomationMLTM. [58] beschreibt die An-wendungsvorschriften der verschiedenen Unterformatevon AutomationMLTM und Bibliotheken zur Beschrei-bung von mechatronischen Einheiten.

Gleichzeitig mit der Definition eines solchen Datenfor-mats bzw. Modells steht und fällt dessen Anwendbarkeitmit der Qualität der darin erstellten Modellierungen,

420

Th

is a

rticle

is p

rote

cte

d b

y G

erm

an

co

pyrig

ht la

w. Y

ou

may c

op

y a

nd

dis

tribu

te th

is a

rticle

for y

ou

r pers

on

al u

se o

nly

. Oth

er u

se is

on

ly a

llow

ed

with

writte

n p

erm

issio

n b

y th

e c

op

yrig

ht h

old

er.

Interoperabilität von Manufacturing Execution Systems (MES) ���

Bild 5 Semantikcheck.

also konkret formulierten Anlagenplanungsdaten. Diesbetrifft nicht nur AutomationMLTM, sondern auch an-dere Standards wie die PLCOpen (siehe [59]).

Um die Qualität dieser Modelle zu prüfen, ist zumeinen die Einhaltung der vorgegebenen Syntax elementar.Diese ist relativ leicht mit gängigen Mitteln abzuprüfen,da es sich um XML-basierte Formate mit zu Grunde lie-genden XML-Schemata handelt. Schwierig wird es bei derEinhaltung der korrekten Semantik oder in den textu-ellen Spezifikationen von AutomationMLTM festgelegtenZusatzbedingungen und -einschränkungen. Dort kanneine Formalisierung dieser Einschränkungen unter Zu-hilfenahme von UML (Unified Modelling Language) undOCL (Object Constraint Language) (Bild 5) dies leis-ten [60].

Mit den in diesem Kapitel beschriebenen Konstrukten,Technologien und Mechanismen sind wichtige Grundla-gen zur Interoperabilität auf der MES-Ebene gelegt.

5 Mensch-Maschine-Schnittstellefür interoperable MES

Interoperabilität geht einher mit der Interaktion ver-schiedener Systeme und deren Anwender. Die „Automa-tisierungstechnik ist eine interdisziplinäre Drehscheibezwischen Produktions- und Prozessverantwortlichen(Anwendern), Geräte- und Systemherstellern (Zuliefe-rern) und den Kompetenzlieferanten unter anderemaus Elektrotechnik, Maschinenbau, ...“ [61]. Gleichzei-tig steht die Automation 2020 laut VDI für „Technik mitdem Menschen für den Menschen“ [61]. Die beteiligtenPersonen müssen also bei der Integration und damit ein-hergehenden Mechanismen und Systemen berücksichtigtwerden (Stichwort Gewerkedurchgängigkeit, siehe [62]).Dies spielt sowohl im Betrieb (online) als auch in derPlanung (offline) eine Rolle.

5.1 Online-KomponentenDie Prozessvisualisierung ist der Teil der interaktiven –und damit für den Benutzer sichtbaren – Software-komponenten eines MES. Diese Softwarekomponentedient als Schnittstelle zwischen Mensch und Produkti-onsprozesses. Jedes Visualisierungsbild zeigt dabei einenanderen Produktionsschritt oder eine spezielle Sicht derProduktionsdaten. Die Prozessvisualisierung ermöglichtaußerdem manuelle Eingriffe in den Prozess.

Aktuell verfolgen Forschungsprojekte dazu folgendeZiele:• Die Prozessvisualisierung soll automatisiert generiert

werden, dabei werden bereits vorhandene Infor-mationen mittels semantischer Relationen geeignetverknüpft.

• Die Qualität der Visualisierungslösung soll gesteigertwerden. Dies soll mit der Bereitstellung verschiedenerSichten auf das System und die Anwendung erfolgen.

Zu diesem Zweck müssen neue Interaktionstechnologienentwickelt und eine ganzheitliche Gestaltung des Arbeits-platzes umgesetzt werden (siehe [63]).

Dazu gibt es einige Arbeiten in Forschung und In-dustrie, zum Beispiel zur Generierung von HMI oderwebbasierten Visualisierung, siehe [64–66].

Die Autoren verfolgen den Ansatz, Prozessführungs-bilder automatisch aus bereits vorhandenen Informatio-nen zu erstellen [67]. Diese werden in AutomationMLTM

fusioniert, in verschiedenen Schritten weiterverarbeitet,unterschiedliche Sichten werden erstellt und schließlichwerden die Daten für verschiedene Visualisierungs-systeme spezifisch aufbereitet und in die Zielformategebracht.

Fusion. Im Fusionsschritt müssen die bestehenden Dateninterpretiert und semantisch verknüpft werden. Dies kön-nen 3D-Geometrien sein, aber auch das 2D-Hallenlayout,sowie eine Komponentenstruktur der zu projektieren-den Anlage. Herausforderung dabei ist, das Datenmodellso zu gestalten, dass alle betrachteten Ausgangsdatenin einem Modell fusioniert und mit Semantik belegtwerden können, so dass es auch im Nachhinein mög-lich ist, weitere Ausgangsdatenformate einzubinden. DieÜbernahme bereits bestehender Daten reduziert den ma-nuellen und fehleranfälligen Engineeringaufwand undsteigert die Qualität der Ergebnisse.

Sichten. Aus den fusionierten Daten werden verschie-dene Sichten erstellt, um die Prozessführung effizienterzu gestalten. Ein Hauptaugenmerk bei der Verarbeitungder Daten liegt auf der Aufbereitung bzw. Abstraktionder 3D-Daten für 2D-Bilder in der Visualisierung. DerBenutzer kann konfigurieren, wie Sichten und Bilder ge-neriert werden sollen. Er bestimmt Darstellungen undBildaufbau und konfiguriert so seine persönliche Sicht.

Export. Schließlich werden die allgemein erstellten undverarbeiteten Daten für verschiedene Visualisierungssys-teme aufbereitet. Für jedes Visualisierungssystem muss

421

Th

is a

rticle

is p

rote

cte

d b

y G

erm

an

co

pyrig

ht la

w. Y

ou

may c

op

y a

nd

dis

tribu

te th

is a

rticle

for y

ou

r pers

on

al u

se o

nly

. Oth

er u

se is

on

ly a

llow

ed

with

writte

n p

erm

issio

n b

y th

e c

op

yrig

ht h

old

er.

Methoden

entsprechend ein spezifischer Importer in Form einesPlug-Ins entwickelt werden [67].

5.2 Offline-KomponentenHeute werden in der Praxis zur Unterstützung derinterpersonellen und gewerkeübergreifenden Koordina-tion meist nicht elektronisch bearbeitbare Medien, z. B.Hallenpläne auf Papier, in Kombination mit fachspezi-fischen digitalen Tools zur Darstellung und Bearbeitungvon Details eingesetzt. Dieser Medienbruch sowie feh-lende Werkzeuge zur Unterstützung des interpersonellenAbstimmungsprozesses machen diesen ineffizient undfehleranfällig. Daher fordern Praktiker Ansätze wie rol-lenbasierte Arbeitsplätze [68].

Um einen effizienten gewerke-durchgängigen Enginee-ringprozess zu ermöglichen, wird mit dem hier vorgestell-ten Konzept ein ganzheitlicher und interdisziplinärer An-satz verfolgt, der sowohl der notwendigen interpersonel-len Abstimmung als auch dem gewerke-übergreifendenAustausch von Planungsdaten Rechnung trägt. Ziel hier-bei ist es, ,Reibungsverluste‘ die durch fehlende Unter-stützung gewerke-übergreifender Kollaboration in aktu-ellen Engineering-Lösungen entstehen, zu reduzieren unddamit die Effizienz im Engineering zu steigern. Eine elek-tronische statt manueller Änderungspropagation führtvor allem bei großen Anlagen zu erheblichen Einsparun-gen, durch geringeren manuellen Aufwand und wenigerFehler. Kerngedanke bei dem verfolgten Lösungsansatz istder Entwurf einer interaktiven Umgebung, in der sowohlhochspezialisierte Werkzeuge der einzelnen Gewerke,z. B. Leittechnik-Engineering, Fertigungsfeinplanung,CAD-Planung, Elektroplanung, genutzt werden können,gleichzeitig aber auch eine Plattform zur Verfügung steht,die diese fachspezifischen Detailsichten miteinander ver-bindet und in einen übergeordneten Kontext setzt, wel-cher einen effizienten Abstimmungsprozess ermöglicht.

Dabei erfolgt die Zusammenführung verschiedenerGewerke sowohl an Hand des gemeinsamen Daten-austauschformats AutomationMLTM. Gleichzeitig werdenaber auch die einzelnen Personen ,zusammengeführt‘, in-dem eine interaktive Umgebung die Kollaboration und

Bild 6 Digitaler Engineering-Tisch [69].

Interaktion mit heutigen Software- und vor allem auchHardwartechnologien unterstützt.

Der ,Digitale Engineeringtisch‘ setzt auf der Inter-operabilität auf und stellt Assistenzfunktionen für dasmulti-user Engineering zur Verfügung (Bild 6).

6 Fazit und AusblickInteroperabilität auf der MES-Ebene ist nicht mit einereinzigen Methode abzudecken. Es besteht nach wie vorBedarf an F&E-Arbeiten, z. B. zur Festlegung geeigneterLösungen für Kommunikationskanal (Wie?) und Inhalte(Was?). Auch das in Bild 3 erwähnte und von vielenAutoren geforderte Informationsmodell bedarf der Be-schreibung sowie der parallel laufenden Standardisierung.

Weiteren F&E-Bedarf sehen die Autoren bei ge-eigneten Mensch-Maschine-Schnittstellen, so dass jedeFachdisziplin ihre eigene Sicht erzeugen kann, die jedochkonsistent zu denjenigen der anderen Disziplinen visua-lisiert und verändert werden kann.

Ohne parallel zu den Entwicklungsarbeiten laufendeStandardisierung wird das Ziel der Interoperabili-tät von MES-Komponenten in der Fabrik nicht zuerreichen sein. Darum arbeiten diverse Standardi-sierungsgremien daran, die unterschiedlichen Aspektepassgenau zu beschreiben, z. B. die VDI-Fachausschüsse„Digitaler Fabrikbetrieb (VDI 4499, Blatt 2)“, „MES-Maschinenschnittstellen (VDI 5600, Blatt 3)“ sowie„Durchgängiges Engineering von Leitsystemen (VDI-GMA FA 6.12)“. Mit AutomationMLTM arbeitet einindustriegetriebenes Konsortium daran, für das Engi-neering von Produktionsanlagen einen Standard derStandards zu entwickeln, mit dem der o. g. gefordertedurchgängige Datenaustausch unabhängig von Software-werkzeugen möglich ist [23]. Dynamische Aspekte derVeränderung, Wandlungsfähigkeit, Adaptivität bezogenauf die Software müssen zusätzlich berücksichtigt werden.

Literatur

[1] Bischoff, J., Barthel, H., Eisele, M.: Automobilbau mit Zukunft.Stuttgart: LOG_X-Verlag, 2007.

[2] Eversheim, W.; Schuh, G. (Hrsg.): Betriebshütte – Produktion undManagement. Berlin, Heidelberg: Springer, 1996.

[3] Sauer, O.: Trends in Manufacturing Execution Systems. In:Huang, G. Q., Mak, K. L., Maropoulos, P. G.: Proceedings of: 6thCIRP-Sponsored International Conference on Digital EnterpriseTechnology, pp. 685–693. Springer, 2010.

[4] VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik: VDI-Richtlinie 5600 Blatt 1, Fertigungsmanagementsysteme. 2007-12,Beuth Verlag, 2007.

[5] IEC 62264 Enterprise-control system integration. Part 1–3.[6] NAMUR NA 094 Functions and Examples of operations control

level solutions.[7] Maul, Ch.: Unterschiede und Gemeinsamkeiten von Leitsyste-

men in kontinuierlicher und diskreter Fertigung. In: Sauer, O.,Sutschet, G.: Karlsruher Leittechnisches Kolloquium 2008, Fraun-hofer IRB Verlag, S. 25–32.

[8] Schleipen, M.: Automated production monitoring and controlsystem engineering by combining a standardized data format

422

Th

is a

rticle

is p

rote

cte

d b

y G

erm

an

co

pyrig

ht la

w. Y

ou

may c

op

y a

nd

dis

tribu

te th

is a

rticle

for y

ou

r pers

on

al u

se o

nly

. Oth

er u

se is

on

ly a

llow

ed

with

writte

n p

erm

issio

n b

y th

e c

op

yrig

ht h

old

er.

Interoperabilität von Manufacturing Execution Systems (MES) ���

(CAEX) with standardized communication (OPC UA). In: Ja-vier Silvestre (edit.), Factory Automation, 978-953-307-024-7,in-tech, pp. 501–522. Accessible at: http://sciyo.com/articles/show/title/automated-production-monitoring-and-control-system-engineering-by-combining-a-standardized-data-form 2010.

[9] Vogel-Heuser, B., Kegel, G., Bender, K., Wucherer, K.: Globalinformation architecture for industrial automation. atp – Auto-matisierungstechnische Praxis 1–2/2009, S. 108–115.

[10] Ricken, M., Vogel-Heuser, B.: Integriertes Engineering von Manu-facturing Execution Systems. In: Tagungsband SPS/IPC/DRIVES,Nürnberg, 2009. S. 321–330.

[11] Münnemann, A.: Entwurf und Implementierung von MES Lö-sungen in der Prozessindustrie, Beitrag zur Entwurf komplexerAutomatisierungssysteme-EKA 2008, Magdeburg, 2008.

[12] Kletti, J. (Hrsg.): MES Manufacturing Execution System. ModerneInformationstechnologie zur Prozessfähigkeit der Wertschöpfung.Springer: Berlin, Heidelberg, New York, 2006.

[13] Sauer, O., Jasperneite, J.: Wandlungsfähige Informationstechnikin der Fabrik. Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb ZWF09/2010. S. 819–824.

[14] Wiendahl, H.-P. et. al.: Changeable Manufacturing – Classifi-cation, Design and Operation. Annals of the CIRP, 56/2/2007,S. 783–809.

[15] VDI-Richtlinie 4499 Blatt 1. Digitale Fabrik – Grundlagen, 2008.[16] VDI 4499 Blatt 2. Digitale Fabrik – Digitaler Fabrikbetrieb,

2011.[17] Kerndlmaier, M., Schlögl, W.: Durchgängiger Einsatz von Stan-

dard MES-Lösungen – Konfiguration des Leitsystems mit Datender Digitalen Fabrik. 1. Karlsruher Leittechnisches Kolloquium,Mai 2006.

[18] Bär, Th., Mandel, S., Sauer, O., Ebel, M.: Durchgängiges Daten-management durch plug-and-work zur virtuellen Linieninbe-triebnahme. In: Sauer, O., Sutschet, G.: Karlsruher LeittechnischesKolloquium 2008, Fraunhofer IRB Verlag, S. 105–121.

[19] Jasperneite, J.: Durchgängiger flexibler Datenaustausch zwischenFeldebene und MES. In: Karlsruher Leittechnisches Kolloquium2010 (KLK2010) Karlsruhe, Juni 2010.

[20] OPCFoundation: OPC-UA. www.opcfoundation.org, Stand: 02.02.2011.

[21] Bratukhin, A., Sauter, T.: Bridging the gap between centralized anddistributed manufacturing execution planning. In: Proceedings of:IEEE International Conference on Emerging Technologies andFactory Automation, 13.–16. September 2010, Bilbao, Spanien,2010.

[22] Alsmeyer, F.: Durchgängige Nutzung von Prozessdaten im Lebens-zyklus verfahrenstechnischer Anlagen, VDI-Berichte Nr. 1980,2007.

[23] Enste, U., Uecker, F.: Standardisiertes Online-Engineering aufProzess- und Betriebsleitebene. GMA-Tagung ,Engineering inder Prozessindustrie‘ VDI Bericht 1684, VDI-Verlag, Düsseldorf,S. 51–56, 2002.

[24] Bukva, S., Enste, U., Uecker, F.: Selbstkonfiguration und auto-matisiertes Änderungsmanagement von MES-Systemen. atp –Automatisierungstechnische Praxis 08/2009.

[25] Enste, U.: Selbstkonfiguration von Systemen der Betriebsleitebene.Automation 2009, VDI Berichte 2067, VDI-Verlag, Düsseldorf,2009.

[26] Bildmayer, R.: Logistischer Leitstand. S. 353–361, Jahrestagung derGesellschaft für Informatik, 2007.

[27] Schleipen, M.: OPC UA supporting the automated engineering ofproduction monitoring and control systems. In: Proceedings of:13th IEEE International Conference on Emerging Technologiesand Factory Automation ETFA, 15.–18.9.2008, Hamburg, Ger-many, S. 640–647, 2008.

[28] ABB: John, D., Topp, U., Lin, Y., Fay, A.: Durchgängiges Gerä-tebeschreibungsmodell für den gesamten Lebenszyklus – Konzeptund Umsetzung mit OPC UA. atp – AutomatisierungstechnischePraxis 49/7/2007, S. 45–51, 2007.

[29] Schleipen, M., Sauer, O., Wang, J.: Semantic integration by meansof a graphical OPC Unified Architecture (OPC UA) infor-mation model designer for Manufacturing Execution Systems.In: Sihn/Kuhlang (Ed.): Sustainable Production and Logisticsin Global Networks. 43rd CIRP International Conference onManufacturing Systems, 26–28 May 2010, Vienna. ISBN 978-3-7083-0686-5, Neuer Wissenschaftlicher Verlag GmbH NfG KG,pp. 633–640, 2010.

[30] ZVEI: MES – Branchenspezifische Anforderungen und herstel-lerneutrale Beschreibung von Lösungen. http://www.zvei.org/fileadmin/user_upload/Fachverbaende/Automation/Publikation/Bestellformular_MES-doppelseitig-neu.pdf,ISBN 978 3-00-031362-2, 2010.

[31] Adams, M., Kühn, W., Stör, T., Zelm, M.: DIN EN 62264. Dieneue Norm zur Interoperabilität von Produktion und Unterneh-mensführung – Teil 1. atp – Automatisierungstechnische Praxis,49/5/2007, S. 52–57, 2007.

[32] Namur: NE33 Anforderungen an Systeme zur Rezeptfahrweise.17.01.2003, AK2.3.

[33] Namur: NA110 Nutzen, Planung und Einsatz von MES.02.11.2006, AK 2.4.

[34] TU München: Ricken, M., Vogel-Heuser, B.: Modeling of Ma-nufacturing Execution Systems: an interdisciplinary challenge.In: Proceedings of: IEEE International Conference on EmergingTechnologies and Factory Automation, 13.–16. September 2010,Bilbao, Spanien, 2010.

[35] BMBF-Projekt MODALE – Modellbasiertes Anlagen-Engineering,kundenorientierte Dienstleistungen für Anlagensteuerung und -kontrolle. Förderkennzeichen: 01ISC28A - 01ISC28K. Laufzeit von1. Oktober 2003 bis 30. September 2005.

[36] BMBF project Föderal. http://www.foederal.de/, date of access:March 2011.

[37] AUTEG: Automatisierter Entwurf für die Gebäudeautomation.Laufzeit von 01.01.2007 bis 30.09.2009.

[38] EU PABADIS: Plant automation based on distributed systems.Laufzeit von 1.12.2000–31.01.2004.

[39] Sutschet, G.: Ontologien in der Leittechnik. visIT 2/2007, S. 14.[40] Runde, S., Dibowski, H., Fay, A., Kabitzsch, K.: A Semantic Re-

quirement Ontology for the Engineering of Building AutomationSystems by means of OWL. In: Proceedings of: 14th IEEE In-ternational Conference on Emerging Technologies and FactoryAutomation, 2009.

[41] Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg: Mühlhause, M. et al.:Modellierung semantischer Beziehungen für unterschiedlicheInformationsmodelle im automatisierungstechnischen Umfeld,Automation 2009.

[42] Wollschläger, M. et al.: Semantische Integration im Lebens-zyklus der Automation, Automation 2009: Semantic LiftingXML-basierte Daten integrieren als OWL, Formalisierung vonWissen.

[43] Gösseling, A., Wollschläger, M.: On Working with the Concept ofIntegration Ontologies.

[44] Moser, T., Biffl, S.: Semantic Tool Interoperability for Engineeringof Manufacturing Systems. In: Proceedings of: IEEE InternationalConference on Emerging Technologies and Factory Automation,13.–16. September 2010, Bilbao, Spanien, 2010.

[45] VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik: VDI-Richtlinie 5600 Blatt 3, Fertigungsmanagementsysteme (Manufac-turing Execution Systems – MES) – Logische Schnittstellen zurMaschinen- und Anlagensteuerung. Gründruck, 2011-04, BeuthVerlag, 2011.

[46] Runde, S.: Konvertierung von OWL-Planungsdaten nach CAEX –Semantic Web Technologien im Kontext automatisierungstechni-scher Anwendungen. Automation 2010.

[47] Runde, S.: A Data Exchange Format for the Engineering of Buil-ding Automation Systems. Proceedings of: 13th IEEE InternationalConference on Emerging Technologies and Factory Automation,Hamburg, 2008.

423

http://sciyo.com/articles/show/title/automated-production-monitoring-and-control-system-engineering-by-combining-a-standardized-data-form

http://sciyo.com/articles/show/title/automated-production-monitoring-and-control-system-engineering-by-combining-a-standardized-data-form

http://sciyo.com/articles/show/title/automated-production-monitoring-and-control-system-engineering-by-combining-a-standardized-data-form

www.opcfoundation.org

http://www.zvei.org/fileadmin/user_upload/Fachverbaende/Automation/Publikation/Bestellformular_MES-doppelseitig-neu.pdf

http://www.zvei.org/fileadmin/user_upload/Fachverbaende/Automation/Publikation/Bestellformular_MES-doppelseitig-neu.pdf

http://www.zvei.org/fileadmin/user_upload/Fachverbaende/Automation/Publikation/Bestellformular_MES-doppelseitig-neu.pdf

http://www.foederal.de/

Th

is a

rticle

is p

rote

cte

d b

y G

erm

an

co

pyrig

ht la

w. Y

ou

may c

op

y a

nd

dis

tribu

te th

is a

rticle

for y

ou

r pers

on

al u

se o

nly

. Oth

er u

se is

on

ly a

llow

ed

with

writte

n p

erm

issio

n b

y th

e c

op

yrig

ht h

old

er.

Methoden

[48] DIN EN ISO 8402:08.95. Quality Management and Quality Ass-urance.

[49] Mertins, K., Süssenguth, W., Jochem, R.: Modellierungsmetho-den für rechnerintegrierte Produktionsprozesse. München, Wien,Hanser-Verlag 1994.

[50] Schleipen, M., Sauer, O., Fuskova, L.: Logical interface betweenMES and machine – semantic integration by means of ontologies.In: Proceedings of: CIRP ICME ’10–7th CIRP InternationalConference on INTELLIGENT COMPUTATION IN MANUFAC-TURING ENGINEERING. Innovative and Cognitive ProductionTechnology and Systems. 23–25 June 2010, Capri (Gulf of Naples),Italy.

[51] Drath, R. (Hrsg.): Datenaustausch in der Anlagenplanung mit Auto-mationML. ISBN 978-3-642-04673-5, Springer-Verlag HeidelbergDordrecht London New York, 2010, http://www.springer.com/computer/information+systems/book/978-3-642-04673-5.

[52] Draht, R., Fedai, M.: CAEX – ein neutrales Datenaustauschformatfür Anlagendaten – Teil 1 und 2. In: atp – Automatisierungstech-nische Praxis 46/2/2004, S. 52–56 und 3/2004, S. 20–27.

[53] Arnaud, R., Barnes, M. C.: Collada: Sailing the Gulf of 3D DigitialContent Creation. A K Peters, Ltd., Wellesley, Massachusetts, USA,2006.

[54] PLCOpen. PLCopen XML Website. http://www.plcopen.org/pages/tc6_xml/, 2010.

[55] Gohr, K., Drath, R.: Automatischer Datenaustausch von Prozess-leittechnik-Funktionen mit CAEX. In: atp – Automatisierungs-technische Praxis 49/5/2007, S. 31–38, München, OldenburgIndustrieverlag, 2007.

[56] Schleipen, M., Drath, R.: Three-View-Concept for modeling pro-cess or manufacturing plants with AutomationML. 13th IEEEInternational Conference on Emerging Technologies and FactoryAutomation (ETFA). 22.-25.9.2009, Palma de Mallorca, Spain.

[57] Suchold, N., Riedl, M., Fedrowitz, C., Mikuta, G., Diedrich, C.:Mechatronisches Anlagenmodell für die Austaktung vonFertigungszellen. 9. Magdeburger Maschinenbau-Tage, 30.09.–01.10.09, Magdeburg, 2009.

[58] Lüder, A., Hundt, L., Foehr, M., Wagner, T., Zaddach, J.-J.,Holm, T.: Manufacturing System Engineering with MechatronicalUnits. In: Proceedings of: IEEE International Conference on Emer-ging Technologies and Factory Automation, 13.–16. September2010, Bilbao, Spanien, 2010.

[59] Biallas, S., Frey, G., Kowalewski, S., Schlich, B., Soliman, D.:Formale Verifikation von Sicherheits-Funktionsbausteinen derPLCopen auf Modell- und Code-Ebene. Proceedings of: 11thFachtagung Entwurf komplexer Automatisierungssysteme (EKA2010), ISBN 978-3-940961-41-9, pp. 47–54, Magdeburg, May2010.

[60] Schleipen, M.: A concept for conformance testing of Automa-tionML models by means of formal proof using OCL. In:Proceedings of: 14th IEEE International Conference on EmergingTechnologies and Factory Automation ETFA, 13.–16.09.2010,Bilbao, Spain, 2010.

[61] VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik: Au-tomation 2020 – Bedeutung und Entwicklung der Automation biszum Jahr 2020, Thesen und Handlungsfelder, 2009.

[62] Kiefer, J.: Mechatronikorientierte Planung automatisierter Fer-tigungszellen im Bereich Karosserierohbau. Dissertation zurErlangung des Grades des Doktors der Ingenieurwissenschaftender Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät III – Chemie,Pharmazie, Bio- und Werkstoffwissenschaften – der Universitätdes Saarlandes.

[63] Schwarz, T., Oortmann, H., Reiterer, H.: „Holistic workspace“ –The next generation workplace in control room. In: Proceedingsof: Automation 2010, VDI-Berichte 2092, VDI Verlag, Düsseldorf,Jun 2010.

[64] Schmitz, S., Epple, U.: Automatisierte Projektierung von HMI-Oberflächen, in VDI-Berichte 1980, S. 127–138, GMA Kongress2007.

[65] Hennig, S., Braune, A., Koycheva, E.: Towards a model driven Ap-proach for development of Visualization Applications in IndustrialAutomation. In: Proceedings of: IEEE International Conference onEmerging Technologies and Factory Automation, 13.–16. Septem-ber 2010, Bilbao, Spanien, 2010.

[66] Kirmas, M.: Anwenderbericht zur Nutzung von typischen Funk-tionsbausteinen (Typicals) bei der Erstellung von leittechnischerSoftware. VDI-Berichte Nr. 1980, S. 783–790, 2007.

[67] Schleipen, M., Okon, M., Enzmann, T., Wie, J.: IDA – Interope-rable, semantische Datenfusion zur automatisierten Bereitstellungvon sichtenbasierten Prozessführungsbildern. Akzeptierter Beitragzu: Automation 2011, Juni, Baden-Baden.

[68] Katzenbach, A., Steiert, H.-P.: Engineering-IT in der Automobil-industrie – Wege in die Zukunft. Informatik Spektrum, Informatikin der Automobilindustrie, 34/1/2011, S. 7–19.

[69] Schleipen, M., Bader, T.: A concept for interactive assistant systemsfor multi-user engineering based on AutomationML. Proceedingsof: CAPE Conference 2010, Edinburgh, 13.–14.4.2010, Paper 014.

Manuskripteingang: 4. Februar 2011

Dipl.-Inform. Miriam Schleipen leitet das The-menfeld „Engineering & Interoperabilität“ in derAbteilung Leitsysteme des Fraunhofer Institutsfür Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung(IOSB). Schwerpunkt dabei ist die Entwicklungvon Konzepten und Methoden zur Verbesse-rung und Automatisierung des Engineerings vonLeitsystemen/Manufacturing Execution Systems(MES). Ihr wissenschaftlicher Fokus liegt auf derAdaptivität und semantischen Interoperabilitätfür MES.

Adresse: Fraunhofer IOSB, Abteilung Leitsys-teme – Themenfeld Engineering & Interope-rabilität, Fraunhoferstr. 1, D-76131 Karlsruhe,Tel.: +49 721 6091-382, Fax: -413,E-Mail: miriam.schleipen@iosb.fraunhofer.de

Dr.-Ing. Ansgar Münnemann studierte Physikan der RWTH Aachen und promovierte am dor-tigen Lehrstuhl für Prozessleittechnik. Seit 2005ist er Mitarbeiter der BASF SE und leitet dortdie Fachgruppe MES im Bereich Maintenanceund Engineering. Seine Arbeitsschwerpunkte sinddie Konzeption und Begleitung von Automatisie-rungslösungen in den Bereichen Systemintegra-tion, Datenerfassung, -analyse und -bewertung,Plant Asset Management und KPI-Monitoring.

Adresse: BASF SE, Carl-Bosch-Straße 38, 67056Ludwigshafen,E-Mail: ansgar.muennemann@basf.com

Dr.-Ing. Olaf Sauer studierte an der UniversitätKarlsruhe Wirtschaftsingenieurwesen. Nach be-ruflichen Stationen in Industrie und Beratung lei-tet er seit 2004 den Geschäftsbereich Leitsystemeam Fraunhofer IOSB. Er ist Lehrbeauftragter amKarlsruher Institut für Technologie (KIT), Vor-sitzender des Fachbereichs Informationstechnikdes VDI sowie Mitglied des Vorstandes der Wirt-schaftsstiftung Südwest.

Adresse: Fraunhofer IOSB, Fraunhofer Straße 1,76131 Karlsruhe,E-Mail: olaf.sauer@iosb.fraunhofer.de

424

http://www.springer.com/computer/information+systems/book/978-3-642-04673-5

http://www.springer.com/computer/information+systems/book/978-3-642-04673-5

http://www.plcopen.org/pages/tc6_xml/

http://www.plcopen.org/pages/tc6_xml/

mailto:schleipen@iosb.fraunhofer.de

mailto:muennemann@basf.com

mailto:sauer@iosb.fraunhofer.de

Th

is a

rticle

is p

rote

cte

d b

y G

erm

an

co

pyrig

ht la

w. Y

ou

may c

op

y a

nd

dis

tribu

te th

is a

rticle

for y

ou

r pers

on

al u

se o

nly

. Oth

er u

se is

on

ly a

llow

ed

with

writte

n p

erm

issio

n b

y th

e c

op

yrig

ht h

old

er.

Ein Wissenschaftsverlag derOldenbourg Gruppe

Bruno Assmann, Peter Selke

Technische Mechanik 3Kinematik und Kinetik15., überarbeitete Auflage 2011 | XII, 480 S.Br. | € 34, 80ISBN 978-3-486-59751-6

Diese didaktisch hervorragend konzipierte Einführung in dieGrundlagen der Kinematik und Kinetik bleibt nicht bei der reinenWissensvermittlung stehen. Seit der ersten Auflage vermittelt dasimmer wieder aktualisierte und von Studenten und Studentinnensehr geschätzte Werk ein umfassendes Verständnis der Zusammen -hänge und der physikalischen Vorgänge in der Technischen Mechanik.In Band 3 »Kinematik und Kinetik lernt« der Leser mechanischeVorgänge an bewegten Körpern zu analysieren und zu interpretieren,wobei er die Vielfalt der zugrunde liegenden Prinzipien erkennt. DieAutoren erarbeiten mit dem Leser diesen Erkennungsprozess anProblemen des Maschinenbaus. Das Werk unterscheidet sich damitbewusst von der Darstellung in Physikbüchern und ist ein echtesMuss für jeden Ingenieurstudenten! Informationen zu Band 1 »Statik«und Band 2 »Festigkeitslehre« sowie zu den ergänzenden Übungsbü-chern von Bruno Assmann finden Sie unter www.oldenbourg-verlag.de.

»Hervorragend gelungen« (Prof. Dr.-Ing. M. Felleisen, FH Pforzheim)

»Kanonbildend«(Reinhold Kampmann, www.buchkatalog.de)

»Den Autoren möchte ich sagen »weiter so«!«(Prof. Dr. Dieter Förster, Fachschule für Technik in Chemnitz, Leipzig, Plauen)

Für Studierende der Ingenieurwissenschaften, insbesondere für das FachMaschinenbau.

Bestellen Sie in Ihrer Fachbuchhandlung oder direkt bei uns: Tel: 089/45051-248 Fax: 089/45051-333 | verkauf@oldenbourg.de www.oldenbourg-verlag.de

››››››

Ein Muss für Ingenieurstudenten

http://www.oldenbourg-verlag.de

http://www.oldenbourg-verlag.de

http://www.oldenbourg-verlag.de

http://www.buchkatalog.de

mailto:verkauf@oldenbourg.de

http://www.oldenbourg-verlag.de

1 Einleitung

2 Trends und Anforderungen aus dem Betrieb

3 Einordnung von MES in die Architektur der industriellen Automatisierung

3.1 Horizontale Integration

3.2 Vertikale Integration zwischen MES und Fertigungsebene

3.3 Integration im Lebenszyklus

4 Beispiele für Lösungen zur Interoperabilität in den drei Dimensionen

4.1 Lösungen zur Kommunikation

OPC-UA zur automatisierten Projektierung von Leitsystemen sowie zur Kopplung von Fertigungsleit- und Feldebene

OPC-UA zur Online-Kommunikation von Daten zwischen Steuerungs- und Leitebene

4.2 Lösungen zu kommunizierten Inhalten

Ontologien als Basiselemente einer MES-Semantik

Vorschlag einer MES-Ontologie

AutomationML™

5 Mensch-Maschine-Schnittstelle für interoperable MES

5.1 Online-Komponenten

5.2 Offline-Komponenten

6 Fazit und Ausblick

Literatur

auto.2011.9089.pdf

Th

is a

rticle

is p

rote

cte

d b

y G

erm

an

co

pyrig

ht la

w. Y

ou

may c

op

y a

nd

dis

tribu

te th

is a

rticle

for y

ou

r pers

on

al u

se o

nly

. Oth

er u

se is

on

ly a

llow

ed

with

writte

n p

erm

issio

n b

y th

e c

op

yrig

ht h

old

er.

at 7/2011

Editorial ���

InteroperabilitätJürgen Beyerer, Fraunhofer IOSB Karlsruhe und KIT,Olaf Sauer, Fraunhofer IOSB Karlsruhe

Liebe Leserinnen und Leser,

Informationstechnik durchzieht heute alle Ebenen derindustriellen Automatisierung. Sie ist inzwischen un-verzichtbares Werkzeug zur Planung und zum Betriebeffizienter und innovativer Produktionsprozesse. Unterdem Schlagwort CIM (Computer Integrated Manufac-turing) wurde in den 1980er Jahren die durchgängigrechnerunterstützte Produktion propagiert. Aufgrund derdamals vorhandenen Hardware setzte sich diese Visionaber in der Praxis nicht durch, obwohl die Ansätze ausheutiger Sicht richtig waren und viele gute Forschungs-ergebnisse erarbeitet wurden.

Inzwischen hat sich der Wettbewerb für Produkti-onsunternehmen in Deutschland drastisch verschärft –sie stehen im globalen Wettbewerb mit Standorten,die teilweise zu völlig anderen Faktorkosten produzie-ren. Darum sind Innovationen wichtige Erfolgsfaktorenfür die Produktion in Deutschland – Innovationenbezüglich Produkten und Prozessen. Innovative Produk-tionsprozesse zeichnen sich nach einhelliger Meinung vonExperten durch drei Faktoren aus:• Wandlungsfähigkeit• Realzeitfähigkeit• Netzwerkfähigkeit.Alle drei Erfolgsfaktoren sind ohne interoperable In-formationstechnik nicht zu erreichen – Interoperabilitätist die Grundvoraussetzung dafür, dass Geschäftspro-zesse auf allen Ebenen von Produktionsunternehmendurchgängig mit informationstechnischen Lösungen un-terstützt werden können.

Die tatsächlich realisierte Interoperabilität, die dafürverwendeten Methoden und Werkzeuge sowie aktuelleStandardisierungsarbeiten sind allerdings je nach Ebeneder industriellen IT-Hierarchie unterschiedlich. Sie be-dürfen zumindest der Kenntnis voneinander, besser nochder gezielten Abstimmung und eines gemeinsamen Ver-ständnisses, damit Daten zwischen den verschiedenenEbenen und ihren spezifischen Applikationen nahtlosausgetauscht und genutzt werden können.

In diesem Sonderheft beleuchten darum die Auto-ren die unterschiedlichen Facetten von Interoperabilität

bezogen auf die einzelnen Hierarchieebenen der industri-ellen Informationstechnik: von generischen Grundkon-zepten zum Datenaustausch über notwenige Begriffsde-finitionen bis hin zu interoperablen Lösungsbausteinenfür die drei Dimensionen der Integration – horizontaleIntegration auf den einzelnen Hierarchieebenen der IT-Infrastruktur einer Fabrik, ebenenübergreifende vertikaleIntegration und die Integration über den Lebenszyklus,d. h. von der Entstehung einer Automatisierungslösungbis zu deren Betrieb und der laufenden Anpassung.

Die große Herausforderung bei der Zusammenstel-lung der Beiträge besteht darin, das komplexe Themader Interoperabilität in möglichst großer Breite zusam-menhängend darzulegen, ohne den fachlichen Tiefgangder einzelnen Artikel zu vernachlässigen – wobei mandem Thema eher mit einer konsistenten textlichen undgraphischen Beschreibung als mit mathematischen For-melwerk gerecht wird.

So beschreibt Epple (RWTH Aachen) in seinem Artikelzunächst ein Konzept, das mit standardisierten Aus-prägungsaussagen zu Merkmalen einen einfachen undflexiblen Informationsaustausch unterstützt. Als Basis-konstrukte können diese Merkmale zum Austausch vonInformationen zwischen beliebigen technischen Systemengenutzt werden.

Das Ineinandergreifen von Entwurf und Nutzungautomatisierter Produktionssysteme und die dafür ver-fügbaren Werkzeuge beschreiben Lüder, Diedrich undHundt (OvG Universität, Magdeburg). Sie definieren In-teroperabilität umfassend und grenzen sie ab von anderenBegriffen, die in diesem Zusammenhang in der Praxis er-wähnt werden, z. B. Kompatibilität. Dazu klassifizieren sieverschiedene Grade der Integration und konkretisierendies am Beispiel von Feldgeräten und Entwurfswerkzeu-gen.

Seit langem arbeitet das Karlsruher Fraunhofer In-stituts IOSB gemeinsam mit Partnern an Methodenund Werkzeugen für den konsistenten Datenaustauschauf der Fertigungsleitebene, auf der in der Praxismeist mehrere isoliert voneinander existierende Sys-teme eingesetzt werden. IT-Systeme auf dieser Ebene(Manufacturing Execution Systeme – MES) entwickeln

at – Automatisierungstechnik 59 (2011) 7 / DOI 10.1524/auto.2011.9089 © Oldenbourg Wissenschaftsverlag 395

Th

is a

rticle

is p

rote

cte

d b

y G

erm

an

co

pyrig

ht la

w. Y

ou

may c

op

y a

nd

dis

tribu

te th

is a

rticle

for y

ou

r pers

on

al u

se o

nly

. Oth

er u

se is

on

ly a

llow

ed

with

writte

n p

erm

issio

n b

y th

e c

op

yrig

ht h

old

er.

Editorial

sich zu Informationsdrehscheiben in Produktionsunter-nehmen. Forschungsbedarf besteht bei der konsistentenParametrierung solcher Systeme sowie bei ihrer mög-lichst automatisierten Anpassung an Änderungen in derProduktion. Schleipen, Münnemann und Sauer (Karls-ruhe/Ludwigshafen) beschreiben in ihrem Artikel die dreiDimensionen, in denen für MES-Systeme Anforderungenan Integration und damit letztlich an Interoperabilität ge-stellt werden.

Für MES-Systeme spielt die Integration mit derFeldebene eine wichtige Rolle, z. B. wenn Datenaus dem Betrieb von Anlagen konsistent an überla-gerte Systeme weitergegeben werden sollen oder wennFeldgeräte während des Lebenszyklus von Anlagenausgetauscht werden. Unter Nutzung des bekanntenISO/OSI-Referenzmodells erläutern John und Jasperneite(Ladenburg/Lemgo) die Anforderungen an Interoperabi-lität auf Kommunikations- und Anwendungsebene vonFeldgeräten. Dabei verdeutlichen sie, dass Feldgeräte injedem Produktionssystem vertikal, aber aufgrund ihrerwachsenden Datenverarbeitungskapazität auch zuneh-mend horizontal interoperabel sein müssen.

Dem Thema Interoperabilität im Engineering, d. h.bezogen auf die Werkzeuge, die den Lebenszyklus au-tomatisierter Produktionssysteme begleiten, widmen sichDrath, Fay und Barth (Ladenburg/Hamburg). Ziel istder Austausch von Engineering-Daten konsistent undunabhängig von Werkzeugen oder ,Toolfamilien‘ einzel-ner Hersteller. Dafür sind allerdings Prüfinstanzen oder,Interoperabilitätsfunktionen‘ erforderlich. Sie empfeh-len daher Offenheit von Engineering-Systemen sowie dieNutzung von Standard-Datenformaten.

Ein aktuelles Beispiel für einen umfassenden Ansatz,um Interoperabilität für Engineering- und Laufzeitdatenzu realisieren, ist OPC-UA, das inzwischen als IEC 62541standardisiert ist. Die Autoren Enste und Mahnke (Her-zogenrath/Ladenburg) stellen die einzelnen Bestandteilevon OPC-UA vor und beschreiben deren Nutzung für„gehobene Interoperabilität“.

FazitFür Interoperabilität gibt es keine monolithische Lösungin Form eines ,Kochrezepts‘. Die Autoren beschreibenin diesem Heft vielmehr eine Sammlung gleichberech-tigt nebeneinander stehender Lösungsbausteine – allengemein ist die Forderung nach eindeutiger Beschreibung

von Syntax und Semantik auszutauschender Daten in au-tomatisierten Produktionssystemen.

Der Einsatz von Informationstechnik in der Produk-tion ist noch längst nicht ausgereizt – es gibt nochein großes Potenzial. Wie die Autoren beschreiben,stecken vor allem in der Integration heutiger hete-rogener IT-Lösungen viele Chancen. Die horizontaleIntegration auf den einzelnen Ebenen sowie die verti-kale Integration von der Feldebene über die Leitebene indie Unternehmensleitebene bieten erhebliche Möglich-keiten zur Verbesserung. Die Interoperabilität zwischenSystemen und zwischen Feldgeräten, Anlagen und über-lagernden IT-Systemen ist noch nicht gelöst – dazubenötigen die beteiligten Systeme ein gemeinsames, ma-schinelles Verständnis ihrer Daten.

Ohne parallel stattfindende Standardisierung wird dasZiel der Interoperabilität von Informationstechnik inder Fabrik nicht erreichbar sein – darum arbeiten alleAutoren dieses Heftes in einschlägigen Standardisierungs-gremien mit und initiieren diese teilweise selbst.

Die Interoperabilität muss uns in der nahen Zukunftweiter beschäftigen – zum Nutzen der Produktion undihrer Arbeitsplätze am Standort Deutschland.

Prof. Dr. Jürgen Beyerer, Fraunhofer Institutfür Optronik, Systemtechnik und Bildauswer-tung (IOSB), Fraunhofer Straße 1, 76131 Karls-ruhe, Germany, Tel.: +49 721 6091 210, Karls-ruher Institut für Technologie (KIT), Institut fürAnthropomatik, Lehrstuhl für Interaktive Echt-zeitsysteme (IES), Adenauerring 4, 76131 Karls-ruhe

Dr. Olaf Sauer, Fraunhofer Institut für Optro-nik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB),Fraunhofer Straße 1, 76131 Karlsruhe, Germany,Tel.: +49 721 6091 477

396

Fazit