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.

P/PEMESMES

SCM

SSM

ERP

Steuerungen

MES = Manufacturing Execution System

ERP = Enterprise Ressource Planning

SCM = Supply Chain Management

SSM = Sales & Service Management

P/PE = Product & Process Engineering

Steuerungen = SPS, DCS, NC, SCADA

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.

bearbeiten Qualität aktiv VDI 3300

Arbeitssystem Funktion Transformationsprozess Verhalten Richtlinie

prüfen Zustandserfassung passiv VDI 3300

lagern Zeit passiv VDI 2411

handhaben Ort aktiv VDI 2860

transportieren Ort aktiv VDI 3300

Produktions-system

Material-flusssystem

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.

Datenmodell RDMS

Modell desDiskursbereiches

Schema und Tabellen

Realität

Diskursbereich

RDMSDatenmodell

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.

020406080

100

individuelleProgrammierung

Toolset konfigurierbareApplikation

fertigeBranchenlösung

Service oder Software

kaufen

entwickeln

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 "Aneinanderfügen" 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.

Datenbank-Schnittstelle

Tool

Nutzer

Benutzer-Schnittstelle

Aktionssteuerungweitere Tools

Kommunikations-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.

Fertigungsmodell

Produktionskomponenten

Prozessfolge

Technologie

Ressourcen

Prozessgrößen

Einstellgrößen

Material

RohmaterialienZwischenprodukte

NebenprodukteKuppelprodukte

Endprodukte

Ressourcen

MitarbeiterMaschinen

FertigungslinienTransportsysteme

Lagerorte

Technologie

Struktur

Ausgang

Ressourcen Material

Störungen

Material

Eingang Transfor- mations- prozess

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.

� Grafische Benutzeroberfläche� lokale Anwendungs- verarbeitung

Client

Server

� Transaktionsbezogene Teil der Anwendung� gesamte Datenhaltung

Verteilte Funktionen

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

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