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MES: Maschinenkommunikation und die Rolle von Standards

December 18, 2020

MES: Maschinenkommunikation und die Rolle von Standards
“If you want to change your life you have to raise your standards,” Tony Robbins

Industrie 4.0 bedeutet Veränderung und treibt diese auch voran, ähnlich wie es schon bei drei vorangegangenen industriellen Revolutionen der Fall war. Sie erfordert Anpassungen von Unternehmensstrategie, Unternehmensführung, Prozesstechnologie, IT, unternehmensweite Einbindung in die Wertschöpfungskette, Engagement der Mitarbeiter und vor allem Kommunikation.

Die neue industrielle Revolution ist im Kern globaler und setzt Anpassungen hinsichtlich zahlreicher Aspekte der Geschäftsabläufe voraus. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung von Möglichkeiten zur Generierung, Nutzung und Handhabung großer Datenmengen, die folglich einen geschäftlichen Mehrwert in Form von einem verbesserten operativen Kenntnisstand bieten, um strategische Entscheidungen kurzfristig und langfristig zu unterstützen.

Der vielleicht wichtigste Aspekt dieser vierten industriellen Revolution ist, dass die Informationsinfrastruktur bis zum "Edge" erweitert wurde. So können intelligente Geräte und Anwendungen, miteinander kommunizieren und autonome Entscheidungen in Echtzeit treffen. Die Genauigkeit und Geschwindigkeit der Kommunikation ist dabei entscheidend und muss permanent, automatisch, sicher und präzise erfolgen.

In Fertigungsunternehmen, die bereit sind in diese neue industrielle Revolution zu investieren, ist daher eine Integration der Fertigung mit der gesamten Unternehmensstruktur notwendig, um die Effizienz der Edge-Technologie auszuschöpfen. Prozess- und Maschinendaten müssen zum Erreichen dieser Effizienz aus jeder Transaktion in der Fertigung erfasst und mit übergeordneten Anwendungen wie MES verknüpft werden. Das Ergebnis dessen sind Prozess- und Betriebsinformationen, die als Grundlage für sofortige, mittelfristige und langfristige Maßnahmen und Entscheidungen eingesetzt werden können, und zwar in Abhängigkeit vom Schweregrad des Ereignisses, den Zeiträumen für die Datenanalyse und dem Geschäftsablauf.

Doch die Integration zwischen MES und Prozesskomponenten gestaltet sich oft nicht einfach. Eine Kombination aus veralteten, kundenspezifischen und modernen Systemen, Software und Dateninfrastrukturen bedeutet eine extrem hohe Komplexität. Häufig fehlen auch Standard-Integrationsmethoden.

Es existieren zwar Standards und Protokolle für die Kommunikation auf Maschinenebene und den Datentransfer. Diese machen Verknüpfung zur Steuerung und übergeordneten Anwendungen sicherer und unkomplizierter. Dennoch, je nach Maschinenalter, Bedarf an mehreren Schnittstellen und Kombination aus modernen und Legacy-Geräten und -anwendungen, kann der Komplexitätsgrad selbst innerhalb einer Fabrik ziemlich hoch sein. Die Gesamtkomplexität steigt exponentiell mit der zunehmenden Anzahl der geografisch und technologisch abgegrenzten Standorte an.

Kontinuierliche Kommunikation ist ein Muss

Diese Notwendigkeit der kontinuierlichen Kommunikation bedeutet zahlreiche Herausforderungen für Fertigungsunternehmen. Eine typische Fertigungseinheit verfügt in der Regel über Maschinen unterschiedlicher Anbieter, wobei die Typen und die Komplexität je nach Branche und Fertigungsprozess variieren. Diese Komplexität reicht von geringen Variationen von Maschinen und Herstellern bis zu vielen unterschiedlichen Maschinen von sehr vielen unterschiedlichen Herstellern innerhalb einer Produktion.

Eine weitere Komplexitätsebene kommt hinzu, wenn die einzelnen Komponenten mit eigener Software (und Protokollen) arbeiten. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die Maschinen alt sind oder in Anwendungsbereichen eingesetzt werden, in denen Interoperabilität nicht gefordert oder im Prozess integriert ist, wie etwa bei älteren Verpackungslinien oder kundenspezifischen Prozesseinrichtungen, die für einen einzelnen, spezifischen Arbeitsschritt ausgelegt sind.

Die dritte Komplexitätsebene entsteht beim Umstieg auf modernere Steuerungsarchitekturen, insbesondere mit IIoT oder Edge-Sensing-Technologien. Der Entwurf und die Implementierung einer IIoT-fähigen Architektur mit richtigen Schnittstellen (Protokollen) und bestehenden MES/ERP- oder Business-Level-Kommunikationstechnologien erfordert umfangreiche Vorbereitungen, unabhängig davon, ob es sich um eine einzelne Fabrik oder mehrere Standorte handelt. Der Einsatz unterschiedlicher Standards und Protokolle sowie die Notwendigkeit, Daten kontinuierlich und dennoch sicher an übergeordnete Anwendungen zu übermitteln und daraus die nötigen Ergebnisse für den erfolgreichen Verlauf eines Industrie-4.0-Digitalisierungsprojektes zu erzielen, ist kein einfaches Unterfangen.

MES-Interkonnektivität bringt Einsicht

Wir möchten zunächst die Bedeutung übergeordneter Anwendungen für den Industrie-4.0-Erfolg betonen, bevor wir uns mit Datenübertragungsstandards und -protokollen beschäftigen. Eine ideale MES-Anwendung soll insbesondere die Unterstützung von sämtlichen relevanten und etablierten Kommunikationsstandards und Datenübertragungsprotokolle der jeweiligen Branche ermöglichen.

Ihr MES hat die Aufgabe, die gesamte Fertigung zu integrieren, d.h. es muss eine sichere Verbindung zu jeder einzelnen Maschine, zu jedem IoT-fähigen Gerät und zu jeder Bedieneinheit herstellen können, während gleichzeitig eine Integration mit Anwendungen auf Unternehmensebene wie ERP oder PLM gegeben ist. Die eigentliche Funktion der MES-Lösung umfasst mehr als nur den Abruf der Fertigungsdaten und die Integration mit den existierenden Schnittstellen. Die MES-Anwendung sollte außerdem über die Fähigkeit verfügen, eine Datenplattform einzubinden und zu aktivieren, welche die Funktion einer vollwertigen Verbindungsebene übernimmt. Das System erfasst Maschinendaten in Echtzeit, verarbeitet diese unmittelbar am Rand (Edge) und speichert sie für spätere Anwendungen, angefangen mit einfachen Berichten für Big Data/Analysen bis hin zu Anwendungen wie Machine Learning, um Muster und Trends zu erkennen, sodass langfristige strategische Entscheidungen auf der Grundlage dieser Daten von der Geschäftsleitung getroffen werden können.

Genau hier müssen die Anwendungsbereiche von MES deutlich ausgebaut werden. Ein modernes MES muss über seine eigentliche Rolle der Modellierung und Prozessausführung hinausgehen und die erforderliche Datenplattform für die faktische Umsetzung von Industrie 4.0 bereitstellen; damit soll die Gestaltung einer cyber-physischen Arbeitsumgebung ermöglicht werden, die vorausschauende und präventive Betriebsentscheidungen erlaubt, welche entweder als vollständig oder in Teilen autonome Maßnahmen umgesetzt werden können.

Ein MES kann dies erreichen, indem es mit den Anwendungen und Maschinen der untergeordneten Ebene erfolgreich kommuniziert und dabei sicherstellt, dass Daten direkt, ohne Internet-Verbindung und möglichst sicher abgerufen werden. Dafür muss das MES effektiv mit Protokollen kommunizieren können, die auf der Steuerungsebene und der Maschinen-Integrationsebene existieren und für die Kommunikation zwischen Maschinen und Hosts verantwortlich sind. Der entscheidende Punkt ist hierbei nicht die Frage nach den vorhandenen Standards, sondern vielmehr nach der Erfüllung und Unterstützung dieser Standards mit Hilfe des MES, sodass der größtmögliche Nutzen durch die Einbindung der entsprechenden Standards erzielt wird und somit eine effiziente Erfassung und Bearbeitung von Maschinendaten möglich ist.

Wichtige Standards

Unterschiedliche Standards werden für die Kommunikation von Prozesskomponenten in verschiedenen Branchen eingesetzt. Hier werden einige der am weitesten verbreiteten aufgeführt:

  • Level 1 (Steuerungsebene, Maschinen-Ebene): OPC-UA; OPC-DA; SECS/GEM und IPC-CFX; für IIoT gehören dazu BLE und MQTT
  • Level 2 (Automatisierungsebene): BatchML, PackML, MIMOSA
  • Level 3 (IT-Ebene): REST, B2MML, ODBC

Diese Schnittstellen verfügen gewöhnlich über freigegebene Programmierschnittstellen, die zur Integrationskonfiguration, zur Festlegung der weiterzugebenden Daten sowie der zu verwendenden Methodologie, des Zeitrahmens und der Kadenz verwendet werden. Einige dieser Schnittstellen bieten deterministische Funktionen (bestätigte Übertragung), während andere von der Anwendungsseite zur Bestätigung eigerichtet werden müssen.

Der wirkliche Wert von Interfacing

Alle diese Standards und Protokolle dienen dem einfachen Zweck sicherzustellen, dass die von den Maschinen an die entsprechenden Server/Anwendungen in der IT-Infrastruktur übertragenen Daten verstanden werden und ihre Integrität sowie die Übertragungsgeschwindigkeit erhalten bleiben. Es wird gewährleistet, dass die Datenübertragung korrekt und sicher in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit abläuft, ohne den tatsächlichen Wert und die Bedeutung dieser Daten zu gefährden.

Aus einer MES-Perspektive ist es wichtig, dass das System die zahlreichen Kommunikations- und Integrationsstandards der Maschinen in Ihrem Betrieb kennt und über die erforderlichen Mechanismen verfügt, um diese Standards für den Zugang und die Nutzung der Maschinendaten innerhalb der Lösung einzusetzen. Dies ist erforderlich für Ihre MES-Entwickler, denn nur so ist sichergestellt, dass Ihr MES mit den anderen Quellen der Steuerungs- und Informationsebene tatsächlich interagieren kann.

Wenn Sie sich also für ein MES entscheiden, muss das gewählte MES die für Ihre Branche, Ihre Maschinen und Geräte gültigen Standards unterstützen und sicherstellen, dass die bereitgestellten Daten direkt am Ort ihrer Erzeugung verarbeitet und in den erforderlichen Datenseen/Datenbanken gespeichert werden können, sodass andere, übergeordnete Applikationsmodule tiefgehende und intelligente Geschäftsreaktionen auf Ihre Fertigungsdaten generieren können.

Durch Standardisierung und Protokolle ist der Datenabruf aus Maschinen zwar unkomplizierter, verfügt jedoch die Anwendung, welche die Daten nutzt – in unserem Fall das MES –über Funktionen zum Echtzeit-Edge-Processing, zur automatischen Echtzeit-Prozesssteuerung und ermöglicht detaillierte Datenanalysen mithilfe der Maschine Learning-Technologie, so erreicht eine einfache Einhaltung vorgegebener Standards sowie Datennutzung nicht die gewünschten Auswirkungen aus der Industrie-4.0-Perspektive. Die gespeicherten Daten sind wertvoll, der wahre Nutzen liegt jedoch in der Fähigkeit Ihres MES, diesen Wert weiter zu steigern. Setzen Sie Advanced Analytics, Machine Learning und andere Anwendungen ein, mit denen Sie und Ihr Unternehmen fundiertere Entscheidungen treffen können. Nur so können nicht nur die Betriebsabläufe optimiert, sondern auch die Strategie und Unternehmensziele langfristig unterstützt werden.

Die englische Originalversion dieses Artikels von Jeff Richardson (veröffentlicht am 7.12.2020) finden Sie hier.


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Five Ways Medical Device Industry Leaders Maintain their Manufacturing Edge
by Julie Fraser, Iyno Advisors
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