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Manufacturing-Execution-Systeme

Manufacturing-Execution-SystemeDie selbstregelnde Fabrik

Mobile MES-Anwendungen mit Hydra von MPDV

Begriffe wie Selbstregelung, Selbstoptimierung oder selbstlernende Maschinen tauchten bereits in den Anfängen der Industrie 4.0 auf. Sie halten sich hartnäckig, werden in jüngster Zeit sogar häufiger genannt.

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Manufacturing-Execution-SystemeDie selbstregelnde Fabrik

Begriffe wie Selbstregelung, Selbstoptimierung oder selbstlernende Maschinen tauchten bereits in den Anfängen der Industrie 4.0 auf. Sie halten sich hartnäckig, werden in jüngster Zeit sogar häufiger genannt. Was genau steckt hinter diesem Themenfeld und was bringt es der Fertigungsindustrie?

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Mobile MES-Anwendungen mit Hydra von MPDV

Nach wie vor träumen viele Enthusiasten davon, dass sich mit Industrie 4.0 alles selbst regelt und kein Mensch mehr eingreifen muss. Um diese Komplexität zu beherrschen, müsste man aber die gesamte Erfahrung und Intelligenz der Menschheit in ein IT-System übertragen. Bis dahin wird es noch etwas dauern – und die menschenleere Fabrik ist zudem nicht im Sinne der Industrie 4.0. Daher soll sich dieser Beitrag auf die Selbstregelung als eine relativ klar umrissene Disziplin beschränken. Innovative Konzepte wie Selbstoptimierung oder selbstlernende Maschinen sollen als weiterführende Ansätze gesehen werden, die mit hoher Wahrscheinlichkeit auf die Selbstregelung aufbauen. Einfach gesagt geht es bei der Selbstregelung darum, dass ein bestimmter Ablauf bzw. Prozess sich selbst so reguliert, dass vorgegebene Parameter möglichst gut eingehalten werden. Im Fertigungsumfeld geht es etwa um eine optimale Auslastung von Maschinen, die Sicherstellung von Qualität oder Steigerung der Produktivität. Die Zahl der möglichen Stellgrößen sowie der spezifizierten Zielparameter ist dabei beliebig groß. Auch lassen sich manche Parameter nur durch manuellen Eingriff verändern. Trotzdem führen die Ansätze der Selbstregelung zum Erfolg – vorausgesetzt, man definiert die passenden Regelkreise und stattet diese mit den notwendigen Kompetenzen und Befugnissen aus.

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Gemäß dem Vier-Stufen-Modell „Smart Factory“ von MPDV braucht die moderne Fertigung zunächst Transparenz und Reaktionsfähigkeit, um darauf aufsetzend eine Selbstregelung einzurichten. Basis für die beiden ersten Stufen sind integrierte Manufacturing-Execution-Systeme (MES), die dazu sowohl Daten in Echtzeit erfassen als auch Funktionen zu deren Visualisierung und zur Steuerung der Produktion anbieten. Die Selbstregelung ist nun die nächste Stufe der Nutzung von erfassten Daten und etablierten Steuerungsmechanismen. Die einfachste Form der Selbstregelung besteht darin, einen oder mehrere Parameter zu überwachen und beim Überschreiten der gesetzten Schwellenwerte eine Benachrichtigung zu verschicken bzw. ein Signal zu geben, damit manuell darauf reagiert werden kann. In heutigen MES-Systemen heißen Funktionen dieser Art beispielsweise „Eskalationsmanagement“ oder „Messaging & Alerting“. Etwas mehr können Funktionsbausteine, die im MES in der Regel als „Workflow-Management“ bezeichnet werden. In diesem Fall wird nicht nur über die Abweichung vom Soll informiert, sondern auch gleich eine Gegenmaßnahme vorgeschlagen oder eingeleitet. Eine weitere Steigerung sind komplett selbstregelnde Systeme. Ein Beispiel hierfür ist Kanban bzw. das digital unterstützte Äquivalent eKanban. Damit wird automatisch Nachschub bestellt, sobald das Material zur Neige geht. Durch die eingebaute Regelung werden jedoch keine unnötigen Bestände aufgebaut. Die Königsklasse der Selbstregelung ist die Prozessverriegelung. Diese stellt beispielsweise sicher, dass nur das Material verwendet wird, das für den jeweiligen Arbeitsschritt vorgesehen ist, und dass nur diejenigen Teile weiterkommen, die einwandfrei bearbeitet wurden. Alle diese Ausprägungen der Selbstregelung lassen sich mit einem integrierten MES abbilden, da die dafür notwendigen Informationen bereits im System vorliegen und auch die beteiligten Personen mit dem MES interagieren.

Stets sollte im Vordergrund stehen, dass die Technik eine Unterstützung für den Menschen ist und nicht der Mensch der Technik zu dienen hat. Vielmehr wird der Werker durch die Unterstützung des MES zum „Augmented Operator“. Hinter diesem Begriff steckt das Konzept, dass der Werker unmittelbaren Zugang zu weiterführenden Informationen hat, die ihm in der jeweiligen Situation nützlich sind, um fundierte Entscheidungen zu treffen. Durch eine geeignete Mensch-Technik-Schnittstelle wird der Werker so auf ergonomische Art und Weise zum Teil der Selbstregelung. Um die Wirksamkeit dieser Integration zu steigern, sollten die Mitarbeiter in ihrem jeweiligen Bereich mit den notwendigen Kompetenzen ausgestattet werden, um im Bedarfsfall dezentrale Entscheidungen zu treffen.

Von der Analyse bis zum IT-System
Auf dem Weg zur Selbstregelung und somit auch zur Dezentralisierung braucht es mehr als nur ein MES oder IT-Unterstützung. Vielmehr geht es um einen Paradigmenwechsel in der Fertigungskultur, die sich oftmals in einer eingefahrenen Organisation widerspiegelt. Daher empfiehlt sich zu Beginn eine umfassende Analyse des Ist-Zustands: Prozesse und Abläufe, Zuständigkeiten, dokumentierte und nicht dokumentierte Regeln sowie Erfahrungen, die ausschlaggebend für Entscheidungen im jeweiligen Bereich sind. Bei dieser Gelegenheit sollte der Ist-Zustand zumindest hinterfragt und die zugrundeliegenden Prozesse bestenfalls verschlankt werden. Die Methoden des Lean Manufacturing haben sich dabei als zielführend erwiesen. Nun gilt es, die erfasste und möglichst optimierte Gesamt-situation in Regelkreisen abzubilden. Dazu eignen sich sowohl einfache Wenn-dann-Beziehungen als auch komplexe, ggf. mathematische Abhängigkeiten. Erst in einem dritten Schritt werden diese Regelkreise dann in einem geeigneten IT-System abgebildet. Die meisten fertigungsnahen Regelkreise lassen sich mit einem modernen MES umsetzen.

Dass Regelkreise und somit auch die Selbstregelung keine Erfindung der Industrie 4.0 sind, belegen smarte Anwendungen, die Fertigungsunternehmen unterschiedlicher Branchen und Größen bereits erfolgreich mit einem MES umgesetzt haben: Ein Kunststoffverarbeiter nutzt den erfassten Energieverbrauch der Maschinen in Korrelation zu den angemeldeten Aufträgen, um festzustellen, wann die Anlage die nächste Wartung benötigt. Hierzu gleicht das MES den Soll-Verbrauch mit dem Ist-Verbrauch ab, was als Regelkreis so definiert wird: Wenn der erfasste Verbrauch mehr als 30 % über der Vorgabe liegt, ist eine außerplanmäßige Wartung anzusetzen. Der zugehörige Wartungsauftrag wiederum wird über den Auftragsvorrat automatisch zeitnah eingelastet. Nach Durchführung der Wartung wird auch das reguläre Wartungsintervall zurückgesetzt, was zu einer deutlich effizienteren Nutzung der Anlage führt.

Bei der Herstellung variantenreicher Zulieferteile für die Automobilindustrie muss einerseits der komplette Herstellungsprozess dokumentiert und andererseits sichergestellt werden, dass nur einwandfreie Teile verarbeitet und ausgeliefert werden – meist in einer vorgegebenen Reihenfolge. Eine in diesem Sinne implementierte Prozessverriegelung prüft für jedes Teil bei jedem Arbeitsschritt, ob dieses für diesen Schritt freigegeben ist und die bisherige Verarbeitung ohne Fehler verlief. Auf Basis einer kontinuierlichen Dokumentation sämtlicher Parameter ist diese Abfrage als Abgleich mit den Soll-Vorgaben ohne weiteres im MES möglich. kf

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