Industrie 4.0: MES ermöglicht Dezentralisierung

Jürgen Kletti

Auf dem Weg ins Industrie 4.0-Zeitalter stehen Fertigungsunternehmen vor der Herausforderung, die wachsende Komplexität zu beherrschen und gleichzeitig effizienter zu werden. Dezentralität in der Organisation ist hierfür ein zielführender Ansatz – aber dabei wird klar: ohne ein Manufacturing Execution System (MES) funktioniert das nicht! Warum das so ist, ergibt sich aus der Konkretisierung des Zukunftskonzepts MES 4.0.

Mit dem Zukunftskonzept MES 4.0 werden die Anforderungen der Industrie 4.0 an die Fertigungs-IT konsolidiert. Aus den bisher behandelten Handlungsfeldern Mobilität, Flexi- bilität, Unified Shopfloor Connectivity und Management Support sind bereits praxisnahe Produkte entstanden wie beispielsweise die mobilen Smart MES Applications (SMA), die universelle Maschinenschnittstelle UMCM und die neue Version des Kennzahlensystems MES-Cockpit. Ein aktuelles Beschäftigungsfeld im MES-Bereich ist die Dezentralität. Dabei werden unterschiedliche Aspekte mit Blick auf Technologie, Anwendung und Organisation analysiert.

Technologischer Lösungsansatz
Seit jeher hört man unter der Überschrift Industrie 4.0 hauptsächlich informationstechnologische Schlagworte wie beispielsweise Cloud Computing, Big Data, Internet der Dinge oder Cyber Physical System (CPS). Unter anderem soll damit ausgedrückt werden, dass Industrie 4.0 für Dezentralisierung steht. Auch CIM (Computer Integrated Manufacturing) verfolgte in den 1980er Jahren einen technologischen Ansatz. Letzten Endes scheiterte es daran, dass es für die neuen Technologien keine Anwendungen gab bzw. die damaligen Herausforderungen mit der neuen Technologie auch nicht gelöst werden konnten. All das wird mit Industrie 4.0 besser – so zumindest der Plan. Natürlich versuchen auch unter dem mittlerweile etablierten Hype-Thema Industrie 4.0 viele Technologieanbieter, ihre Innovation zu vermarkten. Aber die wahren Potenziale stecken in der Organisation bzw. in der Anwendung selbst.

Warum fordert Industrie 4.0 die Dezentralisierung?
Immer mehr wird klar, dass eine Flexibilisierung von Prozessen und damit die Erweiterung der Möglichkeiten nur mit einer Dezentralisierung einhergehen können, da ansonsten die Komplexität einer zentralen Steuerung nicht mehr beherrschbar wäre. Damit erscheint die Forderung von Industrie 4.0 nach Dezentralität in einem ganz anderen Licht: es geht dabei um intelligentere Prozesse und mehr Entscheidungsfreiheit – Technologie steht erst in zweiter Reihe. Demnach müsste die Herleitung der Industrie 4.0 wie folgt geändert werden: 1.0 = Dampfmaschine; 2.0 = Förderband; 3.0 = Automatisierung; 4.0 = Dezentralisierung in der Organisation. Bisher steht an vierter Stelle das – noch immer nicht endgültig definierte – CPS.

Dezentralität in der Organisation
Aber Dezentralität beginnt oftmals in viel kleinerem Maßstab. Im Gegensatz zur immer noch weitverbreiteten hierarchischen Fertigungssteuerung nehmen immer mehr selbstregelnde Systeme und intelligente Steuerungsmechanismen Einzug in moderne Fabrikhallen. Dabei geht es nicht immer um intelligente Maschinen sondern häufig um intelligente Prozesse bzw. darum, dass die Menschen in der Fertigung mehr Entscheidungsfreiheit bekommen. Der Mensch als flexibles und autonomes Wesen kann sein direktes Arbeitsumfeld sehr gut überblicken und basierend darauf deutlich bessere Entscheidungen treffen als ein zentrales System. Letzteres überblickt zwar die komplette Fabrik, übersieht möglicherweise aber lokale Details oder bewertet diese unzureichend. Dezentralität in der Organisation ist daher so zu verstehen, dass Entscheidungen, die früher zentral getroffen wurden, nun in die jeweiligen Bereiche delegiert werden. Ob ein Mensch diesen Entscheidungsspielraum nutzt oder ein dezentrales IT-System, ist dabei nicht relevant. Das funktioniert aber nur, wenn alle relevanten Informationen auch dezentral verfügbar sind. Die lokale Instanz kann diese dann mit eigenen Erkenntnissen anreichern und basierend darauf Entscheidungen treffen.


Bild1: Beim dezentralen Transportmanagement im MES HYDRA kann der Staplerfahrer selbst aus den verfügbaren Transportaufträgen wählen. Dadurch entfällt eine zentrale Transportplanung.

Dezentrale Anwendungen der Intralogistik
Ein einfaches Beispiel einer dezentralen und selbstregelnden Anwendung ist Kanban. Zur Erinnerung: Bei Kanban geht es darum, bestimmte Teile nur dann zu fertigen, wenn Sie benötigt werden – und dann nur in einer vorgegebenen Menge, so dass keine übermäßigen Bestände aufgebaut werden. Oftmals ist auch vom Pull-Prinzip oder Supermarkt die Rede. In der klassischen Form ist Kanban sogar so dezentral, dass ein zentraler Eingriff das System empfindlich stören würde. Durch die Erweiterung um eine elektronische Komponente werden die Abläufe transparent und können so mit anderen Prozessen synchronisiert werden. Man spricht dann von eKanban. Der dezentrale Charakter, dass der Auslöser zur Nachproduktion aus dem Feld und nicht aus der zentralen Planung kommt, ist auch bei eKanban ein wichtiges Merkmal und Garant für die Effizienz der Methode.

Auch ein modernes Transportmanagement kann dezentral organisiert werden. Hierzu bekommt der Werker an der Maschine bzw. am Arbeitsplatz die Möglichkeit, Transportaufträge zu generieren: z. B. ein volle Palette soll abgeholt und eingelagert werden. Sobald der Transportauftrag mit Quelle, Ziel und zu transportierender Ware angelegt ist, kann der nächste freie Staplerfahrer diesen reservieren und anschließend durchführen. Auch der Transport von Rohmaterial zu Beginn eines Produktionsauftrags oder die Anlieferung eines Werkzeugs zum Rüsten der Maschine ist mit solch einem dezentralen Ansatz möglich. Durch ein intelligentes Verteilungsverfahren und die Entscheidungsfreiheit der Transporteure wird sichergestellt, dass kein zentraler Eingriff nötig ist. Trotzdem ist zentral bekannt, welche Transporte aktuell durchgeführt werden und welche noch anstehen.

Kombination dezentraler Systeme
Sowohl bei eKanban als auch bei einem dezentralen Transportmanagement profitieren Unternehmen von einem geringen Planungs- und Koordinationsaufwand, da die beiden Systeme dies per Definition selbst erledigen. Kombiniert man nun eKanban mit einem Transportmanagement, so reduziert sich der Aufwand weiter: Immer dann, wenn ein leerer oder neu befüllter Behälter bewegt werden soll, wird nun automatisch ein passender Transportauftrag generiert. Dadurch wird gleichzeitig sichergestellt, dass jeder Kanban-Behälter auch wieder in den richtigen Kreislauf eingespeist wird. Parallel dazu zeigt die eKanban-Tafel immer den aktuellen Zustand aller Behälter im Kreislauf. Zur Unterstützung können beispielsweise wiederbeschreibbare RFID-Tags verwendet werden, die Informationen über den Kanban-Kreislauf sowie über das Material im Behälter dezentral speichern. Alternativ ist die Kennzeichnung der Behälter mit einem Barcode möglich, wobei alle zugehörigen Informationen dann zentral im System gespeichert werden.

Denkt man das bisher entwickelte Szenario noch einen Schritt weiter, so könnte das Transportmanagement über eine Schnittstelle mit einem führerlosen Transportsystem gekoppelt sein. Dann würden die Transportaufträge dort mittels Routenoptimierung in eine passende Reihenfolge gebracht und automatisch abgearbeitet werden. Alternativ unterstützen mobile Anwendungen den reibungslosen Ablauf bzw. erhöhen die Flexibilität bei der Generierung von Transportaufträgen. So könnte auch mittels einer mobilen App ein Transportauftrag generiert werden, sobald z. B. ein Transportmittel ausfällt und die liegengebliebenen Aufträge von einem anderen Transporteur übernommen werden müssen.


Bild 2: Auf der elektronischen Kanban-Tafel im MES HYDRA sieht der Werker auf einen Blick, in welchem Zustand sich die einzelnen Kreisläufe befinden. Ein zentraler Eingriff ist nicht nötig.

Zentrale Synchronisation mit einem MES
Unabhängig von der Anwendung und deren Automatisierungsgrad ist die ständige Synchronisation mit einem zentralen System unabdingbar – einerseits aus Transparenzgründen und andererseits, um kritische Situationen möglichst früh erkennen und nach Möglichkeit umgehen zu können. Ein System, das viele dezentrale Prozesse synchronisieren soll, muss dazu einerseits über ein breites Feld an Informationen verfügen und andererseits echtzeitfähig sein, um die vorhandenen Informationen auch nutzen zu können. Gemäß der VDI-Richtlinie 5600 erfüllt ein Manufacturing Execution System (MES) genau diese Anforderungen und eignet sich daher ausgezeichnet als zentrale Informations- und Datendrehscheibe in der Produktion. Das Wissen über die Maschinen und Werkzeuge, das Material, die Aufträge sowie das Fertigungspersonal befähigt ein MES, zentrale Synchronisationsaufgaben zu übernehmen. Andererseits kann ein solches System auch dezentrale Planungsszenarien überwachen und synchronisieren. Schließlich bleibt die Aufgabe, alle in der Fertigung erfassten Daten soweit zu verdichten, dass diese an ein überlagertes ERP-System zurückgemeldet werden können. Und spätestens hier wird deutlich, dass eine dezentrale Organisation zwar von großem Vorteil sein kann, ab einem gewissen Punkt eine zentrale Instanz jedoch unverzichtbar ist.

Der Weg zur Dezentralisierung
Die Vorteile einer Dezentralisierung liegen auf der Hand:

  • Dezentrale Intelligenz und Entscheidungsfreiheit reduziert sowohl den Planungsaufwand als auch die Komplexität an zentraler Stelle oft deutlich.
  • Wichtig dabei ist die Synchronisation mit einer zentralen Instanz – z. B. mit einer MES-Lösung.
  • Die eingesetzte Technologie spielt meist eine untergeordnete Rolle und unterstützt lediglich die dezentral organisierten Prozesse.

Nun liegt es an jedem Fertigungsunternehmen selbst, die Ausgangssituation zu analysieren und zu definieren welche Ziele erreicht werden sollen. Die Einführung eines MES als zentrale Informations- und Datendrehscheibe ist in jedem Fall ein Schritt in die richtige Richtung – die Umstellung auf dezentral organisierte Abläufe in Fertigung und Intralogistik ein zweiter.

Schlüsselwörter:

MES, Manufacturing Execution, Industrie 4.0, Dezentralität, Produktionssteuerung