MES-Software: was sie ist, was sie leistet, wann ein KMU sie braucht

Eine MES-Software (Manufacturing Execution System) ist das System, das die Produktion begleitet, während sie stattfindet: welche Aufträge gerade bearbeitet werden, auf welcher Maschine, seit wann, mit wie vielen Gutteilen und wie viel Ausschuss, mit welcher Rohstoffcharge. Sie steht zwischen dem ERP-System, das weiß, was bis wann produziert werden muss, und den Maschinen, die nur wissen, was sie in diesem Moment tun. Hier finden Sie die korrekte Definition, den Unterschied zum ERP und einige Kriterien, um zu klären, ob Sie wirklich eine brauchen.

Was ist ein MES: die Definition von MESA und der Standard ISA-95

Die meistzitierte Definition stammt von MESA International, dem Verband, der sich seit den Neunzigerjahren mit Informationssystemen für die Fertigung befasst. Sinngemäß übersetzt besagt sie: MES liefern die Informationen, mit denen sich die Produktionstätigkeiten von der Auftragsfreigabe bis zum fertigen Produkt optimieren lassen, und mit aktuellen, genauen Daten steuert, startet, beantwortet und dokumentiert das MES die Vorgänge im Werk in dem Moment, in dem sie ablaufen.

Das Schlüsselwort ist „in dem Moment“. Ein ERP-System denkt in Tagen und Wochen: Kundenaufträge, Bedarfe, Einkauf, Kosten. Das MES denkt in Schichten, Stunden und Minuten.

Der Referenzstandard, um das MES in der Architektur einer Fabrik einzuordnen, ist ISA-95, international als IEC 62264 übernommen. ISA-95 teilt die Tätigkeiten eines Fertigungsunternehmens in Ebenen ein:

• Ebenen 0, 1 und 2: der physische Prozess, die Sensoren, die SPS und die Leitsysteme, die die Maschinen steuern;
• Ebene 3: das Manufacturing Operations Management, wo das MES arbeitet;
• Ebene 4: Unternehmensplanung und Logistik, also das ERP.

Der Standard dient vor allem dazu festzulegen, welche Informationen zwischen Ebene 3 und Ebene 4 fließen: Aufträge und Pläne gehen vom ERP in die Fertigung, Rückmeldungen zur Produktion und zum Verbrauch fließen zurück.

1997 hatte MESA außerdem elf typische Funktionen eines MES aufgelistet, von der Feinplanung über die Qualität und die Instandhaltung bis zur Rückverfolgbarkeit des Produkts. Kein KMU nutzt sie alle, und das ist in Ordnung.

Was eine MES-Software in der Praxis leistet

In einem mittelständischen Fertigungsbetrieb löst das MES wenige, sehr konkrete Probleme.

Fortschritt der Fertigungsaufträge

Die Arbeitsvorbereitung gibt den Auftrag im ERP-System frei. Das MES übernimmt ihn, reiht ihn auf der richtigen Maschine oder Linie ein, und der Werker sieht ihn an einem Terminal direkt an der Maschine. Wenn er einen Arbeitsgang beginnt, unterbricht oder abschließt, meldet er das mit einem Tippen oder per Barcode auf dem Arbeitsschein zurück. Der Meister sieht jederzeit, was steht, was im Verzug ist und was schon in der Prüfung liegt, ohne durch die Halle laufen zu müssen.

Zeiten, Stillstände und OEE

Der zweite Grund ist, zu wissen, wie lange ein Arbeitsgang wirklich dauert. Viele Unternehmen haben im ERP-System Vorgabezeiten, die vor Jahren eingetragen und seitdem nie überprüft wurden. Das MES erfasst Rüstzeiten, tatsächliche Zykluszeiten und Stillstände mit dem jeweiligen Grund: Material fehlt, Störung, Warten auf die Qualitätsprüfung, Werkzeugwechsel.

Aus diesen Daten berechnet sich die OEE (Overall Equipment Effectiveness, Gesamtanlageneffektivität), die gängigste Kennzahl dafür, wie viel eine Maschine im Verhältnis zu ihrem Potenzial produziert. Sie ist das Produkt aus drei Faktoren: Verfügbarkeit (wie lange die Maschine im Verhältnis zur geplanten Zeit gelaufen ist), Leistung (wie schnell sie im Verhältnis zum Nennzyklus gelaufen ist) und Qualität (wie viele Gutteile von allen Teilen). Wichtiger als der absolute Wert ist zu sehen, welcher der drei Faktoren Sie die meisten Stunden kostet, denn die Gegenmaßnahmen sind verschieden: Bei der Verfügbarkeit arbeiten Sie an Instandhaltung und Rüstvorgängen, bei der Qualität an Prozess und Material.

Rückverfolgbarkeit von Chargen und Komponenten

Wenn ein Kunde eine Charge reklamiert, müssen Sie nachvollziehen können, welcher Rohstoff verwendet wurde, auf welcher Maschine, in welcher Schicht, mit welchen Parametern. MESA nennt das Produktgenealogie. In Branchen wie Lebensmittel, Automotive oder Medizintechnik ist das eine Anforderung der Kunden, noch bevor es eine interne Entscheidung ist. Mit einem MES entsteht die Rückverfolgbarkeit während der Produktion, weil jede Verbrauchs- und Zugangsbuchung mit Chargen und Seriennummern verknüpft ist.

Erfassung von Maschinendaten

Die Rückmeldungen der Werker sind die erste Stufe. Die zweite ist, die Daten direkt aus den Maschinen zu lesen: Status (in Betrieb, gestoppt, im Alarm), Stückzähler, Prozessparameter. Moderne Maschinen haben fast immer eine SPS oder eine Elektronikplatine, die diese Daten über ein Industrieprotokoll bereitstellt, zum Beispiel Modbus TCP/IP oder OPC UA. Wenn die Erfassung automatisch läuft, hängen die Daten nicht mehr vom Gedächtnis dessen ab, der am Schichtende den Zettel ausfüllt.

Unterschied zwischen MES und ERP (und was mit PPS gemeint ist)

Die Verwechslung entsteht, weil viele ERP-Systeme ein „Produktionsmodul“ haben. In einem Unternehmen, das beides nutzt, teilen sich die Aufgaben so auf:

Was man im deutschsprachigen Raum PPS (Produktionsplanung und -steuerung) nennt und in Italien „gestionale produzione“, ist meist genau dieses Produktionsmodul des ERP: Stücklisten, Arbeitspläne, Fertigungsaufträge, Materialbedarfsplanung (MRP), eventuell mit einer vereinfachten Fortschrittsmeldung. Für viele Unternehmen genügt das. Das MES kommt ins Spiel, wenn diese vereinfachte Meldung nicht mehr reicht: zu viele Maschinen, zu viele Schichten, zu viele kleine Aufträge oder Kunden, die eine lückenlose Rückverfolgbarkeit verlangen.

Die beiden Systeme müssen miteinander sprechen. Die Aufträge gehen vom ERP an das MES, die Rückmeldungen (produzierte Teile, Ausschuss, verbrauchtes Material, Stunden) fließen zurück und aktualisieren Lager und Kosten. Wenn diesen Schritt ein Mensch durch Abtippen erledigt, haben Sie zwei Programme gekauft und das Problem behalten. Um dasselbe Thema geht es im Artikel über Systemintegration gegen verstreute Daten.

Wann ein Fertigungsbetrieb im Mittelstand ein MES braucht

Aus den Projekten, die wir begleiten, sind das die Anzeichen für echten Bedarf:

• der Meister verbringt einen großen Teil des Tages damit, mündlich nachzufragen, wie weit die Aufträge sind;
• die Zykluszeiten im ERP-System stimmen nicht mit den realen überein, und Angebote werden nach Gefühl kalkuliert;
• am Monatsende können Sie nicht sagen, was ein Auftrag wirklich gekostet hat, weil Stunden und Ausschuss nicht pro Auftrag erfasst werden;
• ein wichtiger Kunde verlangt die Rückverfolgbarkeit der Chargen, und heute rekonstruieren Sie sie von Hand;
• Sie arbeiten in mehreren Schichten, und bei der Übergabe gehen Informationen verloren;
• die Maschinen haben wertvolle Daten (Alarme, Stückzähler, Parameter), die niemand ausliest.

Wenn drei oder mehr dieser Punkte auf Sie zutreffen, lohnt es sich, ein MES oder zumindest einen Teil seiner Funktionen zu prüfen.

Wann weniger reicht

Haben Sie eine Fertigung mit fünf oder sechs Maschinen, eine einzige Schicht und lange Aufträge, ist ein vollständiges MES verschwendet. Es genügen Fortschrittsmeldungen im Produktionsmodul des ERP, per Tablet in der Halle statt auf Papier. Der nächste Schritt, falls nötig, ist das Auslesen von Status und Stückzahl der wichtigsten Maschinen. Feinplanung mit begrenzter Kapazität und vollständige Genealogie kommen erst, wenn die Mengen es rechtfertigen.

Ein stufenweises Vorgehen funktioniert fast immer besser als ein einziges Großprojekt:

1. digitale Meldung von Beginn und Ende eines Arbeitsgangs, mit einfachen Stillstandsgründen;
2. Anbindung der Maschinen, die die Kapazität am stärksten bestimmen;
3. automatischer Austausch von Aufträgen und Rückmeldungen mit dem ERP;
4. Rückverfolgbarkeit von Chargen, Qualität und Instandhaltung, wenn Ihr Markt es verlangt.

Es gibt auch den umgekehrten Fall. Arbeiten Sie in einer regulierten Branche mit formalen Anforderungen an die Validierung von Software, ist ein in Ihrer Branche verbreitetes Standard-MES oft die vorsichtigere Wahl, auch wenn es mehr kostet. Eine Individualentwicklung ist sinnvoll, wenn Ihre Prozesse oder Maschinen besonders sind und Standardprodukte Sie zwingen, Ihre Arbeitsweise an die Software anzupassen. Allgemeiner behandeln wir das im Leitfaden Individualsoftware oder Standardsoftware.

Maschinenanbindung: das Teil, das meistens fehlt

In MES-Projekten wird die physische und logische Anbindung der Maschinen am meisten unterschätzt. Die typische Fertigung eines KMU hat Maschinen unterschiedlichen Alters und unterschiedlicher Hersteller: Manche stellen Daten über Standardprotokolle bereit, andere haben nur einen digitalen Ausgang für den Stückzähler, wieder andere gar nichts. Bevor Sie eine Software auswählen, lohnt sich eine Bestandsaufnahme: für jede Maschine, welche Steuerung sie hat, welches Protokoll, ob sie schon im Netz ist.

Dann sind drei Entscheidungen früh zu treffen:

• nur lesen oder auch schreiben: Status und Parameter auszulesen ist einfach, Rezepturen zu senden oder Zyklen aus der Ferne zu starten verlangt strengere Sicherheitsregeln und Berechtigungen;
• wo die Daten liegen: auf einem Server im Werk oder in der Cloud, je nach Vertraulichkeit und Qualität der Verbindung;
• wie das Maschinennetz vom Büronetz getrennt wird, damit die Steuerungen nicht für jeden offenliegen, der im Firmen-WLAN ist.

Manchmal kommt die Lösung von denen, die die Maschinen bauen, wie im folgenden Fall.

Der Fall Buzzi Connect: Maschinendaten bereit für MES und ERP

Die Buzzi SRL ist ein italienischer Fertigungsbetrieb, der Maschinen für das Hochfrequenzschweißen entwickelt und baut: Standardschweißmaschinen, Rundtischmaschinen und Schweiß-Stanz-Maschinen, jeweils nach Kundenwunsch konfigurierbar. Die Maschinen haben digitale Platinen und moderne elektronische Steuerungen, waren aber wie viele professionelle Maschinen nicht von Haus aus für Cloud-Integrationen ausgelegt. Jede Schweißmaschine arbeitete als eigenständige Einheit, funktionsfähig, aber isoliert.

Die Kunden von Buzzi, Fertigungsbetriebe aus verschiedenen Branchen, wollten die Maschinen aus der Ferne überwachen und steuern, die Produktionsdaten in ihre eigenen MES- und ERP-Systeme übernehmen, eine Diagnose zur Vermeidung von Stillständen haben und mehrere Buzzi-Maschinen im selben Werk koordinieren.

Für Buzzi haben wir Buzzi Connect entwickelt, eine Webanwendung, die lokal in den Werken der Kunden auf einem eigenen Server oder einem Industriegerät installiert wird. Die Software kommuniziert mit den Maschinen über Modbus TCP/IP, ohne Änderungen an der Hardware. Über die Weboberfläche, erreichbar per PC, Tablet oder Smartphone im Netz, sieht der Bediener Status, Parameter, Produktionsstatistiken und Alarme jeder Maschine in Echtzeit, kann Bearbeitungsparameter ändern, Zyklen starten und stoppen und mehrere Maschinen über ein einziges Dashboard steuern.

Für das Thema dieses Artikels zählt vor allem ein Punkt: Buzzi Connect erfasst und speichert die Produktionsdaten und macht sie für die Unternehmenssysteme des Kunden exportierbar, MES und ERP eingeschlossen. Buzzi Connect ist kein MES. Es ist die Schicht, die die Maschinen bereit macht, mit dem MES zu sprechen, das der Kunde schon hat oder einführen wird. Die Sicherheit wurde für die Fabrik ausgelegt: ein segmentiertes Netz, das den Steuerungsverkehr isoliert, HTTPS auch im lokalen Netz, Zugang mit persönlichen Zugangsdaten und Anbindung an LDAP/Active Directory, getrennte Rollen für Bediener, Instandhalter und Administratoren, Protokolle aller Vorgänge und Produktionsdaten, die innerhalb des Unternehmens bleiben.

Wenn Sie Maschinen bauen, lautet die Lehre: Ihre Kunden werden früher oder später verlangen, dass Sie sich an ihr MES anbinden, und es lohnt sich, darauf vorbereitet zu sein. Wenn Sie Maschinen einsetzen, fragen Sie Ihre Lieferanten vor der Bestellung, welche Daten sie bereitstellen und über welches Protokoll. Mehr technische Details finden Sie im Artikel über Buzzi und die vernetzte Fertigung.

Wie Sie zu einem MES kommen, ohne die Fertigung anzuhalten

Das Risiko eines MES-Projekts ist, dass es zu einer Baustelle wird, die ein Jahr dauert, während die Fertigung weiter mit Papier arbeitet. Wir gehen anders vor.

Wir beginnen mit einer Analyse in der Halle, mit den Leuten an den Maschinen und nicht nur mit der Geschäftsleitung: welche Meldungen sie heute machen, auf welchem Formular, zu welchem Zeitpunkt der Schicht. Dann wählen wir eine Pilotlinie oder eine Gruppe von Maschinen. Die Entwicklung läuft in Sprints von zwei Wochen: Am Ende jedes Sprints gibt es eine funktionierende Version in einer Staging-Umgebung, die der Meister mit echten Daten testet, bevor sie in den Produktivbetrieb geht. Die Integration mit dem ERP-System erfolgt über APIs, sodass Aufträge und Rückmeldungen ohne Abtippen von einem System ins andere gelangen. Wie dieser Austausch funktioniert, erklärt der Artikel über APIs im Unternehmen in einfachen Worten. Der Quellcode bleibt Eigentum des Kunden.

Unsere Arbeit an Integrationen zwischen Maschinen, MES und Unternehmenssoftware beginnt fast immer genau hier.

Sprechen wir über Ihre Fertigung

Wenn Sie eine MES-Software in Betracht ziehen oder sich fragen, ob Ihr PPS-System noch ein paar Jahre reicht, ist der erste sinnvolle Schritt, gemeinsam anzusehen, wie Ihre Fertigung heute arbeitet: Maschinen, Meldungen, Übergaben zwischen Büro und Produktion. In einem einstündigen Gespräch klären wir, ob Sie ein MES brauchen, eine Anbindung der Maschinen oder nur eine bessere Art, den Fortschritt zu erfassen. Vereinbaren Sie einen Termin mit uns und bringen Sie die Liste Ihrer Maschinen und einen typischen Arbeitsschein mit.