Fertigungs-IT im Umbruch: Die Architektur der Manufacturing Integration Platform

Für die Fabrik der Zukunft gilt es, Daten zu erfassen, um die Basis für das digitale Abbild der Fertigung zu schaffen. Die steigende Zahl von Datenlieferanten, Sensoren und Anwendungen schreit geradezu nach einer neuartigen, einer in alle Richtungen offenen Architektur. von Dr. Jürgen Kletti

Mit der Manufacturing Integration Platform (MIP) beschreibt MPDV eine offene Plattform, die einen Lebensraum für auf ihr aufbauende fertigungsnahe Anwendungen bietet und damit eine ganzheitliche digitale Transformation ermöglicht.Bilder: MPDV Mikrolab

Menschen wollen Antworten auf konkrete Fragen. Daher braucht es geeignete Methoden, um aus den Rohdaten der digitalen Basis nutzbare Informationen abzuleiten und diese bedarfsgerecht als Antworten darzustellen.

Vehikel der Darstellung ist die vollständige Abbildung der realen physischen Welt in digitaler Form und die Etablierung leistungsfähiger Regelkreise. Viele Fertigungsunternehmen haben sich bereits auf den Weg gemacht und streben nach mehr Transparenz und Effizienz – ganz im Sinne von Industrie 4.0 und Internet of Things. Es sollen dabei sowohl Systeme vernetzt, Objekte modelliert und die jeweiligen Prozesse flexibel abgebildet und integriert werden. Ziel dabei ist, eine übergreifende Interoperabilität über alle Prozesse und Systeme sicherzustellen.

Offene Integrationsplattform als Antwort

Was bleibt, ist die Lücke zwischen den Rohdaten im Shopfloor und den Informationsbedarfen der Anwender und IT-Systeme. Denn erst durch geeignetes Verdichten, Aggregieren und Kumulieren von Daten entstehen verwertbare Informationen. Heute erledigen Manufacturing-Execution-Systeme (MES) diese Aufgabe. Die Anforderungen an solche Systeme werden jedoch immer komplexer. Auch die von den produktionsnahen Abteilungen geforderten Anwendungen werden stetig vielschichtiger, was zwangsweise zu einer höheren Modularität und Flexibilität der Systeme führen muss. In Summe wächst die Herausforderung, diese Aufgaben mit einer zentralen Standardlösung zu realisieren.

Als notwendige Folge braucht es eine offene Integrationsplattform, um MES-Komponenten und weitere fertigungsnahe Systeme standardisiert miteinander zu vernetzen. Damit würde man viele der genannten Anforderungen erfüllen und zudem eine anbieterübergreifende Nutzung von Anwendungen aller Art ermöglichen (etwa MES, ERP, PLM und so weiter). Zudem können sich völlig neue Kooperationen zwischen Entwicklungs- und Implementierungspartnern ergeben.

Standard- und Sonderlösungen kombinieren

Die neue Plattform versetzt Anwender in die Lage, eigenentwickelte Software mit individuellen Sonderlösungen und verfügbaren Standardapplikationen quasi „out of the box“ zu kombinieren. Über das Verhältnis aus Eigenentwicklung und Fremdbezug kann der Anwender zu jedem Zeitpunkt frei entscheiden. Dabei ermöglicht die Plattform den Zugriff sowohl auf lokale Ressourcen als auch auf solche, die über das Internet of Things angebunden sind.

Dafür besteht die Manufacturing Integration Platform aus folgenden Kernkomponenten:

• Virtual Production Reality (ViPR): enthält alle Datenobjekte des Shopfloors, losgelöst von heutigen Kategorien wie Fertigung, Qualität und Personal

• Content Access Services (CAS): ermöglichen den leichten Zugriff auf die Datenobjekte der ViPR

• Enterprise Connectivity Services (ECS): bieten Methoden für die Anbindung von Business-IT-Systemen wie ERP, PLM und so weiter

• Shopfloor Connectivity Services (SCS): unterstützen die Anbindung von Maschinen und Anlagen sowie jeglichen Datenerfassungssystemen

• User Management Services (UMS): ermöglichen Benutzeradministration und Rechteverwaltung

• General Security Services (GSS): bietet Sicherheits- und Überwachungsmechanismen

• MIP-Add-Ons: erweitern die Plattform um zusätzliche Funktionalitäten

Die darauf aufsetzenden Manufacturing Apps (mApps) enthalten die komplette Business-Logik und stellen dem Anwender die benötigten Funktionen bereit.

Abseits der eigentlichen Plattform erlaubt das MIP Software Development Kit (SDK) eine individuelle Anpassung der einzelnen Komponenten sowie die Erstellung eigener Anwendungen.

Beispiel aus der Praxis

Ein Beispiel soll die Funktionsweise der Manufacturing Integration Platform verdeutlichen: Ein Fertigungsunternehmen hat mehrere Maschinen. Sowohl die Maschinen mit ihren Stammdaten als auch die Beschreibung der gefertigten Artikel und alle Arbeitspläne sind in der virtuellen Abbildung ViPR hinterlegt. Die realen Maschinen sind über Shopfloor Connectivity Services (SCS) mit den entsprechenden Abbildern, sogenannten Manufacturing Business Objects, verbunden. Hierfür werden Daten im Shopfloor erfasst und in der ViPR gespeichert. Werden nun Aufträge im ERP-System erstellt, gelangen diese über Methoden und Funktionen der Enterprise Connectivity Services (ECS) auch in die ViPR. Die Content Access Services (CAS) erleichtern dabei den Zugriff auf die Datenobjekte in der ViPR. Mit einer mApp kann der Planer des Unternehmens nun festlegen, wann die jeweiligen Aufträge auf welchen Maschinen zu fertigen sind.

Die getroffene Zuordnung wird in der ViPR hinterlegt, damit andere mApps im Shopfloor die anstehenden Aufträge an der jeweiligen Maschine anzeigen können. Soll nun ein Auftrag angemeldet werden, erfolgt dies über einen Aufruf der mApp im Shopfloor an die Content Access Services. Ab jetzt werden alle erfassten Echtzeitdaten sowohl der entsprechenden Maschine als auch dem angemeldeten Auftrag zugeordnet. Eine mApp zur Auswertung kann nun direkt auf die Daten des Auftrags zugreifen. Alternativ wird als Zwischenschritt eine andere mApp damit beauftragt, die Daten vorab zu verdichten und daraus geeignete Kennzahlen zu berechnen.

Diese Abläufe wären heute zwar auch mit einem MES abbildbar, allerdings nur, wenn alle Komponenten von einem einzigen Anbieter stammen beziehungsweise in einem einzigen System integriert sind. Im Angesicht stetig wachsender Komplexität in der Produktion kann es jedoch Sinn machen, wenn Komponenten und Anwendungen unterschiedlicher Herkunft flexibel miteinander kombiniert werden. Hierfür wird eine offene Systemstruktur benötigt, wie sie die Manufacturing Integration Platform bereitstellt.

Heute schon geschätzte Eigenschaften wie beispielsweise die horizontale Integration entfalten mit MIP ihre volle Leistungsfähigkeit. Heute noch in Kategorien wie Fertigung, Qualität und Personal eingeordnete Daten oder Funktionen können zukünftig vollkommen losgelöst und übergreifend ausgewertet werden. Dank dieser Eigenschaften ist MIP sowohl innovativ als auch zukunftssicher.

Jedem das seine – MES oder MIP?

Die MIP kombiniert den Funktionsumfang heutiger Manufacturing Execution Systeme mit der Möglichkeit, Anwendungen unterschiedlicher Anbieter und eigenentwickelte Teile der Infrastruktur miteinander zu kombinieren. Auch eine funktionale Trennung nach Fertigung, Qualität und Personal wird dadurch aufgehoben. Dennoch werden heutige MES-Systeme für viele Unternehmen noch über eine lange Zeit die erste Wahl bleiben. Parallel dazu wird sich aber eine offene Welt von mApps, MIP-Add-Ons und Dienstleistern entwickeln, die die Manufacturing Integration Platform sukzessive am Markt etablieren – quasi als neue Variante zur Realisierung eines MES.jbi

Autor: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Kletti ist geschäftsführender Gesellschafter der MPDV Mikrolab GmbH.

Drei Fragen an Prof. Dr.-Ing. Jürgen Kletti

Herr Prof. Kletti, aus welchem Grund beschäftigen sich die MES-Experten von MPDV seit einiger Zeit mit einem neuen Plattformansatz?

Kletti: Wir beobachten immer häufiger, dass Fertigungsunternehmen eigene Anwendungen integrieren oder Systeme anderer Anbieter anbinden wollen – mal ganz abgesehen von der üblichen ERP-Anbindung. Auch die unternehmensübergreifende Vernetzung von Fertigung und IT-Systemen wird immer öfter nachgefragt. Daraus leiten wir den Bedarf an einer neuen, offenen Plattformarchitektur für MES-Aufgaben ab. Es wird zukünftig also neben den klassischen MES-Systemen auch offene Ansätze für fertigungsnahe IT-Systeme geben.

Was ist denn bei einer offenen Plattform anders als bei einem MES-System wie Hydra?

Kletti: Mit einem MES wie Hydra können Unternehmen heute wie morgen Daten erfassen und damit die eigene Fertigung steuern und optimieren. Mit der neuen Manufacturing Integration Platform (MIP) werden sämtliche für die Fertigung relevanten Objekte zusammen mit deren Daten in einer gemeinsamen Datenbasis gehalten. Über standardisierte Methoden und Funktionen können Apps aller Art flexibel auf diese Objekte und ihre Daten zugreifen. Das damit denkbare Funktionsspektrum übersteigt den Umfang eines heutigen MES bei weitem. Insbesondere die zugrunde liegende Interoperabilität ermöglicht es dem Anwender, beliebige Anwendungen und Systeme über die Plattform zu integrieren. Genau das ist mit der Offenheit in alle Richtungen gemeint. Letztendlich ist die MIP eine innovative Realisierungsvariante für MES.

Welchen Mehrwert bietet Ihre MIP-Lösung gegen­über anderen Plattformen, die zur Zeit wie Pilze aus dem Boden schießen?

Kletti: Das Besondere an der MIP ist, dass es hier nicht nur um die Verfügbarkeit und Verteilung von Daten geht, sondern vielmehr um ein digitales Abbild der Fertigung und aller damit verbundenen Daten. Im Kern der MIP werden sämtliche Objekte standardisiert abgebildet, was es einer Vielzahl an Apps ermöglicht, unabhängig voneinander damit zu arbeiten. Die meisten anderen Plattformen bieten lediglich die Möglichkeit zum Datenaustausch. Was die Daten bedeuten, ist nicht zwingend bekannt. Die MIP basiert auf einem semantischen Verständnis der Daten. Wenn eine App von einem Auftrag oder einer Maschine spricht, dann ist klar definiert, was gemeint ist. Insbesondere für die Integration von Anwendungen unterschiedlicher Anbieter ist das eine wichtige Voraussetzung für den Erfolg einer solchen Plattform. Auch lassen sich die meisten anderen Plattformen entweder eher in der Automatisierung oder im betriebswirtschaftlichen Umfeld ansiedeln. Eine Plattform für die Zwischenebene, auf der MES heute agiert, gibt es bisher nicht. Und genau deshalb treiben wir die Entwicklung der MIP in diesem Sinne weiter voran. Unser MES Hydra werden wir parallel dazu weiterentwickeln und auch in Zukunft branchenübergreifend anbieten.