Cloud MES für mehr Transparenz in der Fertigung

Nur eine transparente Fertigung kann effizient gesteuert und optimiert werden. Mit dem Einzug der Digitalisierung in produzierende Unternehmen gewinnen Cloud-Softwarelösungen in diesem Zusammenhang zunehmend an Bedeutung. Dies zeigt sich auch bei der Nutzung von Manufacturing Execution Systems (MES). Dabei wird die MES-Lösung als Service über das Internet bereitgestellt und nach dem Prinzip pay-per-use abgerechnet.

Im Zuge der digitalen Transformation – ausgelöst durch Industrie 4.0 – findet eine Verlagerung von Informations- und Kommunikationstechnologien in die Cloud statt. Dies betrifft auch ERP- und MES-Lösungen. Ein wesentlicher Treiber für die Etablierung von Cloud-MES ist die stetig wachsende Bedeutung von sogenannten Cyber-Physischen Systemen (CPS), die im Umfeld der industriellen Fertigung auch als Cyber-Physische Produktionssysteme (CPPS) bezeichnet werden. CPPS verbinden die physische Welt – in diesem Fall die Produktionsanlagen – mit der Cyber-Welt, etwa dem MES. Die Interaktion wird durch vernetzte, dezentrale oder selbstorganisierende Dienste wie Web Services ermöglicht. Es ist allgemein anerkannt, dass sich die starre Struktur der klassischen Automatisierungspyramide im Zuge der digitalen Transformation sukzessive auflösen wird. [1]

Cloud MES erhöht Anwendungsflexibilität

Cloud MES haben in vielen Fällen Vorteile gegenüber On-Premises-MES-Lösungen, wenn es darum geht, Informationen zum richtigen Zeitpunkt an den richtigen Empfänger zu liefern. Dies liegt vor allem daran, dass On-Premises-Lösungen in der Regel Anwendungen sind, die nur von einem bestimmten Betriebssystem (meist MS Windows) unterstützt werden, oft spezifische Hardwareanforderungen haben und für den Betrieb im lokalen Netzwerk eines Produktionsstandortes ausgelegt sind. Solche Anwendungen können in verteilten Umgebungen und auf beliebigen Endgeräten nur mit hohem technischen Aufwand eingesetzt werden, beispielsweise durch Terminalserver, Virtualisierung oder VPN.

Im Gegensatz dazu sind Cloud-MES-Lösungen als Software-as-a-Service (SaaS) speziell für vernetzte, verteilte und heterogene Umgebungen konzipiert und erfordern keine spezielle Hard- oder Software.

SaaS

SaaS, auch bekannt als Subscribeware oder Rentware, ist ein Software-Lizenzierungs- und Bereitstellungsmodell, bei dem Software auf Abonnementbasis lizenziert und zentral vom Anbieter verwaltet wird. Der Anbieter hostet und verwaltet die Softwareanwendung und die zugrund liegende Infrastruktur und kümmert sich um die Implementierung und Konfiguration sowie um Wartungsarbeiten wie Software-Upgrades und Sicherheitspatches. Die Nutzer verbinden sich in der Regel über einen Webbrowser auf ihrem Smartphone, Tablet, Laptop oder PC mit der Cloud-Lösung über das Internet …

Kostenbetrachtung MES On-Premises und Cloud MES

Die flexible Nutzung von Cloud MES als Service über das Internet ermöglicht eine Umverteilung von Investitions- zu Betriebsaufwand. Die Kosten werden nach dem Prinzip „pay-per-use“ abgerechnet, das heißt ausschließlich für die tatsächliche Nutzung der Applikation [2]. Bei On-Premises-Lösungen werden oft nur die einmaligen Lizenzkosten und mögliche Erstinvestitionen für Hardware und Consulting berücksichtigt.

Diese werden fälschlicherweise als Kosten für die gesamte geplante Betriebsdauer angesehen. Es ist jedoch eine anspruchsvolle Aufgabe, die tatsächlichen Gesamtkosten (Total Cost of Ownership, TCO) für den Einsatz einer On-Premises-MES-Lösung zu berechnen (Bild 1). Für kleine Unternehmen gestaltet sich eine präzise TCO-Berechnung besonders schwierig, da für einige Kostenarten aufgrund des niedrigeren Organisationsgrades keine monetären Bewertungen vorliegen.

Cloud-Softwarelösungen richten sich primär an kleine und mittelständische Unternehmen, da diese im Vergleich zu Großunternehmen über weniger IT-Know-how sowie geringere finanzielle und personelle Ressourcen verfügen.

DSGVO als Hemmnis?

In Bezug auf die Argumente von Unternehmen gegen den Einsatz von Cloud Computing sind Datensicherung und -sicherheit das größte Hemmnis. Die Datenschutzgrundverordnung (DSGVO) scheint die Verunsicherung bezüglich des Umgangs mit personenbezogenen Daten noch zu verstärken. Oft werden auch eine zu geringe Internetbandbreite und die damit verbundenen Latenzzeiten als Argumente gegen Cloud-Lösungen genannt. Es ist nicht überraschend, dass die Anzahl von Cloud-MES-Implementierungen im produktionsnahen Bereich, die das volle Funktionsspektrum eines On-Premises-MES abdecken, zurzeit noch überschaubar ist.

Eine Durchdringung von Cloud Computing auf dem Markt setzt vor allem voraus, dass Cloud-Anbieter mit weiterentwickelten Konzepten für Datenschutz und Datensicherheit das Vertrauen der Nutzer stärken. Es geht um produktionsrelevante Daten, aus denen auf Produkteigenschaften beziehungsweise Herstellungsprozesse geschlossen werden kann. Um dieser Problematik entgegenzuwirken, wird ein „Hybrid-Cloud-Ansatz“ empfohlen. Dabei werden unternehmenskritische Applikationen und Daten in einer privaten Cloud gehostet und es wird lediglich für einzelne Anwendungen und wenig sensible Daten auf eine öffentliche Cloud zugegriffen.

Cloud MES im Smart Production Lab

Die Möglichkeiten und der Nutzen des Einsatzes einer MES-Cloud-Anwendung wird im Smart Production Lab der FH JOANNEUM untersucht. Das Labor wird vom ­Institut Industrial Management der FH JOANNEUM am Standort in Kapfenberg betrieben und ist eines der modernsten Industrie 4.0-Lehr- und Forschungsfabriken in Österreich (Bild 2). Es umfasst einen öffentlich zugänglichen Maker Space für Prototypen, Einzelstücke und einfaches Ausprobieren – ein sogenanntes FabLab –, ein IT Security Lab, das sich der Datensicherheit verschrieben hat, sowie ein SAP NextGen Lab. Die Forschungsaktivitäten beinhalten eine Vielzahl von Use Cases für den industriellen Einsatz.

Gemeinsam mit dem Industrie- und Forschungspartner FactoryMiner wird anhand des nachfolgenden Use Case die aktuelle Ausbaustufe der vertikalen Datenintegration am Beispiel der cloudbasierten MES-Lösung des Partners dargestellt (Bild 3).

Use Case – Cloud Manufacturing Execution System

Für die Datenerfassung am Shop Floor wurde ein Lasercutter nachgerüstet und mit einem mechanischen Schließsensor ausgestattet. Vorhandene Altanlagen und ältere Maschinen können mittels Retrofitting ohne großen Aufwand an ein Cloud MES angebunden werden. Ein Schließsensor, der an der Abdeckung des Lasercutters montiert ist, kommuniziert mit aufeinander abgestimmten IoT-Komponenten. Das Herzstück des Use Case bildet ein Microcomputer (Raspberry-Pi), der sich für industrielle Zwecke eignet.

Das System ist in der Lage, hohen Temperaturschwankungen standzuhalten, und ist dank des Linux-Betriebssystems sowie der Open Source Tools flexibel einsetzbar. Dies wurde bereits vielfach in der Praxis getestet und ist kostengünstig. Das konfigurierte System sowie ein Industrie-PC stehen dem Werker in einem robusten Terminal zur Verfügung. Hier können Auftragsdaten aus dem ERP-System abgerufen und Betriebsdaten wie Gutmenge, Ausschuss oder Schichtdaten erfasst und in der Cloud gespeichert werden. Die Übertragung von Echtzeitdaten erfolgt bidirektional innerhalb eines definierten Zeitfensters. Hard- und Software sind den Anforderungen entsprechend skalierbar.

Die Auslagerung der IT-Infrastruktur (Daten, Speicherkapazität, Rechenleistung) an den MES-Provider wird über einen Server Cluster ermöglicht, wo die Inhalte gespeichert, verarbeitet und laufend gesichert werden. Der eingesetzte Failover Cluster besteht aus mindestens zwei Computern. Wenn das aktive System ausfällt, übernimmt das passive Backup-System die Aufgaben ohne zusätzlichen administrativen Aufwand.

Die bidirektionale Kommunikation mit SAP S/4 HANA erfolgt über das auf XML basierte SOAP-Protokoll (Simple Object Access Protocol). Der SOAP-Service nutzt dabei ein von SAP angepasstes Protokoll, das speziell für den Datenaustausch zwischen heterogenen Systemen konzipiert wurde. Somit ist die Übertragung der Fertigungsaufträge vom ERP-System zum MES sowie entsprechender Rückmeldung der jeweiligen Auftragsstatus möglich.

Die Daten aus der Produktion können jederzeit über Desktop-Computer oder mobile Endgeräte wie Tablets, Notebooks und Smartphones abgerufen werden. So können beispielsweise Informationen zum Auftragsfortschritt, zur Maschinenzustandshistorie, zur Gesamtanlageneffektivität (OEE) und zu Stückzahltrends ortsunabhängig eingesehen werden. Dies bildet die Basis für ein umfassendes Arbeitsplatz-Monitoring.

Digitaler Retrofit spart Kosten und schont Umwelt

Der realisierte Use Case zeigt, dass eine transparente Fertigung in der Praxis schnell und ohne zusätzliches IT-Know-how im Unternehmen umgesetzt werden kann. Sowohl Hardware als auch Software werden als Gesamtpaket angeboten. Die technische Verantwortung, beispielsweise für Datensicherung, Wartung und Konfiguration der Dashboards, liegt beim Anbieter. Eine Modernisierung von Maschinen und Anlagen im Sinne von „Digitalem Retrofit“ kann Kosten für Neuinvestitionen einsparen und hat durch die verlängerte Nutzungsdauer auch positive Auswirkungen auf die Umwelt.

Nutzen cloudbasierter MES

• Der Lösungsansatz ermöglicht einfaches digitales Retrofitting bei älteren Maschinen und ist nutzbar, sobald der Zugang über den Internetbrowser eingerichtet ist.
• Es sind keine zusätzlichen IT-Ressourcen oder IT-Know-how im Unternehmen erforderlich.
• Betrieb, Wartung und Administration werden vom MES-Provider übernommen.
• Die Daten befinden sich auf einem Server in Österreich und werden laufend gesichert.
• Keine zusätzliche Investition in IT und Infrastruktur ist erforderlich.
• Der Zugriff auf die Daten ist jederzeit und von überall aus möglich.

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