MES, ISA-95, MESA-11, cMES, NAMUR - Warum so viele Standards?

MES ist ein belasteter Begriff. Bitten Sie zwei Personen aus der Fertigungsindustrie, ihn zu definieren, und Sie werden wahrscheinlich zwei unterschiedliche Antworten erhalten. Die Definition hängt von der Branche, dem aktuellen Anbieter und der Art des Fertigungsbetriebs ab, den sie betreiben.

Das liegt daran, dass das Akronym, das für Manufacturing Execution System steht, erst geprägt wurde, nachdem die zugrundeliegende Technologie aufkam, und es wurde schnell zu einem Modewort. Als die Anbieter auf den Zug aufsprangen und ihre unterschiedlichen Lösungen 'MES' nannten, wurde der Begriff verwässert.

In diesem Beitrag gehen wir näher auf die Versuche von Organisationen wie der Manufacturing Enterprise Solution Association (MESA) und der International Society of Automation (ISA) ein, die Definition zu standardisieren, um sie weniger trivial zu machen.

Das Verständnis dieser Modelle und Standards kann Ihnen helfen, die Fertigungsausführungssysteme besser zu verstehen und ihre modernen Alternativen zu bewerten.

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Die am weitesten verbreitete Definition von MES ist vielleicht das MESA-Modell, das MES nach Funktionsbereichen definiert.

MESA wurde in den 1990er Jahren gegründet, um bei der Ausführung von MES zu beraten und deren wachsende Komplexität zu bewältigen.

Im Jahr 1997 definierte MESA den Umfang von MES formell durch 11 Kernfunktionen, die als MESA-11-Modell bezeichnet werden. Diese Funktionen ergeben sich aus der Sicht einer Anlage und umfassen:

1. Operationen/Detaillierte Sequenzierung
2. Versenden von Produktionseinheiten
3. Produktverfolgung und Genealogie
4. Arbeitsmanagement
5. Qualitätsmanagement
6. Verwaltung der Instandhaltung
7. Ressourcenzuweisung und Status
8. Dokumentenkontrolle
9. Leistungsanalyse
10. Prozess-Management
11. Datenerhebung und -erfassung
    

Im Jahr 2004 wurde der Fokus des Modells auf den Geschäftsbetrieb erweitert. Zusätzlich zu den Kernoperationen umfasste das Modell Schwerpunkte wie die Optimierung der Lieferkette und die Optimierung von Anlagen. Diese Aktualisierung ist das Collaborative MES, oder MES.

Laut MESA konzentriert sich dieses Modell darauf, wie die Kernaktivitäten mit dem Geschäftsbetrieb interagieren. Das Modell berücksichtigt den zunehmenden Wettbewerb, das Outsourcing, die Optimierung von Lieferkette und die Optimierung der Anlagen.

Das MES verfügt über Schnittstellen zu anderen Geschäftsbereichen, die in der Nähe liegen. Dazu gehören angebotsorientierte Systeme (Procurement SCP), kundenorientierte Systeme wie CRM und Servicemanagement, finanz- und leistungsorientierte Systeme wie ERP und Business Intelligence BI-Software, produktorientierte Systeme wie CAD und PLM, Logistiksysteme wie TMS und WMS, Steuerungen (PLC, DCS) und Compliance-Systeme (DOO-Management, ISO, EH&S).

Im Jahr 2008 wurde das Modell schließlich zu seiner aktuellen Version erweitert, die sich von der Produktion über den Anlagenbetrieb bis hin zu den Geschäftsabläufen und sogar zu strategischen Initiativen wie lean manufacturing, Qualität und Einhaltung gesetzlicher Vorschriften, Produktlebenszyklusmanagement, Echtzeitunternehmen, Asset Performance Management und anderen erstreckt.

Im Kern ist die MESA-Definition eines MES eine funktionale Definition, die auf den verschiedenen Funktionen basiert, die ein MES erfüllen sollte. Damit ein System ein MES ist, muss es über alle Funktionsgruppen oder eine sinnvolle Kombination davon verfügen. Aber die Definition hat sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt. Bei MES diente das MES als Vermittler zwischen der Automatisierung und der Unternehmensleitung und auch als Daten- und Informationsdrehscheibe. Es ist nicht nur eine Sammlung von Funktionen, sondern eine Integrationsdrehscheibe für Informationen im gesamten Unternehmen.

ISA-95 wurdegemeinsam von der International Society of Automation (ISA), früher bekannt als Instrumentation, Systems, and Automation Society, und dem American National Standards Institute (ANSI) entwickelt. Die Entwicklung des ISA-95-Standards begann 1995, als Computer in die Informations- und Kontrollsysteme der Industrie einzudringen begannen.

Im Gegensatz zum MESA-Modell, das sich auf Geschäftsprozesse konzentrierte, konzentriert sich das ISA-95-Modell auf die Informationsarchitektur. Das ISA-95 Modell unterteilt Produktionssysteme in 5 Ebenen, basierend auf dem Purdue Enterprise Reference Architecture (PERA) Modell.

Auf diese Weise hilft der ISA-95 Standard, die Grenzen zwischen Systemen zu definieren. Intelligente Geräte, wie z.B. Sensoren, gehören zu Level 1. Kontrollsysteme wie PLCs, DCS, OCS gehören zu Level 2. MES, gehören zu Level 3. ERP zu Level 4.

Indem ISA-95 MES auf Ebene 3 ansiedelt, impliziert es, dass MES die Produktion mit den Unternehmenssystemen verbindet, Arbeitsabläufe zur Herstellung von Endprodukten verwaltet, Aufzeichnungen über die Produktion führt und den Produktionsprozess optimiert.

Das Ziel war es, einen Standard zu entwickeln, der eine effiziente Schnittstelle und Integration zwischen einem ERP und einem MES ermöglicht. Dies würde die effektive Kommunikation zwischen den Beteiligten erleichtern, die Gesamtbetriebskosten senken und eine fehlerfreie Integration ermöglichen.

Wie wir gesehen haben, definiert MESA MES über die Funktion und ISA-95 definiert es über die Informationsarchitektur. Da jedoch jede Branche und jede Art von Fertigungsbetrieb andere Anforderungen an die Fertigung, die Qualität, die Geschäftsprozesse und das gesetzliche Umfeld stellt, unterscheiden sich MES je nach Branche und Art des Fertigungsbetriebs.

Es hat branchenspezifische Versuche gegeben, MES zu standardisieren. Die NAMUR zum Beispiel ist eine Gruppe von Endanwendern, die vor allem in der Prozessindustrie tätig sind (vor allem in der Chemie- und Pharmaindustrie). Ihre Empfehlungen basieren auf der ISA-95, aber die Gruppe macht konkretere Definitionen für die Bedürfnisse ihrer Branche.

Auf einer breiteren Ebene können wir zwischen Prozess- und diskreten Industriezweigen unterscheiden. Natürlich hat jede Art von Betrieb andere Anforderungen, so dass sich ein MES für jede Branche in wichtigen Punkten unterscheidet.

Die Prozessindustrie betrachtet MES als Maschinen- und Anlagensteuerungssysteme. Während die diskreten Industrien das MES eher als Online-Informationssystem, Feedback- und Kontrollsystem für die Produktion betrachten.

Zusätzlich zu den Standards, die wir bisher behandelt haben, gibt es weitere Standards wie den VDI-Standard. Der VDI-Standard wurde 2004 vom Verein Deutsche Ingenieure auf der Grundlage der oben erwähnten Standards entwickelt. Wie bei allen Standards bestand das Ziel des VDI darin, MES eine feste Bedeutung zu geben, um zu verhindern, dass Anbieter den Begriff zu Marketingzwecken trivialisieren.

Kürzlich haben Analysten beobachtet, dass MES sich in Richtung eines Modells von Anwendungen und Mikrodiensten bewegen. Dies hat zur Folge, MES Anbieter allmählich von ihrer Position als allumfassende Lösungen ab. Stattdessen experimentieren sie mit dem Verkauf modularisierter Funktionalität. Mit dem Aufkommen des IIoT haben viele sogar begonnen, sich zu fragen, ob MES im digitalen Zeitalter noch relevant sind. Im Moment befindet sich der Markt noch in der Entwicklung. Aber es wird interessant sein, zu beobachten, in welche Richtung er sich in den nächsten fünf Jahren entwickelt. IIoT ? Traditionelle MES? Oder beides?

Wie Sie sehen, hat es mehrere Versuche gegeben, die MES zu standardisieren. Für den Fachmann mögen diese Standards und Modelle nützlich sein. Für den normalen Endbenutzer von MES können sie jedoch eher verwirrend als erhellend sein. Vielleicht ist es besser, Manufacturing Execution Systems anhand der gemeinsamen Merkmale zu definieren, die sie in der Regel in 5 Hauptbereichen aufweisen: Produktionsfunktionen, Qualität, Personalwesen, Datenerfassung und Systemintegration.

Wenn Sie jemals versucht haben, Ihre Abläufe an einem MES auszurichten, sind Sie wahrscheinlich auf eine Buchstabensuppe von Standards gestoßen, z.B. ISA-95, MESA-11, NAMUR, cMES. Man kann sich fragen, wie sie alle entstanden sind und warum es so viele davon gibt.

Die Kurzfassung ist, dass 'die Fertigung ein gemeinsames Vokabular brauchte'.

In den 1990er Jahren wuchsen die IT-Systeme der Unternehmen rasant. Dieses Wachstum führte dazu, dass die Kluft zwischen Unternehmenssystemen wie ERP und der täglichen Arbeit in den Betrieben immer größer wurde. Jedes MES musste bei Null anfangen, weil man sich nicht darüber einig war, was das System eigentlich tun sollte oder wie es mit anderen Schichten verbunden werden sollte.

Industriegruppen haben sich eingeschaltet, um das zu ändern.

MESA (Manufacturing Enterprise Solutions Association) hat sein erstes Funktionsmodell mit der Bezeichnung MESA-11 veröffentlicht, um MES wie Terminplanung, Qualitätsmanagement und Produktionsüberwachung zu beschreiben.

ISA (International Society of Automation) folgte mit ISA-95, in dem definiert wurde, wie Systeme miteinander verbunden werden sollten, von Maschinen (Level 0) bis hin zu Geschäftssystemen (Level 4).

Parallel dazu konzentrierten sich Gruppen wie die NAMUR auf die Prozessindustrie und fügten spezifische Schichten für regulierte Umgebungen hinzu.

Jeder Rahmen zielte auf einen anderen Teil desselben Puzzles ab: die Definition von Funktionen, die Klärung von Systemgrenzen und die Berücksichtigung sektorspezifischer Bedürfnisse. Das Ergebnis hat den Herstellern geholfen, zu mehr Konsistenz zu gelangen, auch wenn es zu einigen Überschneidungen und zusätzlicher Komplexität kam.

Im Grunde zielt die MES darauf ab, Systeme interoperabel zu machen, klare Verantwortlichkeiten zu definieren und eine gemeinsame Methode zur Darstellung von Abläufen zu schaffen. Doch mit der zunehmenden Dynamik der Produktionsnetzwerke - mehrere Produkte, mehrere Standorte - sind die Grenzen starrer, hierarchischer Standards deutlich geworden.

Moderne, modulare Ansätze wie Composable MES bauen auf denselben Prinzipien des Umfangs, der Integration und der Governance auf, passen sie aber an eine flexible, App-basierte Architektur an, die besser zu den aktuellen Gegebenheiten in der Fertigung passt.

Die Fertigung bewegt sich schnell. Der Produktmix ändert sich, die Vorlaufzeiten werden kürzer, die Erwartungen an die Compliance steigen. Dennoch arbeiten viele Betriebe immer noch mit MES , die lange vor der Einführung von Cloud Computing, KI oder Edge-Systemen entwickelt wurden. Diese Frameworks erfüllten jahrelang ihren Zweck, aber sie waren nicht für das Tempo oder die Komplexität der modernen Produktion ausgelegt.

Composable MES (cMES) wurde entwickelt, um diese Lücke zu schließen.

cMES bricht die Idee eines einzigen, allumfassenden MES in kleinere, zweckgebundene Anwendungen auf. Jede dieser Anwendungen erfüllt eine bestimmte Funktion, z. B. Nachverfolgung, Qualitätskontrolle, Wartung usw., und ist mit den anderen Anwendungen sauber verbunden. Anstatt ein starres System zu installieren, stellen die Teams eine Reihe von Komponenten zusammen, die zu den tatsächlichen Abläufen passen. Am Ende bauen Sie das System um Ihren Prozess herum auf, nicht umgekehrt.

Erweitern und Ersetzen von Legacy-Standards

Rahmenwerke wie ISA-95 und MESA-11 haben eine wichtige Grundlage geschaffen. Sie legten die Struktur, den Datenfluss und die Systemgrenzen fest, als die Hersteller zum ersten Mal ein gemeinsames Regelwerk benötigten. cMES behält diese Grundlage bei, beseitigt aber die feste Hierarchie, die ältere Systeme nur langsam veränderbar machte.

Der Unterschied zeigt sich in der Praxis. Traditionelle MES hängen von einer Top-Down-Kontrolle und umfangreichen Anpassungen ab. cMES verteilt die Kontrolle über modulare Anwendungen, die in der Cloud laufen. Ingenieure können die Logik durch Konfiguration anpassen, anstatt auf einen Anbieter oder einen langen IT-Zyklus zu warten. Änderungen lassen sich innerhalb von Tagen statt Monaten umsetzen, was wichtig ist, wenn neue Produkteinführungen oder Aktualisierungen der Compliance nicht warten können.

Dies ist nicht nur ein neues Softwaremodell, sondern verändert auch die Art und Weise, wie Produktionsteams ihre eigenen Systeme verwalten und verbessern.

Gebaut für die moderne Fertigung

Die cMES-Technologie spiegelt wider, wie Fabriken heute arbeiten:

• Cloud-Infrastruktur - standortübergreifend zugänglich, skalierbar mit der Nachfrage.

• Microservices - jede Funktion läuft für sich allein, so dass Aktualisierungen in Grenzen bleiben.

• No-Code-Umgebungen - Prozessingenieure können Anwendungen direkt erstellen und ändern.

• Offene Integrationen - verbindet sich mit Maschinen, Unternehmensdaten und edge devices ohne schwere Middleware.

• KI-gesteuerte Tools - unterstützen Überwachung, Diagnose und Vorhersage in derselben Umgebung.
  
  

Dieses Modell steht im Einklang mit digitalen Zwillingen, Live-Datentransparenz und globalen Rückverfolgbarkeitsbemühungen, die sich jetzt in der gesamten Fertigung durchsetzen. Es sorgt für mehr Flexibilität, wo frühere Systeme Starrheit erzwangen, während die gleichen Erwartungen an Genauigkeit und Kontrolle bestehen bleiben.

Wenn man sich mit MES befasst, kann man sich leicht im Unkraut verheddern. Unter der technischen Sprache lassen sich die meisten von ihnen in vier Gruppen einteilen: funktional, architektonisch, branchenspezifisch oder modular.

Die nachstehende Tabelle gibt einen Überblick darüber, wo jedes einzelne Produkt Anwendung findet und was es am besten kann.

Jedes Framework basiert auf einer anderen Denkweise darüber, wie sich Fertigungssysteme verhalten sollten. MESA-11 konzentriert sich auf Funktionen. ISA-95 definiert, wie Systeme zusammenhängen. NAMUR verfeinert diese Ideen für die Prozessindustrie. Und cMES erweitert sie zu einer modularen, konfigurierbaren Umgebung, die der Entwicklung moderner Anlagen entspricht.

Die zugrundeliegende Architektur ist das, was sich ändert. cMES behält die Disziplin der standardbasierten Abläufe bei, ermöglicht aber eine schnellere Anpassung, eine bessere Transparenz und eine engere Abstimmung mit den digitalen Fertigungspraktiken, ohne dass die Kontrolle oder die Compliance-Disziplin verloren geht.

Jeder MES betrachtet die Fertigung aus seinem eigenen Blickwinkel. MESA-11 legt fest, was MES eigentlich tun sollte. ISA-95 legt fest, wie Systeme miteinander kommunizieren. NAMUR fügt die für die Prozessindustrie erforderlichen Details hinzu. Unterschiedliche Leitfäden, dieselbe Absicht: Produktionsdaten zuverlässig machen, Systeme miteinander verbinden, die nie gut miteinander gesprochen haben, und die Abläufe konsistent halten.

1. Datenintegrität, Rückverfolgbarkeit und Sichtbarkeit
Wenn die Daten nicht stimmen, ist alles andere unwichtig. Jeder MES basiert auf dieser Idee. Sie brauchen Aufzeichnungen, auf die Sie sich verlassen können, d.h. ob Sie eine Charge zurückverfolgen, einen Abweichungsbericht verteidigen oder herausfinden wollen, warum eine Linie um 2 Uhr morgens ausgefallen ist.

Ein gutes MES macht all dies sichtbar. Was früher in Papierprotokollen oder im Speicher abgelegt war, wird nun automatisch erfasst: Gerätezustände, Bedienereingaben, Qualitätsergebnisse. Wenn diese Informationen konsistent und vollständig sind, gehen Audits schneller vonstatten und die Verbesserungsarbeit gewinnt an Fahrt.

2. Menschenzentrierte Integration
Ältere Systeme wurden meist für Maschinen geschrieben. Die Bediener waren ein nachträglicher Gedanke, d.h. eine Taste drücken, einen Alarm löschen, weitergehen. Die Realität in den Betrieben ist jedoch viel komplizierter.

Composable MES dreht diesen Fokus um. Die Einrichtung von Tulipbeginnt mit Menschen und Arbeitsabläufen. Die Apps werden so gestaltet, wie die Arbeit tatsächlich abläuft, und nicht so, wie die Software denkt, dass sie es tun sollte. Das macht es einfacher, Daten an wichtigen Punkten zu sammeln, Schritte interaktiv zu steuern und Dinge zu ändern, ohne den Code neu zu schreiben.

Das System wird zu einem Werkzeug, das den Menschen hilft, ihre Arbeit zu erledigen, und nicht zu einem, das sie bekämpfen müssen.

3. Kontinuität über den digitalen Faden
Jeder spricht über den "digitalen Faden", den sauberen Datenfluss vom Boden zu den Planungssystemen, aber der Weg dorthin war schon immer unübersichtlich. ISA-95 hat den Schichten Namen gegeben, aber die Echtzeit-Verbindung hat sich verzögert.

Composable MES hilft, diese Lücke zu schließen. Offene APIs bewegen Daten in beide Richtungen. Ereignisse auf der Strecke fließen direkt in die Analytik oder das ERP ein, und Änderungen im Unternehmen können in die Ausführung zurückfließen. Der Thread verhält sich schließlich wie eine Schleife und nicht wie ein Stapel unzusammenhängender Dateien.

Jenseits der Standards: MES für das nächste Jahrzehnt
Die MES verändert sich schnell.

Jahrelang arbeiteten die Hersteller in starren Architekturen, die sich nicht so leicht verbiegen ließen. Das nächste Jahrzehnt sieht anders aus. Flexibilität, Konnektivität und eingebettete Intelligenz bestimmen jetzt das Gespräch. Frameworks wie ISA-95 und MESA-11 sind zwar immer noch wichtig, aber sie wurden nicht für das Datenvolumen, die Geschwindigkeit der Iteration oder den Grad der Konnektivität entwickelt, mit dem Fabriken heute arbeiten.

Was sich stattdessen abzeichnet, ist eine neue Art von System, das modular und datengesteuert ist und sich mit dem Betrieb weiterentwickelt.

Von statischen Modellen zu kompatiblen Systemen
In älteren MES konnte selbst eine kleine Prozessänderung Monate der Entwicklung und Validierung bedeuten. Ein komponierbares MES ändert diese Dynamik. Die Teams können Anwendungen in Echtzeit und parallel zur Produktion entwickeln oder anpassen.

Das ist kein Konzept, es ist bereits in Bewegung. Gartner geht davon aus, dass die meisten neuen MES in den nächsten Jahren auf kompatibler Technologie basieren werden. In den Betrieben macht sich das bezahlt: weniger Ausfallzeiten zwischen den Änderungen und mehr direkte Kontrolle in den Händen der Ingenieure.

Intelligenz mit KI und digitalen Zwillingen
KI hat die Pilotphase hinter sich gelassen. Sie taucht in der Bedienerführung, in der vorausschauenden Wartung und in der Qualitätskontrolle auf. Digitale Zwillinge fügen eine weitere Ebene hinzu, indem sie den laufenden Betrieb spiegeln, so dass Ingenieure Änderungen testen können, bevor sie die Produktion erreichen.

Zusammen bilden sie etwas, was herkömmliche MES nie geschafft haben: ein System, das kontinuierlich erkennen, simulieren und anpassen kann. Es geht weniger darum, den Menschen zu ersetzen, sondern vielmehr darum, ihm einen besseren Kontext und schnelleres Feedback zu geben.

Interoperabilität: Die harte Voraussetzung
All diese Fortschritte sind nicht von Bedeutung, wenn die Systeme nicht miteinander kommunizieren können. OPC UA, REST-APIs und die neuen Open Process Automation-Standards machen dies hersteller- und schichtenübergreifend möglich.

Moderne MES müssen mit allem verbunden werden: Maschinen, ERP-Systeme, Qualitätssysteme, Historiker, Analysetools. Echte Leistungssteigerungen ergeben sich, wenn sich die Daten frei bewegen und ihren Kontext vom Rand zum Unternehmen behalten. So schaffen Hersteller Transparenz und Ausfallsicherheit, die länger halten als der nächste Produktzyklus.

Die MES geben immer noch die Grundlage vor, indem sie definieren, wie die Systeme funktionieren, miteinander verbunden werden und für bestimmte Branchen geeignet sind. Aber sie wurden für eine langsamere, berechenbarere Fertigungswelt geschaffen. Composable MES gibt Herstellern Raum für Anpassungen. Es behält die Struktur und Rückverfolgbarkeit traditioneller Systeme bei und ermöglicht gleichzeitig schnelle Änderungen, wenn sich Produkte, Linien oder Vorschriften ändern. Tulip setzt dieses Konzept in die Praxis um. Seine modulare Plattform ohne Code verbindet Menschen, Maschinen und Daten, so dass Teams Prozesse direkt anpassen können, ohne die Einhaltung von Vorschriften zu verletzen oder lange Entwicklungszyklen abzuwarten.

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