Integration von Maschinen in ERP-/MES-Systeme: Welche Daten sollten erfasst werden und wie lässt sich die Implementierung planen?

Die Integration von Maschinen in ERP-/MES-Systeme ermöglicht die automatische Übermittlung von Informationen zu Produktion, Stillständen, Fehlmengen und Materialverbrauch. Das bloße Auslesen der Daten aus der Steuerung reicht jedoch nicht aus, um einen zuverlässigen Bericht zu erstellen. Die Daten müssen noch der jeweiligen Maschine, dem Zeitpunkt, dem Auftrag und dem Produkt zugeordnet werden.

Dieser Leitfaden hilft Ihnen dabei, den Umfang der Integration festzulegen, die Kommunikationsart auszuwählen und ein Pilotprojekt vorzubereiten, mit dem Sie die Datenqualität überprüfen können, bevor weitere Leitungen angeschlossen werden.

Die Liste der in der SPS verfügbaren Signale sollte nicht den Umfang des Projekts vorgeben. Zunächst muss festgelegt werden, welche Entscheidung das System erleichtern soll.

Das Ziel kann Folgendes betreffen:

Der Produktionsleiter benötigt Informationen zum Ablauf des Auftrags, das Instandhaltungsteam analysiert Alarme und Ausfälle, und die Qualitätsabteilung prüft, ob die Prüfergebnisse mit den Prozessparametern in Zusammenhang stehen.

Sammeln Sie Daten, die Ihnen bei der Entscheidungsfindung helfen. Eine große Anzahl von Messwerten wird die Qualität der Berichterstattung nicht verbessern, wenn niemand weiß, wozu sie dienen sollen.

Der häufigste Ablauf des Informationsflusses umfasst vier Phasen:

Die Steuerung übermittelt Informationen zum Betriebsablauf des Geräts; das MES-System ordnet diese einem Auftrag, einem Produkt, einer Charge und einem Arbeitsgang zu, und das ERP-System nutzt diese Daten für die Planung, die Materialwirtschaft sowie die Produktionsabrechnung.

Diese Aufteilung entspricht dem ISA-95-Modell. Dieser Standard legt die Grenze zwischen der Prozesssteuerung, der Leitung der Produktionsabläufe und den Geschäftssystemen eines Unternehmens fest.

Der grundlegende Umfang umfasst in der Regel acht Informationsgruppen:

Es ist nicht immer das gesamte Set erforderlich. Für die Steuerung reichen oft bereits fünf bis zehn genau beschriebene Signale aus.

Bei der Analyse kurzer Stillstandszeiten werden beispielsweise folgende Daten benötigt: der Zustand der Maschine, die Dauer der Zustandsänderung, der Zykluszähler, der aktive Auftrag sowie der vom Bediener eingegebene Ursachencode.

Der Wert RUN = 1 bestätigt, dass die Steuerung die Maschine als in Betrieb befindlich gekennzeichnet hat. Das Gerät kann dann produzieren, eine Probeproduktion durchführen, eine Justierung vornehmen oder ohne Material laufen.

Ein für Berichtszwecke bestimmter Messwert sollte Folgendes enthalten:

Ein Verbrauch von 18 kWh ist erst dann von Bedeutung, wenn er einer bestimmten Maschine, einem Zeitraum, einem Auftrag und der Anzahl der produzierten Stückzahlen zugeordnet wurde.

Jede Information sollte aus einer einzigen Quelle stammen und einen klar benannten Verantwortlichen aufweisen: Der Auftrag wird in der Regel im ERP-System erstellt, für dessen Abwicklung ist das MES-System zuständig, und die SPS übermittelt Informationen zum Maschinenstatus. Eine solche Aufteilung verringert das Risiko, dass zwei Systeme unterschiedliche Stückzahlen ohne Mängel anzeigen.

Die Temperatur des Behälters oder der Energieverbrauch können in festgelegten Zeitabständen überprüft werden. Das Ende eines Zyklus, einen Alarm, eine Zustandsänderung sowie das Ergebnis einer Qualitätskontrolle sollten Sie am besten unmittelbar nach ihrem Auftreten protokollieren.

Eine zu seltene Erfassung kann einen mehrsekündigen Stillstand übersehen, während eine zu häufige Erfassung die Steuerung und das Netzwerk belastet, ohne jedoch die Qualität des Berichts zu verbessern.

Bestimmen Sie für jedes Signal:

Die SPS, das Bildverarbeitungssystem, das maschinennahe Modul und das MES-System sollten auf eine gemeinsame Zeit zurückgreifen. Das NTP-Protokoll dient zur Synchronisation der Uhren von Netzwerkgeräten. Das PTP-Protokoll gewährleistet eine höhere Genauigkeit, sofern die Geräte und die Infrastruktur des Betriebs dieses Protokoll unterstützen.

Die SPS zeigt 12.480 Zyklen an. Der vorherige Messwert betrug 12.300, daher rechnet das MES-System 180 Stück hinzu.

Nach dem Neustart der Steuerung wird der Zähler auf Null zurückgesetzt. Der nächste Messwert beträgt 40. Ohne die beschriebene Regel könnte das System neue Stückzahlen übersehen, einen negativen Wert speichern oder die frühere Produktion erneut mitzählen.

Bei einer korrekten Integration werden der Zählerstand zusammen mit dem Zeitpunkt sowie die Information über den Neustart der SPS gespeichert. Das Modul an der Maschine speichert die Daten im Falle eines Netzwerkausfalls und übermittelt sie nach Wiederherstellung der Verbindung zusammen mit dem ursprünglichen Zeitpunkt des Ereignisses.

Daher muss der Integrationstest einen Neustart des Treibers, eine Unterbrechung des Netzwerkbetriebs sowie die erneute Übertragung derselben Informationen umfassen.

Die Wahl hängt vom Alter des Geräts, der verfügbaren Dokumentation, der Art der Daten sowie der Anzahl der Systeme ab, die diese Daten erhalten sollen.

OPC UA kann Werte, Alarme, Ereignisse sowie die Beschreibung der Gerätestruktur übertragen. Das MES- oder SCADA-System kann ausgewählte Daten überwachen, anstatt ständig Abfragen an die gesamte Steuerung zu senden.

Der Standard umfasst Mechanismen zur Authentifizierung, Verschlüsselung und zum Schutz von Nachrichten vor Inhaltsänderungen. Die Sicherheitsmaßnahmen greifen erst, nachdem die Konten, Zertifikate und Berechtigungen ordnungsgemäß konfiguriert wurden.

Das Modbus-Protokoll stellt Werte über Register, Eingänge und Spulen bereit. Die Adresse allein gibt keinen Aufschluss über die Bedeutung der Daten. Ein Register kann je nach Herstellerdokumentation eine Temperatur, einen Zähler oder einen Alarm bezeichnen.

Die Registerübersicht sollte die Adresse, den Datentyp, die Einheit, den Maßstab, den Bereich sowie das Verhalten nach einem Neustart enthalten. Ein Fehler in der Byte-Reihenfolge oder im Umrechnungsfaktor kann zu einem Ergebnis führen, das zwar glaubwürdig erscheint, jedoch falsch ist.

MQTT übermittelt Nachrichten über einen zentralen Server, den sogenannten Broker. Das Modul an der Produktionslinie veröffentlicht Informationen, und das MES-System, Analysetools oder andere Anwendungen empfangen die für sie relevanten Themen.

Das Unternehmen muss im Vorfeld die Themenbezeichnungen, das Nachrichtenformat, die Einheiten sowie die Vorgehensweise bei Wiederholungen festlegen. MQTT ist ein Standard, der auf dem Publish-Subscribe-Modell basiert.

OPC UA und MQTT können zusammenarbeiten. Das Modul liest die Daten über OPC UA von der Maschine aus und leitet anschließend ausgewählte Ereignisse über MQTT an mehrere Systeme weiter.

Überprüfen Sie zunächst das Modell der SPS, der CNC-Steuerung und des Bedienfelds. Außerdem benötigen Sie Angaben zu den Kommunikationsanschlüssen, der Steuerungssoftware, den vorhandenen Zählern sowie zu etwaigen Serviceeinschränkungen.

Das Auslesen der Daten aus der aktuellen SPS erfordert nur einen minimalen Aufwand. Falls die SPS keine Daten bereitstellt, können Sie folgende Möglichkeiten nutzen:

Der Sensor erkennt die Bewegung der Maschine oder das Vorhandensein eines Produkts. Er erkennt den Auftrag nicht und gibt keinen Grund für den Stillstand an. Der Bediener kann diese Informationen ergänzen, indem er den Auftrag und einen einfachen Ereigniscode auswählt.

Die Integration der Maschinen in das MES-System sollte nicht ohne triftigen Grund in die Steuerung eingreifen. Das Auslesen von Daten sowie das Senden von Rezepturen oder Befehlen erfordern gesonderte Berechtigungen, Tests und Verantwortlichkeiten.

Aus dem ERP-System werden in der Regel folgende Daten an das MES-System übermittelt:

MES übermittelt folgende Daten an das ERP-System:

Detaillierte Alarme, Temperaturdiagramme und Betriebsunterbrechungen von wenigen Sekunden Dauer verbleiben in der Regel im MES-, SCADA- oder Historiendatensystem. Das ERP-System benötigt die Ergebnisse für Planungs- und Abrechnungszwecke, nicht jedoch jeden einzelnen Messwert aus der SPS.

Die direkte Integration der Maschinen in das ERP-System eignet sich für einzelne, einmalige Vorgänge, wie beispielsweise die Bestätigung des Transports einer Palette. Die Abrechnung des gesamten Prozesses erfordert jedoch bereits Informationen zum Auftrag, zur vollständigen Stückzahl, zu Fehlmengen, zu Produktänderungen und zu Korrekturen. Solche Regeln sollten an einem Ort zusammengefasst sein, meist im MES-System.

SPS-Steuerungen, SCADA-Systeme und Bedienfelder sollten nicht direkt über das Internet zugänglich sein. CERT Polska weist darauf hin, dass öffentlich zugängliche ICS- und OT-Systeme Ziel von Angriffen sind, die Auswirkungen auf reale Anlagen und Prozesse haben können.

Das Projekt sollte Folgendes umfassen:

Ein Ausfall des MES-, ERP- oder Berichtssystems darf die Steuerung der Produktionslinie nicht unmöglich machen. Die NIST-Richtlinien zur Betriebstechnik (OT) betonen, dass Sicherheitsmaßnahmen die Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Prozesssicherheit berücksichtigen müssen.

Ein gutes Pilotprojekt umfasst eine einzige Linie, ein messbares Problem und eine kleine Anzahl von Signalen.

In der Pilotphase sollte geklärt werden, ob die Daten ausreichend genau sind, wie viel der Anschluss einer weiteren Maschine kostet und wer für die Aufrechterhaltung der Verbindungen verantwortlich sein wird.

Am einfachsten ist es, bei der Zeit anzusetzen, die Sie für die manuelle Erstellung von Berichten aufwenden.

Acht Personen widmen dieser Aufgabe täglich jeweils 25 Minuten. Bei 22 Arbeitstagen ergibt dies etwa 73 Stunden pro Monat. Bei Vollkosten von 80 Złoty pro Stunde belaufen sich die Kosten für die Erstellung der Berichte auf etwa 5.867 Złoty pro Monat.

Fügen Sie der Aufstellung die Zeit hinzu, die Sie für Folgendes aufgewendet haben:

Das Ergebnis nach der Inbetriebnahme sollte mit dem Zeitraum vor der Pilotphase verglichen werden. Andernfalls wird es schwierig sein, den Effekt der Integration von den üblichen Schwankungen des Produktionsvolumens zu unterscheiden.

Die Anbindung einer Maschine an ein System kann ohne separate Zwischenschicht erfolgen. Die Situation ändert sich jedoch, wenn ein Betrieb SPS-Steuerungen verschiedener Hersteller einsetzt, über mehrere Produktionslinien verfügt, unterschiedliche Protokolle verwendet und mehr als einen Datenempfänger hat.

Die gemeinsame Schicht kann dann:

In diesem Zusammenhang kann die Lösung „explitia.Integration“ den Informationsaustausch zwischen der Produktion, dem ERP-System und anderen im Betrieb eingesetzten Anwendungen gewährleisten.

Eine gute Integration ermöglicht es, festzustellen, woher jeder Wert stammt, wann er gespeichert wurde, auf welchen Auftrag er sich bezieht und was mit ihm während eines Netzausfalls oder beim Neustart der SPS geschehen ist.

Bereiten Sie für Ihr erstes Treffen mit einem Automatisierungs- und IT-Experten sowie einem Systemintegrator eine zu lösende Aufgabe, eine Liste mit fünf bis zehn Signalen sowie Testszenarien vor. Anhand dieses Umfangs lässt sich feststellen, ob die vorhandene Steuerung ausreicht oder ob möglicherweise ein Zwischenmodul, ein zusätzlicher Sensor oder eine gemeinsame Kommunikationsebene erforderlich ist.

Nein. Die Daten können über das Modbus-Protokoll, ein SCADA-System, einen OPC-Server, eine Herstellerschnittstelle, ein Zwischenmodul oder zusätzliche Ein- und Ausgänge abgerufen werden.

OPC UA beschreibt die in der Maschine verfügbaren Daten gut. MQTT eignet sich für die Übertragung von Nachrichten an mehrere Systeme. Beide Protokolle können innerhalb einer einzigen Anlage eingesetzt werden.

Nein. Das SCADA-System überwacht den Prozess und erfasst Signale aus der Automatisierung. Das MES-System verknüpft diese mit dem Auftrag, dem Produkt, dem Material und dem Produktionsergebnis.

Ja. Sie können einen Impulszähler, einen Werkstücksensor, einen Energiezähler oder ein Ein- und Ausgangsmodul installieren. Der Umfang der Informationen ist dann jedoch geringer.

Von der Produktionslinie, auf der ein messbares Problem auftritt, einschließlich der verfügbaren Dokumentation und der für das Ergebnis verantwortlichen Person. Im Rahmen der Pilotversuche sind der Normalbetrieb, ein Auftragswechsel, ein Netzausfall sowie der Neustart der Steuerung zu überprüfen.