ISA-95: MES, ERP und Produktionsdaten klar strukturieren

ISA-95 hilft dabei festzulegen, welche Informationen direkt in der Produktion entstehen, welche Aufgaben ein MES übernehmen sollte und welche Daten im ERP-System verbleiben. Der Standard strukturiert außerdem die Beschreibung von Produktionsaufträgen, Materialien, Anlagen und Produktionsergebnissen. In diesem Artikel erfahren Sie, wie die Ebenen von ISA-95 zu verstehen sind, wo sich ein MES im Modell einordnet und wie ISA-95 mit OPC UA zusammenwirkt.

ISA-95 ist ein internationaler Standard für die Integration von Business-Systemen mit Systemen zur Steuerung und Verwaltung der Produktion. Der Standard wird auch als Normenreihe IEC 62264 veröffentlicht.

ISA-95 schafft eine klare Struktur für die Abläufe in einem Produktionsunternehmen. Der Standard beschreibt, welche Aufgaben die einzelnen Systemebenen übernehmen und welche Informationen zwischen ihnen ausgetauscht werden sollten. Besonders wichtig ist dabei die Abgrenzung zwischen Systemen für das operative Produktionsmanagement, etwa MES oder MOM, und betriebswirtschaftlichen Systemen der ERP-Klasse.

ISA-95 ist jedoch keine fertige Anwendung, kein Kommunikationsprotokoll und kein direkt umsetzbares Implementierungskonzept. Der Standard empfiehlt weder einen bestimmten Softwareanbieter noch eine konkrete Lösung. Stattdessen bietet er einen gemeinsamen Rahmen, mit dem sich das Zusammenspiel verschiedener Systeme im Unternehmen strukturieren lässt.

Dadurch können Produktion, Automatisierung und IT gemeinsam festlegen:

Diese Unterscheidung ist entscheidend. Allein die technische Verbindung zweier Anwendungen stellt noch nicht sicher, dass beide einen Produktionsauftrag, einen Arbeitsplatz, eine Materialcharge oder eine Stillstandsursache gleich interpretieren.

ERP-Systeme speichern Informationen zu Aufträgen, Produkten, Materialien und geplanten Terminen. Steuerungen erfassen Daten direkt an den Maschinen, während das MES den Verlauf der Auftragsausführung dokumentiert. Ergebnisse aus Qualitätsprüfungen werden häufig in einem separaten System gespeichert. Ein vollständiges Bild der Produktion entsteht daher erst, wenn mehrere Datenquellen miteinander verbunden werden.

Die Daten liegen in verschiedenen Systemen, weil sie unterschiedliche Phasen desselben Prozesses beschreiben. Die Lücken werden sichtbar, sobald ein Unternehmen einfache Fragen beantworten möchte:

Ohne klar definierte Regeln hängen die Antworten häufig von einer Excel-Tabelle, einer manuellen Eingabe oder dem Wissen einer einzelnen Person ab.

ISA-95 hilft dabei, die Rollen der Systeme voneinander abzugrenzen. Der Standard ermöglicht es außerdem, Anforderungen an ein MES und an Integrationen zu definieren, ohne die Diskussion mit Bildschirmansichten, Datenbanktabellen oder konkreten Schnittstellen zu beginnen.

ISA-95 kann unter anderem als Grundlage für die Definition von Benutzeranforderungen, die Bewertung von Anbietern sowie die Konzeption von MES-Systemen und Datenbanken dienen.

Das bekannteste Element des Standards ist die Einteilung in die Ebenen 0 bis 4. Sie wird häufig als Automatisierungspyramide dargestellt.

Das Modell sollte jedoch nicht als starres Infrastrukturschema verstanden werden. Seine wichtigste Aufgabe besteht darin, Tätigkeitsbereiche und Verantwortlichkeiten zu veranschaulichen.

Automatisierungssysteme sind hauptsächlich den Ebenen 1 und 2 zugeordnet. Das operative Produktionsmanagement befindet sich auf Ebene 3, während ERP-Systeme vor allem auf Ebene 4 arbeiten. Ebene 0 umfasst den eigentlichen physischen Produktionsprozess.

In einem realen Werk verlaufen die Grenzen nicht immer exakt nach diesem Schema. Ein erweitertes ERP-System kann Funktionen zur Feinplanung enthalten, eine Steuerung kann Rezepturparameter und Produktionszähler speichern, und ein MES kann um Instandhaltung oder Qualitätsmanagement erweitert werden.

Bevor eine Anwendung einer bestimmten Ebene zugeordnet wird, sollte deshalb geprüft werden, welche Entscheidungen das System trifft, auf welchen Daten diese Entscheidungen beruhen und für welchen Bereich das System verantwortlich ist.

ERP dient in der Regel der Planung und Abrechnung auf betriebswirtschaftlicher Ebene. Ebene 3 reagiert auf den aktuellen Verlauf von Schichten, Vorgängen und Produktionsaufträgen. Die Ebenen 1 und 2 übernehmen die Maschinensteuerung und die für den Prozess erforderlichen Reaktionen.

Ein MES befindet sich im ISA-95-Modell hauptsächlich auf Ebene 3. Seine Aufgabe besteht darin, die Produktionsausführung zu steuern und Informationen zwischen ERP und Shopfloor auszutauschen.

Das ERP-System kann folgende Informationen an das MES übermitteln:

Das MES nutzt diese Informationen, um den Auftrag durch die einzelnen Produktionsschritte zu führen. Es erfasst produzierte Mengen, Arbeitszeiten, Stillstände, Materialverbrauch, Prüfergebnisse und die an der Ausführung beteiligten Personen.

Nach Abschluss eines Arbeitsgangs oder des gesamten Produktionsauftrags übermittelt das System die tatsächlichen Produktionsdaten an das ERP. Diese Daten werden dort für die Abrechnung und Rückmeldung benötigt.

Das ERP-System erstellt einen Produktionsauftrag über 1.000 Komponenten und übermittelt ihn an das MES. Das Produktionssystem weist den Auftrag der passenden Linie zu, erfasst den Arbeitsbeginn und verknüpft die verbrauchten Materialchargen mit dem hergestellten Produkt.

Nach Abschluss der Serie erfasst das MES:

Das ERP-System erhält die Produktionsrückmeldung und kann den Auftrag abrechnen. Der Produktionsleiter muss nicht auf eine manuell erstellte Schichtauswertung warten, und die Produktionsplanung arbeitet mit einem aktuellen Auftragsstatus.

Der Wert eines MES liegt vor allem im Erhalt des Kontexts. Die Zahl 972 ist kein anonymer Messwert aus einem Zähler. Sie bezieht sich auf einen konkreten Produktionsauftrag, ein Produkt, einen Arbeitsgang, eine Maschine, einen Zeitraum und eine Materialcharge.

MES steht für Manufacturing Execution System und konzentriert sich auf die Steuerung und Dokumentation der Produktionsausführung. MOM, also Manufacturing Operations Management, beschreibt einen breiteren Bereich der Aktivitäten auf Ebene 3.

ISA-95 unterteilt diesen Bereich in vier wesentliche Gruppen:

Systeme, die als MES angeboten werden, können sich in ihrem Funktionsumfang deutlich unterscheiden. Die Produktbezeichnung allein reicht daher nicht aus, um die tatsächlichen Möglichkeiten einer Lösung zuverlässig einzuschätzen.

Bei der Auswahl eines Systems sollten konkrete Funktionen, das Datenmodell und die Verantwortung für einzelne Prozesse geprüft werden. ISA-95 hilft dabei, solche Anforderungen unabhängig von der Terminologie eines bestimmten Anbieters zu definieren.

Integrationen werden häufig vor allem aus technischer Sicht bewertet. Ein System sendet eine Nachricht, ein anderes empfängt sie, und die Schnittstelle gilt als funktionsfähig. Viele Probleme entstehen jedoch nicht bei der Übertragung, sondern durch eine unterschiedliche Bedeutung der Daten.

Ein ERP-System kann „Linie 1“ beispielsweise als Kostenstelle behandeln. Das MES benötigt möglicherweise eine Hierarchie aus Werk, Bereich, Linie, Arbeitsplätzen und Anlagen. Eine Steuerung kennt dagegen konkrete Maschinensignale wie Betrieb, Stillstand oder Zyklusende.

ISA-95 beschreibt Modelle zur Strukturierung von:

Der Standard definiert Informationen, die in vielen Branchen gemeinsam verwendet werden. Daten, die für ein bestimmtes Werk, eine Anwendung oder einen Prozess spezifisch sind, können durch zusätzliche Eigenschaften erweitert werden.

Vor dem Aufbau einer Integration sollten deshalb eindeutige Identifikatoren, Datenverantwortliche und Regeln für die Aktualisierung der Informationen festgelegt werden. Wenn der Status eines Produktionsauftrags gleichzeitig durch ERP, MES und einen Bediener in einer Tabelle geändert werden kann, verfestigt eine weitere Schnittstelle die Inkonsistenz, statt sie zu beseitigen.

ISA-95 beschreibt die Organisation von Produktionsaktivitäten und die Bedeutung von Fertigungsinformationen. OPC UA stellt Mechanismen für die Kommunikation und die Informationsmodellierung bereit.

Beide Standards erfüllen unterschiedliche Aufgaben. OPC UA kann einen Messwert, ein Ereignis oder einen Befehl zwischen einem Gerät und einem übergeordneten System übertragen. ISA-95 hilft dabei zu bestimmen, was die übertragene Information bedeutet und welchem Produktionsmittel, Auftrag oder Material sie zugeordnet werden sollte.

Ein Zählerstand von 972 besitzt für sich genommen nur einen begrenzten Informationswert. Erst der richtige Kontext zeigt, ob es sich um Gutteile, Ausschuss, Maschinenzyklen, die Menge seit Schichtbeginn oder das Ergebnis eines bestimmten Produktionsauftrags handelt.

Die OPC Foundation hat Companion Specifications entwickelt, die Elemente von ISA-95 mithilfe von OPC-UA-Objekten, Variablen, Datentypen, Referenzen und Methoden abbilden. Dazu gehören unter anderem Anlagen, physische Ressourcen, Personal und Materialien.

Die Spezifikation OPC UA for ISA-95 Job Control beschreibt außerdem die Verwaltung von Aufträgen, Auftragsrückmeldungen und den Zugriff auf den Status geplanter, laufender und abgeschlossener Arbeiten.

OPC UA ersetzt ISA-95 nicht, und ISA-95 steht nicht in Konkurrenz zu OPC UA.

Mit einem Wort: nein. B2MML ist eine XML-basierte Umsetzung der ISA-95-Modelle und wird für den Datenaustausch zwischen Business- und Produktionssystemen verwendet.

B2MML ist jedoch nicht verpflichtend. Dasselbe Informationsmodell kann über APIs, Nachrichten, Dateien oder eine Integrationsplattform übertragen werden. Zuerst sollten Inhalt und Bedeutung der Daten abgestimmt werden. Erst danach sollte die technische Form festgelegt werden.

Richtig eingesetzt erleichtert das Modell die Abgrenzung der Verantwortlichkeiten zwischen Systemen. Das ERP-System muss nicht die operative Steuerung einer Produktionslinie übernehmen, und die SPS wird nicht zur Quelle des betriebswirtschaftlichen Status eines Produktionsauftrags.

Dadurch lassen sich unter anderem reduzieren:

Auch eine zuverlässige Rückverfolgbarkeit lässt sich leichter umsetzen. Daten zu Material, Arbeitsgang, Anlage und Ergebnis können einen konsistenten Datensatz über den gesamten Produktionsverlauf bilden.

Der Standard allein garantiert jedoch keine Verbesserung. Der Erfolg hängt davon ab, ob Datenverantwortliche und führende Systeme eindeutig festgelegt werden. Die Aussage eines Anbieters, eine Lösung sei ISA-95-konform, ersetzt keine detaillierte Prozessanalyse.

Ein guter Ausgangspunkt ist ein einzelner Produktionsauftrag. Dieser sollte von seiner Erstellung im ERP-System über die Ausführung in der Produktion bis zur abschließenden Rückmeldung und Abrechnung verfolgt werden.

Prüfen Sie während der Analyse:

Auf dieser Grundlage können Sie den Zielprozess für den Datenfluss definieren und den benötigten MES-Funktionsumfang festlegen. Bitten Sie Anbieter im Auswahlprozess zu zeigen, wie ihr System mit folgenden Situationen umgeht:

Solche Fragen zeigen schnell, ob eine Lösung auf einem durchdachten Informationsmodell basiert oder lediglich aus einer Sammlung individueller Punkt-zu-Punkt-Integrationen besteht.

Ein Analyseworkshop ist sinnvoll, wenn die Quelle des Produktionsauftragsstatus nicht eindeutig bestimmt werden kann, Produktionsergebnisse manuell gemeldet werden oder verschiedene Abteilungen dieselben Ressourcen unterschiedlich definieren.

Die Auswahl eines MES ohne vorherige Klärung dieser Fragen kann dazu führen, dass bestehende Inkonsistenzen lediglich in das neue System übertragen werden.

Ein guter Workshop sollte folgende Ergebnisse liefern:

Planen Sie eine MES-Einführung oder möchten Sie die Integration mit Ihrem ERP-System strukturieren? Beginnen Sie mit der Analyse eines einzelnen Produktionsauftrags. Das Team von explitia unterstützt Sie dabei, Datenquellen, Systemgrenzen und den Umfang der benötigten Schnittstellen zu bestimmen.

ISA-95 bietet den größten Nutzen, wenn der Standard dabei hilft, klare Entscheidungen über Daten und Systemverantwortlichkeiten zu treffen.

Verfolgen Sie einen Produktionsauftrag von der Planung im ERP über die Ausführung an der Linie bis zur Material- und Qualitätsabrechnung. Jede manuelle Eingabe, jede verzögerte Statusmeldung und jeder uneindeutige Identifikator zeigt einen Bereich, der strukturiert werden sollte.

ISA-95 ist kein allgemein verbindliches Gesetz. Es handelt sich um einen Referenzstandard für die Konzeption von Integrationen zwischen Business-Systemen und Produktionsmanagement- beziehungsweise Steuerungssystemen. ISA-95 wird auch als Normenreihe IEC 62264 und PN-EN 62264 veröffentlicht.

ISA-95 und IEC 62264 beschreiben denselben Bereich: die Integration von Unternehmenssystemen mit Systemen zur Steuerung und Verwaltung der Produktion. Der Begriff ISA-95 wird häufig in Fachpublikationen verwendet, während IEC 62264 die Bezeichnung im internationalen Normungssystem ist.

Nein. Ein Anbieter kann die Terminologie von ISA-95 verwenden oder ausgewählte Modelle des Standards abbilden. Trotzdem müssen der Funktionsumfang, die Datenstruktur und die Art der Integration mit ERP und Automatisierung geprüft werden.

Nein. ISA-95 ist ein Standard und Referenzmodell. Ein MES ist eine Softwarelösung, die ausgewählte Aufgaben des Produktionsmanagements übernimmt.

Beide Begriffe sind korrekt, beschreiben aber unterschiedliche Umfänge. MES konzentriert sich vor allem auf die Produktionsausführung. MOM umfasst einen breiteren Bereich des operativen Produktionsmanagements, einschließlich Produktion, Qualität, Instandhaltung und Materialmanagement.

Nein. OPC UA dient der Kommunikation und Informationsmodellierung. ISA-95 strukturiert Aufgaben, Objekte und Informationsflüsse zwischen den Ebenen eines Unternehmens.

Beginnen Sie mit der Analyse eines einzelnen Produktionsauftrags und legen Sie fest, welches System für jede Phase und jede Information verantwortlich ist. Erst danach sollten Schnittstellen konzipiert und Technologien ausgewählt werden.