Daten statt Papier

Partnerschaft & Produktivität
Daten statt Papier
ABB bringt Konnektivität in den Produktionsbereich
Sascha Stoeter, Dejan Milenovic
Häufig wird unsere Zeit als das „Informationszeitalter“
bezeichnet. Für die Fertigung trifft dies auch unbestritten
zu, denn wenn ein Produkt die notwendigen Schritte vom
Eingang des Auftrags bis zu seiner Auslieferung durchläuft, wird es von einer dynamischen Menge an Dokumentation begleitet. Die Mitarbeiter in der Fertigung müssen
ganz genau wissen, welche Schritte erforderlich sind und
welche Teile oder Zutaten verwendet werden sollen. Unter
Umständen werden auch die Ergebnisse einzelner Tätigkeiten aus Gründen der Qualitätssicherung und Rückverfolgbarkeit protokolliert.
In den meisten Fällen erfolgt dies größtenteils auf Papier.
Anweisungen werden in Papierform ausgegeben, Maßnahmen auf Papier aufgezeichnet, und selbst wenn die
Daten letztendlich elektronisch gespeichert werden,
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müssen die Aufzeichnungen vom Papier häufig manuell
in einen Computer eingegeben werden. Dies ist nicht nur
zeitaufwändig und fehleranfällig, sondern erschwert auch
den Zugang zu aktuellen Informationen.
Die cpmPlus Enterprise Connectivity Software von ABB
ändert dies grundlegend und ermöglicht im wahrsten
Sinne des Wortes eine papierlose Produktion, bei der
sämtliche Aufzeichnungen dem Produkt in elektronischer
Form folgen und bei jedem Produktionsschritt nur die
direkt für diese Aufgabe relevanten Daten angezeigt
werden. So werden Arbeitsabläufe optimiert und Fehler
reduziert.
Die Software ist unter anderem im ABB-eigenen Schaltanlagenwerk in Ratingen und beim Nahrungsmittelproduzenten Wander erfolgreich im Einsatz.
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D
ie Konnektivität (Verknüpfbarkeit)
ist ein wichtiger Aspekt von Produktionsleitsystemen (Manufacturing
Execution Systems, MES). Das MES
befindet sich in der Mitte der Automatisierungspyramide nach ISA-95-Standard [1] Infobox 1 und schließt die Lücke
zwischen den Betriebsführungssystemen
(Enterprise Resource Planning, ERP)
auf der 4. Ebene und den Leitsystemen
(Ebene 2 und darunter). Als solches
stellt es die Funktionen der Ebene 3 zur
Verfügung. Eine wesentliche Herausforderung bei der Implementierung dieser
Verbindung liegt in der „Übersetzung“
zwischen verschiedenen Informationsgranularitäten: ERP-Systeme befassen
sich mit Zeithorizonten von Stunden
oder länger, Regler hingegen arbeiten
Infobox 1
Die Automatisierungspyramide
Die Automatisierungspyramide teilt die Geräte
und Systeme einer Produktionsumgebung in
mehrere Ebenen ein. Es gibt viele verschiedene Automatisierungspyramiden mit unterschiedlichen Einteilungskriterien. Das für
diese Arbeit relevanteste ist das im ISA-95Standard verwendete Modell. Die Ebenen
stellen Kommunikationsgrenzen dar, da Verbindungen nur innerhalb einer Ebene oder zu
benachbarten Ebenen möglich sein sollten.
Die Pyramidenform weist auf die unterschiedliche Anzahl von Geräten auf den einzelnen
Ebenen hin, zum Beispiel ein ERP-System
auf der obersten Ebene und viele Regler auf
der untersten. Durch die Einteilung von
Geräten und Systemen in diese Hierarchie
wird ihr relativer Einfluss auf die Produktion
visualisiert.
Ebene 4
Doch häufig weichen Realität und Modell
voneinander ab. So können komplexe
Systeme Funktionalitäten für die gesamte
Anlage beinhalten (z. B. Lagerhaltung) und
mit Reglern interagieren und somit mehrere
Ebenen umfassen.
ERP
Regler
ERP: Enterprise Resource Planning
MES: Manufacturing Execution System
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Ebene 0
MES
für gewöhnlich im Sekundenbereich
oder darunter.
cpmPlus Enterprise Connectivity (ECS)
von ABB wurde ursprünglich als „Enterprise Connectivity Solutions“ vertrieben
[1]. Inzwischen bildet die Software ein
Kernstück der ABB-Produktfamilie für
kollaboratives Produktionsmanagement
(Collaborative Production Management,
CPM).
Weg mit dem Papier
Ein entscheidender Grund für die
Implementierung von Konnektivität im
Produktionsbereich ist die Umstellung
auf eine papierlose Produktion. Zu den
damit verbundenen betrieblichen und
finanziellen Vorteilen gehören:
Verfügbarkeit von Produktionsdaten
in Echtzeit: Die Unternehmensführung hat umfassenden und aktuellen
Zugriff auf den Status der Anlage und
der Produktion.
Kontextbasierte Hilfen: Das Personal
muss nicht mehr stapelweise Handbücher und Checklisten durchblättern, sondern bekommt nur die für
das aktuelle Produkt und den derzeitigen Produktionsschritt relevanten
Informationen angezeigt. Das Ergebnis ist eine übersichtlichere, sicherere
und effizientere Arbeitsumgebung,
und die Dokumentation kann einfach
und kostengünstig zentral aktualisiert
werden.
Wegfall von Eingabefehlern: Die
Informationen folgen den halb fertigen Produkten von der Bestellung bis
zur Auslieferung in elektronischer
Form. Handschriftliche Notizen gehören der Vergangenheit an und damit
auch die Gefahr von Unleserlichkeit
und Fehlern bei der Eingabe in das
ERP-System.
Eine Fülle an neuen Informationen:
Auf elektronischem Weg lassen sich
erheblich größere Datenmengen
erfassen als auf herkömmliche Weise
mit Stift und Papier. Davon profitiert
nicht nur das Unternehmen im Sinne
einer Prozessoptimierung, sondern
auch der Kunde, dem nun Qualitätsinformationen über die bezogenen
Waren zur Verfügung stehen. Eine
solche Datenaufzeichnung kann
außerdem zur Erfüllung von gesetzlichen Vorschriften erforderlich sein.
Einfacher Zugriff auf historische
Daten: Die elektronische Datenspeicherung vereinfacht die Rückverfolgung von Material und reduziert die
Zahl der möglichen Rückrufe durch
schnelle Identifizierung kontaminierter oder gefährlicher Waren. Dies hilft
einem Unternehmen nicht nur Geld
zu sparen, sondern auch seinen guten
Ruf zu wahren.
Doch wie sieht ein mit ECS ausgerüsteter papierloser Arbeitsplatz aus? Am
deutlichsten sind die Veränderungen
im Produktionsbereich. In der traditionellen Fertigung werden Anweisungen
aus Papierunterlagen entnommen, die
zusammen mit dem Produkt weitergereicht werden. Bei einem entsprechend
konfigurierten papierlosen System wählen die Bediener die nächste Arbeitseinheit auf einer grafischen Benutzeroberfläche aus, die eine priorisierte Liste der
anstehenden Aufgaben zeigt. Alternativ
kann dies durch Scannen eines Strichcodes erfolgen. Durch eine solche Prüfung kann auch sichergestellt werden,
dass das betreffende Teil zum aktuellen
Produktionsschritt passt. Anschließend
werden auf einem Bildschirm am
Arbeitsplatz die erforderlichen Montageschritte, zusätzliche Dokumentation
sowie gewünschte Testwerte oder Montageoptionen angezeigt 1 .
Veränderungen gibt es auch auf der
Verwaltungsebene: In den Büros werden Standard-PCs aufgestellt bzw. Softwareclients auf bestehenden Computern
installiert. Über diese Arbeitsplätze wird
das System verwaltet, können Aufträge
1
Die Benutzerschnittstelle besteht aus einem
Touchscreen-Monitor, einer Tastatur und
einem drahtlosen Scanner für Strichcodes.
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Anbindung an System 800xA
ausgelöst und Berichte ange2 ECS-Architektur mit zentralem Connectivity-Service. Die Offenheit von
können z. B. ausgewählte ERPzeigt werden. Dieser verbesECS ermöglicht eine einfache Einbindung neuer externer Systeme.
Daten im OPC-Format bereitserte Informationszugang biegestellt werden. Dies ermögtet vielfältige Vorteile: Die
Weblicht einen nahtlosen InformaVertriebsmitarbeiter erhalten
800xA
SAP
Service
tionsaustausch zwischen den
einen besseren Einblick in die
Ebenen 2 und 4 sowie den
verfügbaren Kapazitäten der
Zugriff auf Unternehmensdaten
Fabrik und können die AufcpmPlus
WebSphere MQ
…
und -funktionen über die Proträge entsprechend koordinieEnterprise Connectivity
zessgrafik von System 800xA.
ren, die Unternehmensführung
Viele Connectivity-Systeme
kann die Produktivität und
SQL Server
Oracle
Excel
werben mit der InteroperabiliProfitabilität in Verbindung mit
tät mit Drittanbieter-Produkten.
dem ERP-System in Echtzeit
Diese beschränkt sich alleranalysieren, und das Wardings häufig auf eine Schnitttungspersonal kann auf detailstelle, die eine Anbindung erleichtern
lierte historische Daten der Betriebsmitund Material. Jedem Modellierungselekann. Die Entwicklung dieser Anbintel zugreifen und seine Inspektionen
ment im System können verschiedene
dung bleibt jedoch häufig dem Kunden
entsprechend planen.
Arten von Eigenschaften zugeordnet
überlassen oder wird als zusätzliche
werden, die mit Prozesslaufzeitwerten
ECS im Überblick
Beratungsleistung angeboten. Im Gegenverbunden sind. Diese Ressourcen könECS nutzt den ISA-95-Standard, um eine
satz dazu erlaubt ECS die Anbindung an
nen dann zu Segmenten zusammengeeinheitliche Terminologie für die Komalle gängigen externen Systeme mithilfe
stellt werden, die je einen Produktionsmunikation zu gewährleisten. Vorgesevon Adaptern, die im Rahmen der Stanschritt darstellen. Durch den geschickten
hen als Schnittstellenbeschreibung zwidardfunktionalitäten mitgeliefert werden.
Übergang von einem Segment zum
schen den Ebenen 3 und 4, liefert die
Solche Adapter sind für viele Standardsnächsten entlang des Workflow-DiaNorm auch eine hervorragende Basis
zenarien verfügbar, z. B. zur Anbindung
gramms und in Übereinstimmung mit
zur Modellierung der Konnektivität
an SAP, WebSphere MQ, sowie für alle
den Produktionsanforderungen werden
innerhalb des Unternehmens. Darüber
gängigen Datenbanken und Web-Serviaus Aufträgen schließlich Produkte.
hinaus ist der ISA-95-Standard äußerst
ces. Weitere Adapter können je nach
Integration
nützlich für die Kommunikation zwiBedarf über eine Plug-In-Architektur
Architektonisch gesehen befindet sich
schen Anbietern von Betriebsmitteln
eingebunden werden. ECS ermöglicht
ECS im Zentrum des Kommunikationsund Kunden. Im Laufe der Jahre haben
eine nahtlose Verbindung aller dieser
systems für den Produktionsbereich 2 .
sich Werksmitarbeiter (und ihre Berater)
Systeme und „übersetzt“, falls erforderEs verbindet externe Systeme wie ERPeine eigene Terminologie angeeignet.
lich, zwischen verschiedenen DatendarSysteme mit den Betriebsmitteln und
Ein wohldefinierter internationaler Stanstellungen und -raten.
dem Personal. Informationen aus angedard vereinfacht die Kommunikation
Nachdem der Informationsaustausch
schlossenen Systemen werden gemäß
zwischen verschiedenen Sprachkulturen.
realisiert wurde, ist der nächste natürliISA-95-Standard abgebildet und innerDa ECS ressourcenorientiert ist, bietet
che Schritt das Senden von Befehlen
halb der industriellen Automatisierungsdas System einfache Möglichkeiten zur
von einem System zum anderen. Ein
plattform System 800xA von ABB zur
Anweisung von Mitarbeitern im Hinblick
Vertriebsmitarbeiter kann so nicht nur
Verfügung gestellt. Durch diese enge
auf verschiedene Rollen, Ausrüstung
einen neuen Auftrag in das SAP-System
3
Das Process Definition Tool ist das Hauptwerkzeug für die Modellierung. Es unterstützt ISA-95-basierte Ressourcen und die Modellierung von
benutzerdefiniertem Ereigniscode mithilfe grafischer und textbasierter Editoren.
a
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Das Cockpit-Tool bietet eine einfache grafische Konfiguration zur
Erstellung erweiterter Produktionsberichte.
4
eingeben, sondern theoretisch auch
direkt bestimmte Produktionsaspekte
anstoßen. Realistischer sind allerdings
Szenarien, bei denen die Eigenschaften
bestimmter Bedingungen im Produktionsbereich automatisch bestimmte
Aktionen auslösen:
Ein komplexer Alarmzustand auf der
Basis verschiedener Eigenschaften aus
mehreren Quellen bewirkt den Versand von Nachrichten (z. B. per SMS)
an das Bedienpersonal bzw. die Ausführung sofortiger Notabschaltprozeduren.
Durch den Abschluss eines Produktionsschritts wird automatisch der
nächste Schritt gestartet.
Ein Mischer wird zum entsprechenden Zeitpunkt automatisch mit der
richtigen Menge an Zutaten aus Silos
befüllt.
Ein solches Verhalten lässt sich in ECS
mithilfe sogenannter „Ereignisse“ realisieren. Ein Ereignis besteht aus benutzerdefiniertem Code, dessen Ausführung manuell durch einen Bediener
Infobox
CPM
DLL
ERP
MES
OPC
SMS
SQL
18
Abkürzungen
Collaborative Production
Management
Dynamic Link Library
Enterprise Resource Planning
Manufacturing Execution
System
OLE for Process Control
(ein Konnektivitätsstandard für
die Industrieautomatisierung)
Short Message Service
Structured Query Language
(eine Datenbanksprache)
5
Ein RESIBLOC-Transformator, hergestellt im ABB-Werk
in Brilon
oder automatisch durch einen booleschen Ausdruck mit einer beliebigen
Kombination von Eigenschaften gestartet werden kann. Durch das Schreiben
von prägnanten Ereignissen lässt sich
eine intelligente Connectivity-Lösung
für den Produktionsbereich realisieren,
die Bedienern lästige Aufgaben abnehmen kann und eine Überwachung in
Echtzeit ermöglicht.
Ereigniseditors 3b eingegeben werden.
Letzterer ermöglicht das Zeichnen von
Algorithmen und liefert einen unmittelbaren Einblick in den Workflow des
Ereignisses. Ereigniscode erleichtert das
Erstellen einfacher Funktionen und
Konnektivitäts-Mappings. Komplexere
Funktionen lassen sich mithilfe von
DLLs einbinden.
Admin-Tool
Tools
Damit Ingenieure von einer nützlichen
Entwicklungsumgebung profitieren können, müssen die Konzepte in Tools
umgewandelt werden. ECS bietet drei
derartige Engineering-Tools.
Process Definition Tool (PDT)
PDT ist die Hauptumgebung zur Erstellung von Modellen, die eine Lösung für
ein bestimmtes Konnektivitätsszenario
im Produktionsbereich darstellen 3 . Die
Lösung wird mit dem Tool erstellt und
dann während der Laufzeit an neue
Anforderungen angepasst. Im linken
Bereich des Anwendungsfensters werden die aktuellen Ressourcen in mehreren Baumstrukturen dargestellt. Der
rechte Bereich zeigt Einzelheiten zu
jeder Modellierungsinstanz, die von den
Entwicklern verändert werden können.
Mit diesem Tool werden grundlegende
Ressourcen modelliert und ihre Beziehungen festgelegt. Außerdem können
zusätzliche Eigenschaften und benutzerdefinierter Code in C# und Visual Basic
eingebunden werden, sodass die
gesamte Welt von .NET zur Verfügung
steht. Der Code kann entweder auf traditionelle Weise mit einem textbasierten
Editor 3a oder mithilfe eines grafischen
Mit dem Admin-Tool kann eine laufende
ECS-Installation konfiguriert werden. Es
fungiert als benutzerfreundliche Schnittstelle zur zentralen SQL-Serverdatenbank und wird von Administratoren
verwendet, um Benutzer und Berechtigungen zu verwalten, das System zu
überwachen und rudimentäre Berichte
anzuzeigen.
Cockpit
Das dritte Tool, Cockpit, bietet erweiterte Berichtsfunktionen 4 . ECS sammelt kontinuierlich eine große Menge
an Produktionsdaten, ohne dass das
System speziell konfiguriert werden
muss. Cockpit kann diese Fülle an
Informationen nutzen und mit zusätzlichen Quellen (z. B. historischen Daten)
in Beziehung setzen. Das Tool erlaubt
die grafische Darstellung der Daten
und vereinfacht so das Erkennen von
Zusammenhängen, die ansonsten verborgen bleiben würden.
Die aktuelle Version 3.5 von ECS zeichnet sich durch eine Reihe von Verbesserungen hinsichtlich der Bedienbarkeit
und Leistungsfähigkeit aus, wodurch
sich die Projektrealisierungszeit weiter
verkürzt. Zu den Verbesserungen gehören die erneute Verwendung eines
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Modells innerhalb weniger Sekunden
per Knopfdruck, die Unterstützung bei
der Suche nach Fehlern in Modellen
durch Visual Studio, eine verbesserte
Protokollierung sowie die Möglichkeit
zur kollaborativen und gleichzeitigen
Erstellung von Modellen durch mehrere
Ingenieure an verschiedenen Arbeitsplätzen. Die Version ECS 4.0, die im ersten Halbjahr 2009 verfügbar sein wird,
kommt ohne System 800xA als Hostumgebung aus, kann aber weiterhin eng in
das System integriert werden. Eine grafische Workflow-Engine ermöglicht eine
noch einfachere und intuitivere Konfiguration der Produktionsprozesse. Neue
Projekte können mithilfe des ECS Template Repository (einer Art Vorlagenarchiv), das Kunden online zur Verfügung
stehen wird, in einem fortgeschrittenen
Zustand gestartet werden. Das Repository enthält einsatzbereite Integrationsmodelle, die als Ausgangspunkt für
neue Entwicklungsvorhaben oder zum
Erlernen von bewährten Modellierungsverfahren verwendet werden können.
Geteilte Verantwortung
ECS wird in zahlreichen Fabriken von
ABB und externen Unternehmen eingesetzt. Während sich die Komplexität der
Projekte unterscheidet, ist der Weg zu
einer erfolgreichen Implementierung
stets derselbe.
Nach dem ersten Kontakt besucht ein
Team von ECS-Ingenieuren den Kundenstandort für mehrere Tage, um die
am Projekt beteiligten Bereichsexperten
zu befragen. Die Ergebnisse dieses Tref-
fens fließen in das Anforderungsdokument ein, in dem das gesamte System
spezifiziert wird. Neben einer allgemeinen Übersicht enthält das Dokument
eine detaillierte Beschreibung aller Systemaspekte. Anschließend werden verschiedenen Anwendungsfällen Prioritäten zugewiesen, die den Ingenieuren
in der Implementierungsphase als Leitfaden dienen. Andere Anwendungsfälle
werden als „optional“ oder „für zukünftige Erweiterungen“ markiert. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der klaren
Definition der Systemgrenzen. Das
Anforderungsdokument wird anschließend gemeinsam mit dem Kunden
verifiziert.
Die Entwicklung und die Implementierung
der Lösung erfolgen nicht am Kundenstandort. Sobald die einzelnen Teile der
Lösung beginnen, sich zu einem Ganzen
zusammenzufügen – und insbesondere
wenn die Benutzeroberflächen hinzugefügt werden –, wird der Kunde erneut
in die Verifizierungsphase eingebunden.
Gegen Ende des Projekts verlagern sich
die Arbeiten wieder an den Standort des
Kunden, wo die Server installiert und
Livetests durchgeführt werden.
Die Einbindung von Experten auf beiden Seiten ist eine Voraussetzung für
den Erfolg, aber keine Garantie. Ein
System ist nur dann von Nutzen, wenn
es von seinen Benutzern akzeptiert
wird. Nur allzu leicht wird vergessen,
dass die kleinen Kästchen im dokumentierten Modell in Wirklichkeit Menschen
darstellen, ohne deren Unterstützung
die Implementierung leicht fehlschlagen
kann. Bei vielen ECS-Installationen
haben die Bediener das neue System
positiv aufgenommen, weil sie während
des gesamten Projekts aktiv eingebunden waren. In einigen Werken wurden
z. B. Designwettbewerbe zur Gestaltung
der Computerstationen für die Arbeitsplätze ausgeschrieben. Ein solches
Beispiel ist in 1 dargestellt.
Benchmarking und Anwendung
Im Transformatorwerk von ABB in Brilon wurde ein Benchmark-Test durchgeführt 5 . Zu den verschiedenen Herausforderungen, die das System dank
seiner Flexibilität elegant bewältigte,
gehörten die Anbindung an ein exotisches ERP-System und eine Betriebsplanungsanwendung mit flexiblem Routing
innerhalb des Prozessworkflows in
Abhängigkeit von ERP-bezogenen
Bedingungen, die Integration eines
bestehenden Dokumentenrepositorys
und mehrsprachige Benutzeroberflächen für die multikulturelle Belegschaft.
Eine weitere erfolgreiche Implementierung wurde beim Schweizer Nahrungsmittelproduzenten Wander durchgeführt, dem Hersteller der weltberühmten Ovomaltine.
Die flexible cpmPlus Enterprise Connectivity-Lösung von ABB macht die
Vorteile der Konnektivität im Produktionsbereich deutlich. Neben einer einfachen und unkomplizierten Konfiguration erwarten den Kunden niedrige
Engineering- und Wartungskosten, ein
hohes Maß an Flexibilität mit der Möglichkeit für zukünftige Systemerweiterungen sowie verlässliche Informationen über den aktuellen Prozessstatus,
die auf allen Ebenen des Unternehmens
zur Verfügung stehen.
Sascha Stoeter
ABB Corporate Research, Industrial Software
Systems
Baden-Dättwil, Schweiz
[email protected]
Dejan Milenovic
ABB Process Industries Products
Baden-Dättwil, Schweiz
[email protected]
Literaturhinweise
[1] ISA-95 Manufacturing Enterprise Systems
Standards, http://www.isa.org/ (Februar 2009)
[2] Dondi, P., Berisa, D., Milenovic, D., Milenovic,
T., Tellarini, M.: „Unternehmenslösungen für die
diskrete Fertigung“. ABB Technik 2/2004: 34–38
ABB Technik 1/2009
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