Mehrere weltweite Initiativen wie Industrie 4.0 wurden gegründet, um die Transformation traditioneller Industrien in digitale Fabriken zu steuern. Die konsequente Anwendung von Manufacturing Operation Management Systemen (MOM) spielt eine entscheidende Rolle bei der vollständigen Digitalisierung der Fertigung. MOM schließt die digitale Lücke zwischen Geschäftsabwicklung und Prozessausführung.
Die Komplexität der Einrichtung und Nutzung von MOM-Systemen erschwert die Einführung für viele KMU-Unternehmen: MOM-Systeme erfordern eine ausgeklügelte IT, um sie vor Ort auszuführen, komplexe Installations- und Konfigurationsaufgaben sind zu bewältigen und hoch qualifizierte Benutzer sind unabdingbar. Große Unternehmen können sich die Investition leisten, während viele KMU von diesen finanziellen Risiken abgeschreckt werden. Mit der Einführung von Cloud-Computing und SaaS (Software as a Service) können viele dieser Herausforderungen überwunden werden:
- Cloud-Computing ermöglicht Anwendungshosting ohne eine kostspielige IT-Infrastruktur vor Ort;
- SaaS ermöglicht die Nutzung gegen eine Abonnementgebühr ohne vorherige oder langfristige Verpflichtung.
Manufacturing Software und Industrie 4.0
Industrie 4.0 zielt darauf ab, das hohe Innovations- und Wirtschaftspotenzial zu nutzen, das sich aus den schnellen Fortschritten in der Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) in der Industrie ergibt, um die Produktivität und Qualität der Waren zu verbessern und die Umweltbelastung zu verringern. Ziel ist es, Wertschöpfungsketten über alle Phasen des Produktlebenszyklus durch Digitalisierung zu verbessern (siehe Wissensbox 1). Die Organisation und Steuerung von Wertschöpfungsnetzwerken sowie die Schaffung neuer Geschäftsmodelle gelten als Schlüssel zur Verbesserung der industriellen Wettbewerbsfähigkeit.
Industrie 4.0 verändert die Art und Weise, wie Unternehmen ihre Produkte herstellen, verbessern und vertreiben. Hersteller integrieren neue Technologien, darunter das Industrielle Internet der Dinge (IIoT), Cloud-Computing, Analytik und KI/maschinelles Lernen, in ihre Produktionsanlagen und Abläufe. Die digitale Transformation ist mehr als nur ein interessanter Technologietrend. Es ist eine Überlebensstrategie für Unternehmen in allen Branchensegmenten und Märkten. Die Einführung von MOM-Systemen in Kombination mit der Cloud spielt eine Schlüsselrolle bei der vollständigen Digitalisierung der Fertigung, da sie die digitale Lücke zwischen Geschäftstransaktionen und Prozessausführung ohne hohe Investitionskosten schließt.
Wissensbox 1
Stufen der industriellen Revolution:
- Industrie 4.0: Bietet eine Vision für die Digitalisierung der Fertigung durch die Nutzung von Konnektivität, Automatisierung, maschinellem Lernen und Echtzeitdaten.
- Industrie 5.0: Bietet eine Vision, wie Menschen mit Robotern und intelligenten Maschinen zusammenarbeiten.
- Industrie 6.0: Manchmal definiert als die Konsolidierung von Industrie 4 und 5, um eine allgegenwärtige, herstellergesteuerte, virtualisierte, antifragile Fertigung zu realisieren [Kuo21]. Kurz gesagt, Autonome Fabrik.
Manufacturing Execution System (MES) und Manufacturing Operations Management (MOM)
In diesem Kapitel diskutieren wir einige Details von MOM und MES, die für das Thema dieses Artikels relevant sind. In Wissensbox 2 wird eine kurze Definition der Begriffe MOM und MES gegeben.
Manufacturing Execution Systems (MES) überwachen, steuern und optimieren Fertigungsprozesse [Siem]. Informationen, die ein MES bereitstellt, helfen Entscheidungsträgern zu verstehen, wie alle an der Produktion beteiligten Komponenten des IT-Ökosystems miteinander verknüpft sind. Dieses Wissen erleichtert dadurch die kontinuierliche Verbesserung des Herstellungsprozesses. MES bieten eine systemkritische Lösung für die Verknüpfung von Abläufen auf Unternehmensebene mit der Steuerung von Stationen auf Fertigungsebene (s. Abb. 1). Sie bieten auch Datenaustauschfunktionen mit der Automatisierungsschicht (z. B. speicherprogrammierbare Steuerungen – SPS; oder Überwachungssteuerung und Datenerfassung – SCADA). Gemäß der ISA-95-Klassifikation von Fertigungsbetrieben [Wiki] stellt ein MES Ebene 3 dar, die die industrielle Automatisierung, die auf Fertigungsebene ausgeführt wird, mit dem Geschäftsbetrieb verbindet und auf Unternehmensebene ausgeführt wird.
MOM erweitert die Funktionalität eines MES und stellt alle Aktivitäten bereit, die notwendig sind, um operative Exzellenz sicherzustellen, vom Qualitätsmanagement über die Planung und Terminierung, von der Werkslogistik bis zur Datenanalyse.
Fertigungssysteme haben sich in den letzten Jahren hinsichtlich Bedienung und Steuerung stark verändert. Die Initiative Industrie 4.0 bietet eine Vision zu entscheidenden Geschäfts- und Technologietreibern (siehe Wissensbox 3). Darüber hinaus bietet Industrie 4.0 Richtlinien zur Anpassung an die Vision. Zu beachten ist, dass ein hoher Reifegrad in Sachen Industrie 4.0 erforderlich ist, um die nächsten Stufen von Industrie 5 und 6 erfolgreich umzusetzen. Themen wie Digitaler Twin und Metaverse bedingen die volle Digitalisierung.
Abb. 1: From the "classic" ISA-95 subdivision of manufacturing operation levels to a federated, modular ecosystem
Wissensbox 2
Definition der Begriffe MOM und MES:
- Manufacturing Execution System (MES): MES sind computergestützte Systeme, die in der Fertigung eingesetzt werden, um die Umwandlung von Rohstoffen in Fertigwaren zu verfolgen und zu dokumentieren.
- Manufacturing Operation Management (MOM): MOM-Systeme konsolidiert alle Produktionsprozesse, um das Qualitätsmanagement, die erweiterte Planung und Terminierung, Fertigungsausführungssysteme, das F&E-Management und mehr zu verbessern.
Abb. 2: Deployment-Modelle
Wissensbox 3
Für Industrie 4.0 entscheidende Geschäfts- und Technologietreiber:
- Business Drivers: Die zunehmende Globalisierung von Lieferketten und Fertigungsketten schafft mehr Markttransparenz für Hersteller und damit sinkende Gewinnmargen. Unternehmen reagieren darauf, indem sie mehr Flexibilität in der MES-Anpassung fordern und Produktionssysteme dynamisch anpassen. Mit diesen Fähigkeiten können Hersteller leichter auf Anpassungen reagieren und dieselben Umgebungen nutzen, um unterschiedliche Produkte zu entwickeln.
- Technology Drivers: Die technologischen Innovationen mit großen Auswirkungen auf die Fertigung sind wohl Cloud-Computing, IoT und KI/ML. Um das volle Potenzial dieser Innovationen auszuschöpfen, ist nicht nur eine Neugestaltung des IT-Ökosystems erforderlich, sondern auch die etablierte Organisationsstruktur muss angepasst werden.
MOM-Bereitstellung und Vorteile durch SaaS
Beginnend mit dem derzeit gängigsten Bereitstellungsmodell von MOM-Systemen, der Bereitstellung vor Ort (on-premise). Abschließend diskutieren wir kurz zwei weitere Modelle für den Cloud-Betrieb und schließen mit der „hohen Kunst“ der hybriden MOM-Bereitstellung.
On-premise
Beim On-premise-Modell wird die MOM-Software in einer IT-Infrastruktur installiert, die von Herstellern bereitgestellt wird und deren Eigentümer er ist. Der Hersteller ist für die Beschaffung aller Hardwarekomponenten und Softwarelizenzen verantwortlich. Der Hersteller trägt die volle Verantwortung für alle Aspekte der Verwaltung, Sicherheit und Wartung des gesamten On-premise-Ökosystems. Der Hauptvorteil für den Hersteller in dieser Lösung liegt darin, die vollständige Kontrolle über das gesamte IT-Ökosystem und die darin enthaltenen Anwendungen zu haben.
Die Einrichtung des On-premise-Ökosystems erfordert normalerweise eine erhebliche Vorabinvestition (Capital Expenditure – CapEx) in Hardwareinfrastruktur und Softwarelizenzen. Gerade für den KMU-Markt stellt dies eine große Herausforderung dar. Die Wartung von On-premise-Lösungen (Softwarewartung, Updates und Patching) kann nur in den Räumlichkeiten des Herstellers oder remote erfolgen, aber immer noch im IT-Ökosystem des Kunden.
Eine weitere Herausforderung für die Fertigung sind die notorisch niedrigen Gewinnmargen. Daher ist es nicht verwunderlich, dass viele Hersteller dazu neigen, an einem bestehenden MOM-Software-Release so lange wie möglich festzuhalten. Das Ergebnis ist, dass MOM-Softwareanbieter manchmal mehrere Releases ihrer Produkte parallel unterstützen, um die Kundenzufriedenheit sicherzustellen. Es gibt Fälle, in denen die Zeitspanne zwischen verschiedenen Betriebsversionen 5 Jahre oder mehr beträgt, was für die IT-Branche und den Softwareanbieter eine „generationsübergreifende“ Herausforderung darstellt.
Lift& Shift in die Cloud
Eine Möglichkeit, aus der Beschränkung eines bestimmten Standorts herauszukommen, besteht darin, die Anwendung direkt aus der Cloud heraus bereitzustellen oder die Anwendung in eine virtuelle Maschine einzuschließen, die in der Cloud bereitgestellt wird. Beide Ansätze haben den Vorteil, dass die Anwendung selbst nicht umgestaltet oder neu implementiert werden muss. Natürlich besteht möglicherweise ein gewisser Bedarf an Refactoring, je nachdem, wie eng die Anwendungen an eine bestimmte Umgebung gebunden sind. Dieser Ansatz könnte den Investitionsbedarf eines Herstellers erheblich reduzieren. Einige Hersteller nutzten diesen Ansatz, um die MOM-Anwendungen für ihre gesamte Organisation weltweit bereitzustellen, ohne durch ihre lokalen Rechenzentren eingeschränkt zu werden. Allerdings löst dieser Ansatz nicht die Herausforderung, aus Kostengründen nicht auf neuere Releases wechseln zu wollen.
Ein weiterer Aspekt, den Hersteller sehr genau beobachten müssen, ist das Thema Betriebskosten (OpEx). Der Betrieb der eigenen IT in der Cloud und die Abrechnung nach Nutzung können die Betriebskosten erheblich erhöhen. Es gibt einen individuellen Break-Even-Punkt für die spezifische Situation eines jeden Herstellers. Die Berechnung muss jedoch auch Risikoüberlegungen berücksichtigen und verdient einen eigenen Artikel.
Cloud-native
Mit der stetig zunehmenden Akzeptanz von Cloud-Lösungen halten Hersteller Ausschau nach MOM-Systemen, die in der Cloud nativ sind, anstelle von Lift&Shift-Operationen. Cloud-native Anwendung nutzen die Vorteile der serverlosen Cloud-Strategie. Stark vereinfacht bedeutet es, die Anwendung in unabhängig voneinander betreibbare Module zu zerlegen und diese bei Bedarf hochzufahren (Serverless). Eine Strategie, die bei einer monolithischen Anwendung normalerweise nicht realistisch ist.
Cloud Nativity kann auf verschiedene Arten erreicht werden. Eines der ersten Konzepte besteht darin, sich stark auf die nativen Tools und Konzepte der Cloud-Anbieter zu verlassen. Allerdings hat sich mit diesem Ansatz und der zunehmenden Reife von Containerprodukten (Docker, k8s) der Fokus auf die Containerisierung verlagert. Dadurch kann die Bindung an einen bestimmten Cloud-Anbieter (Vendor Lockin) verhindert werden.
SaaS
SaaS (Software as a Service) ist ein innovatives Geschäftsmodell, um Softwaredienste anzubieten, die die CapEx-Investitionen für Kunden reduzieren und eine hervorragende Möglichkeit bieten, die Verbreitung von MOM zu erhöhen.
SaaS unterscheidet sich vom traditionellen Geschäftsmodell dadurch, dass der traditionelle Kauf der Software in Form einer „Dauerlizenz plus Wartung“ durch ein Abonnementsystem (Subscription) ersetzt wird, bei dem Softwaredienste in der Cloud mit einer allumfassenden monatlichen Gebühr angeboten werden.
SaaS ist ein One-to-Many-Konzept, das bedeutet, dass so vielen Kunden wie möglich ein Standardpaket von Anwendungen zur Verfügung gestellt wird, wodurch die Anpassung minimiert wird. Softwareanbieter können ihre Bemühungen auf eine einzige laufende Version der Software unter ihrer Kontrolle konzentrieren, die F&E- und Wartungskosten senken, ihr Produkt systematisch aktualisieren und verbessern und das Angebot schrittweise erweitern. Bei SaaS wird die Unterscheidung zwischen Kundendaten und Konfigurationsdaten mandantenfähig (multi-tenancy) realisiert. Jeder Kunde hat Zugriff auf einen privaten Teil der Anwendung mit Datentrennung und privater Konfiguration, aber gemeinsame Dienste und Hardwareinfrastruktur werden von allen Kunden gemeinsam genutzt. Die Miete könnte für einen einzelnen globalen Kunden mit mehreren Untermieten bereitgestellt werden, die aus geschäftlichen oder rechtlichen Gründen von seinen lokalen Tochtergesellschaften getrennt bleiben.
Hybrid
Eine hybride Umgebung kombiniert gemischte Datenverarbeitung, Speicherung und Dienstbereitstellung auf einer lokalen Infrastruktur, private Cloud-Dienste und eine öffentliche Cloud und Orchestrierung zwischen den verschiedenen Plattformen.
Bei dieser Lösung werden einige MOM-Funktionalitäten in die Cloud verlagert. Andere laufen weiterhin auf der On-premise-Infrastruktur des Herstellers – üblicherweise als „The Edge“ bezeichnet – entsprechend ihren nicht funktionalen Anforderungen (z. B. Latenz für On-premise-Module, Skalierbarkeit für Cloud-native Funktionalitäten). Die Entscheidung, welche Komponenten in die Cloud verlagert werden, hängt unter anderem von den Betriebskosten, der Sicherheit und den benötigten Antwortzeiten (Response Time) der Herstellung ab. Abhängig von der Industrie können einzelne Verarbeitungsschritte eine Antwortzeit von weniger als 100 Millisekunden erfordern. Eine Anforderung, die in der Regel nicht über eine Internetverbindung darstellbar ist.
Darüber hinaus betrachten viele Unternehmen die hybride Umgebung als das Beste aus beiden Welten, da sie mit dieser Lösung überlegen können, ob es praktikabler und/oder kostengünstiger ist, sie in die Cloud zu migrieren oder sie für jeden Prozess oder jede Anwendung vor Ort zu belassen.
Abbildung 3 zeigt das Kontinuum der Bereitstellungstypen (DT) von Fertigungssoftwaresystemen gemäß der ISA-95-Klassifizierung. Auf der On-premise-Seite befindet sich DT1, wo alle Funktionen an Produktionsstandorten ausgeführt werden. Dieser Bereitstellungstyp ist nur für die Bereitstellung von Diensten vor
Ort geeignet. Im Allgemeinen sind die Funktionen, die direkter mit der Ausrüstung in der Werkstatt verbunden sind, aufgrund von Netzwerkverzögerungen schwieriger außerhalb des Unternehmens auszuführen. DT2 bis DT4 zeigt eine schrittweise Verlagerung von Funktionen in eine Off-premise-Infrastruktur. Sensoren und Geräte müssen jedoch vor Ort sein. Es ist erwähnenswert, dass Off-premise nicht unbedingt bedeutet, dass die Funktionen aus der Cloud angeboten werden, während sie dennoch über lokal gehostete Umgebungen angeboten werden können.
Die Hybrid Cloud erfordert eine andere Art der Lizenzierung: die hybride Lizenzierung, ein Modell, bei dem unbefristete Lizenzen und Abonnementmodelle am kostengünstigsten berücksichtigt werden.
Abb. 3: Continuum of deployment types mapped to ISA-95 operation layers
Das sagt der Markt
In den letzten Jahren vor der Pandemie (2015 – 2019) ist der Wert des MOM/MES-Markts leicht um 5 Prozent pro Jahr gewachsen, mit einem großen Unterschied zwischen den Industriesegmenten und der Größe von Unternehmen. Mehrere Prognosen sagen ein Wachstum des Markts um bis zu 25 Prozent voraus, wenn der KMU-Markt stärker bedient würde.
Eine gemeinsam von Siemens und der Universität Politecnico Mailand durchgeführte Studie, die sich mit der Wahrnehmung des MES-Werts für KMU und der Absicht, in diese Art von Software zu investieren, befasste, weist darauf hin, dass die meisten Unternehmen, die ein MES eingeführt hatten, eine Verbesserung der Produktionsleistung und der Lieferzeiten berichteten. Andererseits erklärten Unternehmen, die MES nicht eingeführt hatten, dass die Hauptgründe, die sie davon abhielten, in MES zu investieren, die hohen Installationskosten der Infrastruktur und die Installationszeiten waren.
Die vorherigen Kapitel zeigen, dass Cloud-Computing und SaaS einen fantastischen Weg bieten könnten, um Installationskosten und Investitionen zu senken. Dieselbe Studie hat jedoch festgestellt, dass die meisten potenziellen Hersteller bei der Einführung einer reinen Cloud-Lösung zurückhaltend sind. Die Hauptgründe, die produzierende Unternehmen bei der Einführung einer reinen Cloud-Lösung zurückhaltend gemacht haben, sind Ängste vor einer schlechten Anwendungskontrolle, Zweifel an der Datensicherheit und der Netzwerkleistung.
Abbildung 4 zeigt, dass sich nur ein kleiner Prozentsatz der Hersteller für eine reine Cloud-Lösung entscheidet. Die Mehrheit bevorzugt eine gemischte Lösung mit geschäftskritischen Funktionen, die vor Ort ausgeführt werden, und Informationsdaten in der Cloud. Ein erheblicher Prozentsatz der Anwender bevorzugt immer noch eine vollständige On-premise-Lösung.
Abb. 4: Preferred MES deployment by SME Executives
Herausforderungen/Hemmnisse beim Wechsel in die Cloud
Hauptmotive für einen potenziellen Hersteller, eine MES-SaaS-Lösung einzuführen, hängen mit den erschwinglichen Kosten und der Flexibilität, nur bestimmte Module auszuwählen, zusammen. Im Gegensatz dazu hängen die Haupthindernisse für die Akzeptanz einer Cloud-Lösung mit der Wahrnehmung zusammen, dass Cloud-Computing weniger sicher, weniger leistungsfähig und Cloud-Anwendungen weniger konfigurierbar sind als herkömmliche Lizenzanwendungen. Diese Einschränkungen hängen jedoch mehr davon ab, wie Anwendungen entworfen und implementiert werden (Architektur und Design), als von der Tatsache, dass sie auf einer Cloud-Plattform ausgeführt werden. In der Tat ist das Sicherheitsniveau auf Plattformebene, zumindest bei den großen Anbietern, sehr hoch, typischerweise höher als die Sicherheit einer durchschnittlichen Unternehmensplattform im KMU-Bereich.
Die Skalierbarkeit der Cloud-Computing-Leistung ermöglicht es gut konzipierten Anwendungen, die richtigen Rechenressourcen zu nutzen, die erforderlich sind, um ein bestimmtes Leistungsniveau in Echtzeit zu gewährleisten. Netzwerkbandbreite und -latenz könnten ein Problem darstellen, das außerhalb der Kontrolle von SaaS- und PaaS-Anbietern liegt, insbesondere in ländlichen Gebieten, die noch nicht durch Glasfaserkabel abgedeckt sind. Drahtloser Zugang mit 5G oder Satelliten-Internet könnte in einer bestimmten Situation eine Alternative zum Kabelanschluss sein oder eine Backup-Lösung im Falle eines Netzwerkausfalls bieten.
Kurzfristig könnten hybride Anwendungen ein privilegiertes Tor zur Einführung von Cloud-Computing in produzierenden Unternehmen bieten. Anbieter von SaaS müssen diese Bedenken zufriedenstellend beantworten, um den Markt zu erobern. Für Softwareanbieter bedeutet der Übergang zum SaaS-Modell hervorragende Marktchancen, aber auch eine erhebliche Änderung der internen Organisation. Die Prozesse in der Entwicklung von Softwareprodukten, die von anderen installiert und gewartet werden, unterscheidet sich erheblich von der Anbietung von Services.
Die beträchtliche Investition von Anbietern bei der Umstellung ihrer Organisation wird sich mittelfristig amortisieren (siehe dazu auch das SaaS-Fisch-Modell). Das SaaS-Modell erfordert eine Transformation in der Art und Weise, wie das Produkt entworfen und entwickelt wird (F&E-Transformation), der Art und Weise, wie das Produkt geliefert und gewartet wird (Betriebstransformation), und der Art und Weise, wie das Produkt letztendlich als Cloud-Service betrieben und abgerechnet wird (Vertriebstransformation).
Zusammenfassung
Industrie 4.0 bezeichnet die Digitalisierung industrieller Prozesse zur Verbesserung von Produktivität, Qualität und Nachhaltigkeit. MOM/MES-Systeme sind wichtige Elemente, um die vollständige Digitalisierung der Fertigung zu erreichen. Heutzutage hängen die Hindernisse, die die meisten KMU davon abhalten, MOM/MES einzuführen, mit ihren Lizenz- und Infrastrukturkosten zusammen. Cloud-Computing mit SaaS und PaaS kann diese Barrieren mit einem Geschäftsmodell abbauen, das auf Abonnementgebühren statt auf Kapitalinvestitionen basiert. Cloud-Computing bietet Softwareanbietern große Marktchancen und die Möglichkeit, ihre Kundenbasis zu erweitern. Der Übergang zu SaaS erfordert jedoch ein Umdenken, wie die Produkte entworfen, gewartet und angeboten werden. Ein erfolgreicher Anbieter muss sich durch Sicherheit, Leistung und Flexibilität mit nachvollziehbaren Kosten auszeichnen.
Weitere Informationen
[Alm16] F. Almada-Lobo, The Industry 4.0 revolution and the future of Manufacturing Execution Systems (MES), in: J. of Innovation Management 3 (4):16-21, https://www.researchgate.net/publication/306150248_The_Industry_40_revolution_and_ the_future_of_Manufacturing_Execution_Systems_MES
[Baj21] B. Bajic et al., Industry 4.0 Implementation Challenges and Opportunities: A managerial Perspective, in: IEEE Systems Journal, Volume 15, Issue 1, https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9207825/
[Jas20] S. Jaskó et al., Development of manufacturing execution systems in accordance with Industry 4.0 requirements: A review of standard- and ontology-based methodologies and tools, in: Computers in Industry, Volume 123 – 2020, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0166361520305340
[Kuo21] P. Kuosmanen et al., FROM INDUSTRY X TO INDUSTRY 6.0 - ANTIFRAGILE MANUFACTURING FOR PEOPLE,PLANET, AND PROFIT WITH PASSION, https://cris.vtt.fi/ws/portalfiles/portal/54165532/Industry_X_White_Paper_3.5.2021_Final.pdf
[MaMo] S. Mantravadi, Ch. Mouller, An overview of next generation Manufacturing Execution Systems: How important is MES for Industry 4.0?, in: 14th Global Congress of Manufacturing and Management, [Plex] MES in the Cloud White Paper, https://www.plm.automation.siemens.com/global/it/products/manufacturing-operations/manufacturing-execution-system.html
[Siem] Manufacturing Execution Systems (MES), Siemens, https://www.plm.automation.siemens.com/global/it/products/manufacturing-operations/manufacturing-execution-system.html
