1.
SCHULZ, Thomas: Vorteile und Einsatzfelder integrierter Toolsets zur Modellierung von Manufacturing Execution
Systems (MES). In: Scientific Reports - Wissenschaftliche Berichte. Nr. 5: IWKM 2000 - Band A: Automatisie-
rungstechnik. Mittweida : Wissenschaftliche Zeitschrift der Hochschule Mittweida, 2000, S. 65-72.
VORTEILE UND EINSATZFELDER INTEGRIERTER TOOLSETS ZUR
MODELLIERUNG VON MANUFACTURING EXECUTION SYSTEMS (MES)
Dipl.-Ing. Thomas Schulz
Wonderware GmbH, Geschäftsstelle Berlin, Deutschland
1. Abgrenzung der Einsatzfelder
Im Jahre 1992 wurde die Manufacturing Execution Systems Association International
(MESA) als Vereinigung von Entwicklern, Herstellern und Dienstleistern gegründet.
Der Bereich der Manufacturing Execution Systems, kurz auch MES genannt, verbin-
det wie in Abbildung 1 dargestellt als integratives Zwischenstück die Planungs- und
Finanzwelt der ERP-Ebene mit der Produktionswelt im Steuerungsbereich. Dabei
wird eine Brücke zwischen transaktionsorientiertem Denken und ereignisorientiertem
Handeln in Unternehmen geschlagen.
MES = Manufacturing Execution System
SSM
ERP = Enterprise Ressource Planning
SCM = Supply Chain Management
SCM ERP SSM = Sales & Service Management
P/PE = Product & Process Engineering
Steuerungen = SPS, DCS, NC, SCADA
MES P/PE
Steuerungen
Abbildung 1: MES Kontextmodell [Fraser97]
Laut [Thiel00] ist das angestrebte Ziel die Aufteilung des herkömmlichen Modells ei-
nes Produktionsplanungs- und Steuerungssystem in einzelne Komponenten. MES
sichert mit seinen Informationen eine Optimierung von Produktionsabläufen von der
Auftragserstellung bis hin zum fertigen Produkt. Die hieraus resultierende schnelle
Reaktion auf die den Fertigungsablauf beeinflussenden Bedingungen, sowie die Fo-
kussierung auf Reduzierungen von nicht wertschöpfenden Tätigkeiten führt zu effek-
tiveren Fertigungs- und Prozeßabläufen. Hauptanwendungsfeld sind Fertigungssys-
teme mit automatisierten Abläufen in ihrer gesamten Breite und Vielfalt.

2.
1.1 Fertigungssysteme
Im deutschsprachigen Raum wird die Thematik der Fertigungssysteme, wie die Defi-
nition von Begriffen, Abläufen und Funktionen, hinreichend in [VDI 3633] beschrie-
ben. Fertigungssysteme werden als Summe aller Arbeitsmittel in einem festgelegten
Bereich definiert. Am Eingang ankommendes Material wird in einen definierten Zu-
stand überführt um dann wiederum am Ausgang des Systems abgegeben zu wer-
den.
Die einzelnen Komponenten von Fertigungssystemen nennt man Arbeitssysteme.
Diese haben in einem Unternehmen eine eindeutig definierte Struktur zueinander.
Als Subsysteme eines Fertigungssystems kennzeichnen Arbeitssysteme den physi-
kalischen oder logischen Ort, an dem ein Transformationsprozess am Material statt-
findet. Abbildung 2 verdeutlicht die Aufteilung der Arbeitssysteme in Produktions- und
Materialflusssysteme. Deren Funktionen und Verhalten bilden die Grundlage für den
eigentlichen Modellierungsprozess.
Arbeitssystem Funktion Transformationsprozess Verhalten Richtlinie
Produktions- bearbeiten Qualität aktiv VDI 3300
system
prüfen Zustandserfassung passiv VDI 3300
Material- lagern Zeit passiv VDI 2411
flusssystem
handhaben Ort aktiv VDI 2860
transportieren Ort aktiv VDI 3300
Abbildung 2: Übersicht Arbeitssysteme
Bei Projektbeginn ist es wichtig, aus den vielen Funktionen diejenigen herauszufin-
den, die für die jeweilige Aufgabe relevant und notwendig sind. Existierende Software
sollte nach sorgfältiger Prüfung weitestgehend einbezogen werden. Anwendungsbe-
richte wie [Elsner96] und [Viergutz96] beschreiben, dass erfolgreiche Quantensprün-
ge seltener sind und die kontinuierlichen Verbesserung des Prozesses im Vorder-
grund steht. Die Wahl effektiver Entwurfsumgebungen ist eine notwendige Voraus-
setzung den ROI von Projekten positiv zu gestalten.
1.2 Entwurfsumgebungen
Auf Grund der Vielfalt der Entwicklunganforderungen sind Standardentwurfsumge-
bungen von einem Hersteller die den gesamten Bereich des MES abdecken noch
sehr selten im Einsatz. Individuelle Lösungen für Kunden verbieten sich ebenfalls
aus Zeit- und Kostengründen. Um so häufiger stellen deshalb die Endanwender die
Forderung nach offenen und flexiblen Entwurfsumgebungen. Offenheit beinhaltet da-
bei die Möglichkeit der Einbindung neuer bzw. den Austausch vorhandener Ent-
wurfsumgebungen. Flexibilität setzt die Fähigkeit der Anpassung von Struktur und
Verhalten der Gesamtumgebung an die aufgabenspezifischen Gegebenheiten jedes
einzelnen Unternehmens voraus.
Durch die immer kürzer werdenden Innovationszyklen in der Informationstechnologie
werden die Vorteile von offenen und flexiblen Umgebungen in Zukunft noch viel stär-

3.
ker in den Vordergrund treten. Technologie Standards und Architekturen sowie dar-
aus resultierende Entwicklungsrichtlinien für Softwareprojekte sind nach [Reinhart98]
schon nach wenigen Jahren neu zu überarbeiten. Modulare Systeme können flexib-
ler auf neue Anforderungen reagieren. Das Zerlegen eines komplexen, monolithi-
schen Systems in kleinere, überschaubare Einzelkomponenten erhöht nicht zuletzt
auch die Wartbarkeit und hilft bei der Verringerung der Fehlerrate.
2. Modellbildung und Werkzeuge
Bei der Modellbildung wird wie in Abbildung 3 ersichtlich mit Hilfe eines Schemas die
Realität in einem Modell abgebildet. Dieses Schema oder Datenmodell ist das Orga-
nisationsprinzip, nach dem die Daten sowie ihre Beziehungen in einer Datenbasis
abgelegt werden. Objektorientierte Ansätze haben sich hier als sehr geeignet erwie-
sen.
Realität
Diskursbereich Modell des
Diskursbereiches
Schema und Tabellen
Datenmodell
Datenmodell RDMS
Abbildung 3: Modellbildung
Zur Abbildung dieses Modells und zur Ablaufsteuerung und -kontrolle müssen durch
die Entwurfsumgebung entsprechende Dienste bereitgestellt werden. Dienste zur
Modellierungsunterstützung definieren Strukturen und Aktivitäten sowie deren Ver-
halten und deren Anforderungen an die einzelnen Ressourcen. Darüber hinaus sol-
len Änderungen und Reengineering von Applikationen oder Teilprozessen möglich
sein. Anhand eines gegebenen Modells können konkrete Instanzen erzeugt und
ausgeführt werden.
2.1 Entwicklungsmethoden
Jeder Anwender von Software möchte eine stabil funktionierende Lösung für seine
speziellen Aufgaben haben. Abbildung 4 gibt dazu einen Überblick über die am häu-
figsten verwendeten Entwicklungsmethoden im Softwarebereich. Oftmals werden im
Bereich MES auch heute noch in sich geschlossene, individuell programmierte Lö-
sungen angewendet. Sie sind zwar höchst flexibel, aber aus Zeit- und Kostengrün-
den die schlechteste Wahl für den Anwender. Fertige Branchenlösungen stehen nur
für sehr begrenzte Aufgaben mit oft eingeschränkten Leistungsumfang zur Verfü-
gung. Der Grad ihrer Flexibilität ist gering und Anpassungen sowie Erweiterungen
sind nicht immer problemlos möglich.

4.
Service oder Software
100
80
60
40
entwickeln
20
0 kaufen
individuelle Toolset konfigurierbare fertige
Programmierung Applikation Branchenlösung
Abbildung 4: Übersicht Entwicklungsmethoden
Eine echte Alternative dazu stellen modulare Ansätze mit mehreren Tools oder ei-
nem Toolset dar. Diese Lösungen können flexibler an neue Anforderungen angepaßt
werden. Durch das quot;Aneinanderfügenquot; der vorgefertigten Werkzeuge wird deren
Wiederverwendung in verschiedensten Anwendungsfällen ermöglicht und damit eine
Kostenreduzierung erreicht. Auch konfigurierbare Applikationen können mit einem
Toolset sowie zusätzlichen Erweiterungen durch individuelle Programmierung ent-
standen sein.
2.2 Integriertes Toolset
Nach [Wassermann90] ist ein Tool ein Software-Modul, in dem eine Menge seman-
tisch zusammenhängender Dienste angeboten wird und klar definierte Schnittstellen
existieren. Um für die Entwicklung eines Produktes mehrere Tools einzusetzen ist es
wichtig, diese aufeinander abzustimmen. Die verwendeten Tools müssen in der Lage
sein, untereinander Informationen auszutauschen und gemeinsame Dienste zu nut-
zen. Diese Werkzeuge unterschiedlicher Größe und Funktionalität, die ohne die An-
passung ihres Quellcodes zu komplexen Entwurfsumgebungen zusammengefügt
werden können, werden als Toolset bezeichnet. Die sich daraus ergebende Ent-
wurfsumgebung ist die Menge von Diensten, die einen gegebenen Entwurfsprozeß
durchgängig und effektiv unterstützen.
Nutzer
Benutzer-
Schnittstelle
Aktionssteuerung
weitere Tools
Tool
Kommunikations- Datenbank-
Schnittstelle Schnittstelle
Abbildung 5: Integrationsschnittstellen eines Tools [Sattler98]
Die damit angestrebte Software-Struktur mit deren Integrationsschnittstellen stellt
somit einen Rahmen dar, welcher die beliebige Kombination von Tools ermöglicht
(Abbildung 5). Dieses ermöglicht eine aufgabenorientierte Konfigurierung der Ent-

5.
wurfsumgebung. Die einzelnen Tools werden als wiederverwendbare Bausteine o-
der Komponenten angesehen, die in beliebiger Form kombiniert und zu neuen Bau-
steinen zusammengesetzt werden können.
Die verschiedenen Werkzeuge einer Umgebung müssen in geeigneter Weise mitein-
ander verbunden werden, um das gewünschte Verhalten zu erzielen. Diese Verbin-
dung und Abstimmung von Software-Modulen in einem funktionierenden Gesamtsys-
tem wird als Tool-Integration bezeichnet. Diese Integration erfolgt auf mehreren Ebe-
nen. Ziel ist die Generierung eines funktionierenden Gesamtsystemes, auch als Tool-
Integration bezeichnet. Eine Datenintegration beinhaltet die Verwaltung der im Ent-
wurfsprozeß anfallenden Daten. Die Kommunikations-Schnittstelle enthält die Me-
chanismen zur direkten Interaktion zwischen Tools. Ziel der Präsentationsintegration
ist eine effiziente Unterstützung der Interaktion zwischen Nutzer und Umgebung.
Einheitliche Benutzerschnittstellen fördern die Integration.
Das Toolset FactorySuite, bestehend aus den Tools InTouch, InTrack, InBatch, Crys-
talReports und IndustrialSQL-Server, dient als leistungsfähige Basis zur Modellierung
von Fertigungsprozessen für MES. Die Abstimmung der einzelnen Tools aufeinander
und deren Einbettung in ein integriertes Gesamtsystem garantiert hier der Hersteller.
3. Praktische Anwendungen
3.1 Modellintegration
Für den Bereich der diskreten Fertigung mit den in Abschnitt 1.1 herausgestellten
Grundlagen besitzt das Tool InTrack optimale Voraussetzungen zur Abbildung der
realen Welt. Die Modellierung des Fertigungssystems in der Entwurfsumgebung er-
folgt grafisch-interaktiv. Das Wissen um die Prozess- und Fertigungsabläufe wird pa-
rallel zur Darstellung auf dem Bildschirm in der InTrack-Datenbank abgelegt. Da-
durch wird die Konsistenz und Wiederverwendbarkeit der Daten und Modelle sicher-
gestellt. Zeit-, Kosten- und Ressourcenersparnis bei der Modellierung von Ferti-
gungsprozessen erhöhen vordefinierte Objekte.
Struktur Material
Rohmaterialien
Fertigungsmodell Zwischenprodukte
Nebenprodukte
Kuppelprodukte
Produktionskomponenten Endprodukte
Prozessfolge
Technologie
Technologie Ressourcen Ressourcen
Störungen Prozessgrößen Mitarbeiter
Einstellgrößen Maschinen
Eingang Ausgang
Transfor- Fertigungslinien
mations-
prozess
Transportsysteme
Material
Ressourcen
Material Lagerorte
Abbildung 6: Modellintegration im Tool InTrack

6.
Abbildung 6 zeigt die Inhalte eines Fertigungsmodells im InTrack. Eine relationale
Datenbank liefert die notwendige Flexibilität, um verschiedenen Projektanforderun-
gen im Unternehmen gerecht zu werden. Damit können Anpassungen auf zukünftige
Veränderungen in der Organisation oder der Aufgabenstellung schnell und einfach
vorgenommen werden. Auf dieser Grundlage ist neben zahlreichen Möglichkeiten der
kennzahlen-basierten Analyse und des Reportings auch die Vorausschau von reali-
tätsgetreuen Ressourcenauslastungen realisierbar.
3.2 Einsatzbeispiele
Am häufigsten kommt in der Multitier-Architecture ein verteilter Client/Server-Aufbau
wie in Abbbildung 7 dargestellt zum Einsatz. Bei den Applikationen mit InTrack erfolgt
eine Teilung der Anwendungsschicht in lokale Anwendungsverarbeitung und transak-
tionsbezogenen Teil. Diese Anwendung stellt vielfältige Dienste zur Anwendungslo-
gik des Systems, zur Regelung des Zugriffs zwischen Datenhaltung und Präsentation
und zur Kommunikation mit anderen Komponenten und Anwendungen bereit. Die
Teilung dieser Dieses bringt eine flexiblere Verteilung der Lasten zwischen Server
und Clients und damit eine leichtere Optimierung des Gesamtsystems mit sich.
Verteilte Funktionen
Client
Grafische
Benutzeroberfläche
lokale Anwendungs-
verarbeitung
Server
Transaktionsbezogene
Teil der Anwendung
gesamte Datenhaltung
Abbildung 7: Client/Server-Architektur
Die Grafische Benutzeroberfläche ist das eigentliche Interface für Monitoring und Be-
dienung. ActiveX-Objekte als unabhängige Oberflächen finden hier ein breites An-
wendungsfeld. Über OLE-Mechanismen ist der direkte leistungsfähige Zugriff auf Da-
ten der zentral genutzten SQL-Datenbank sowohl für InTouch als auch für andere
Tools möglich.
Die Dimensionierung von Anwendungen erfolgt höchst flexibel. Ein Anwendung aus
der Metallindustrie verwendet die Tools InTouch, InTrack und CrystalReports sowie
den Microsoft SQL-Server als Datenbasis. Abbildung 8 veranschaulicht die Struktur
des Fertigungsprozesses. Den größten Nutzen dieser Applikation eines MES liegt
laut eigenen Aussagen des Anwenders in den übersichtlichen Produktionsprotokollen
sowie den Qualitätsnachweis für jedes einzelne Rohr. Die Ermittlung und Dokumen-
tation von allen wichtigen Betriebskennzahlen erfolgt ebenfalls. Durch die Verwen-
dung der FactorySuite als Toolset ist eine einfache Erweiterbarkeit problemlos auch
vom Anwender selbst möglich.
Ein weiteres Beispiel ist eine Lösung aus der Nahrungsmittelindustrie. Diese Anwen-
dung zeichnet sich durch ihre fast alle Komponenten des MES umfassenden Kom-

7.
plexität aus. Hier wurden die Tools InTouch, InTrack, IndustrialSQL-Server, Crystal-
Reports sowie für individuelle Programmierungen Visual Basic verwendet.
Abbildung 8: Anwendung Stahlrohrproduktion
Als Server für den umfangreichen Datenbestand dient wegen der hohen Verfügbar-
keit ein Rechner mit mehreren Prozessoren. Auch hier wurde ein Microsoft SQL-
Server als Datenbasis ausgewählt.
Abbildung 9: Anwendung Fischverarbeitung
Beispielhaft für das hohe Maß an individueller Anpassung an Kundenwünsche zeigt
Abbildung 9 einen Bildausschnitt einer der sieben Fertigungslinien. Dem Systemliefe-
ranten ist in diesem Fall die Erstellung einer konfigurierbaren Applikation mit Hilfe ei-
nes Toolsets für die Nahrungs- und Genussmittelindustrie gelungen.
3. Schlussbemerkungen
Die vorherigen Abschnitte leisten einen Beitrag zur weiteren Verbreitung integrierter
Toolsets. Schließlich zwingt die Diskussion um Offenheit und Flexibilität auch dazu,

8.
wieder einmal darüber nachzudenken, wie man langfristige Ziele mit kurzfristigen in
Übereinstimmung bringt. Es gilt eine Investition die für die Zukunft zu treffen. Sie
kann dabei die heutigen Kosten temporär erhöhen. Der Mehrwert wird erst sichtbar,
wenn eine Mindestschwelle an Investitionen überschritten ist.
Literatur
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praktischen Einsatz. m&c - Management & Computer 4 (1996)
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Sattler98 Sattler, K.-U.: Tool-Komposition in integrierten Entwurfsumgebun-
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Düsseldorf, 1998.
Thiel00 Thiel, K.: Neue Produktionssysteme. it – Industrielle Informations-
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VDI 3633 VDI-Richtlinie 3633: Simulation von Logistik-, Materialfluß- und
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1996.
VDI 2411 VDI-Richtlinie 2411: Begriffe und Erläuterungen im Förderwesen.
Beuth-Verlag, Berlin, 1970.
VDI 2860 VDI-Richtlinie 2860: Handhabungsfunktionen, Handhabungsein-
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VDI 3300 VDI-Richtlinie 3300: Materialfluß-Untersuchungen. Beuth-Verlag,
Berlin, 1973.
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Wassermann90 Wassermann, A.: Tool Integration in Software Engineering Envi-
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Springer Verlag, Berlin, 1990.