von Carsten Brockmann, Eldar Sultanow und Prof. Dr. Norbert Gronau

Die zunehmende Konkurrenz aus den Niedriglohnländern zwingt traditionelle Märkte zu mehr Flexibilität und effizientere Methoden in der Produktion, woraus der Anspruch an eine IT-Infrastruktur hervorgeht, die komplette Wertschöpfungskette in einem einzigen System abbilden zu können. Eine Schlüsselherausforderung dabei ist die Verbindung zwischen der MES- (Manufacturing Execution System) und ERP- (Enterprise Resource Planning) Ebene. Mit dem Ziel der Überbrückung von Geschäfts- und Produktions-Prozessen, hat die internationale Organisation ISA (Instrumentation, Systems, and Automation Society) eine Norm ISA-95 eingeführt, welche die Unternehmens- und Betriebsleitebene integriert. Dieser Beitrag führt in die Integration beider Ebenen sowie in Wirtschaftlichkeitsbewertung von MES ein.

Einführung

Während der frühen 90er Jahre pries das Management MES als Allheilmittel gegen Probleme auf Produktionsebene hoch an und versprach sich eine Alternative zu Teilautomatisierungen und gleichermaßen eine nahtlose Verbindung der Produktion mit den Unternehmensanwendungen. Unglücklicherweise zeichneten sich die frühen MES durch eine viel zu vertikale Struktur ab: So existierte beispielsweise ein MES für die Produktion von Siliziumscheiben, jenes für Chemikalien, ein anderes für das Verpacken und viele weitere. Sie leisteten je nur einen geringen Beitrag zur Aufhebung der Teilautomatisierung. Die nahtlose Verbindung zu ERP- und Prozesskontrollsystemen konnte nur mit immensem Programmieraufwand durch hochqualifizierte Fachkräfte erfolgen.

In gewisser Hinsicht war das Konzept von MES seiner Zeit voraus und die Netzwerk- sowie Ausführungssysteme noch nicht ausgereift genug, um den notwendigen Kommunikationsgrad zwischen Unternehmensanwendungen mit der operativen Ebene zu bewerkstelligen. Eine potenzielle Lösung der Kommunikationsprobleme – im Speziellen der objektorientierten Kommunikation – schien für beide Systeme gefunden zu sein: für Serverbetriebssysteme auf operativer Ebene und für PCs. Das Hauptproblem bestand jedoch darin, dass die Lösung im Betriebssystemrelease-Tempo neu definiert wurde und sowohl DCOM (Distributed Component Object Model) für Windows wie auch CORBA (Common Object Requester Broker Architecture) für UNIX, AS/400 beziehungsweise i5/OS nie tatsächlich vollendet erschienen, sondern sich in einem steten Weiterentwicklungs- und Optimierungsprozess befanden. Damit einhergehend unterband die Unzulänglichkeit dieser Objektplattformen, miteinander kommunizieren zu können, die allgemeine Entwicklung.

Heute dagegen überbrückt die Verfügbarkeit von XML-basierenden Weblösungen nachhaltig die Kluft zwischen Produktionssystemen und Unternehmensanwendung und ermöglicht eine ungehinderte objektbezogene Verständigung. Aufbauend auf XML, konkretisiert schließlich das B2MML (Business To Manufacturing Markup Language)-Format den Informationsaustausch.

Neudefinition von MES

Während MES vornehmlich die Steigerung der Produktionsagilität, die Erleichterung der Produkteinführung und iterative Fertigung sowie die Verkürzung von Bearbeitungszeiten fokussierte, gelang auch das Erfüllen der Voraussetzungen für eine elektronische Bestandsführung und Rückverfolgung. Im gegenwärtigen Prozess der Globalisierung werden die Gründe zur Implementierung von MES anders gewichtet. Einige dieser Neuorientierungen sind globale Märkte und Produktionsstätten, Produktqualität und Sicherheit sowie Produktionseffizienz. Heutige Fertigungssysteme müssen im Stande der Beantwortung untenstehender Fragestellungen aus Produzentensicht sein:

• Kann geprüft werden, dass versendete Produkte sicher sind?
• Wie ist der aktuelle Soll-Ist-Vergleich?
• Wie effektiv ist die Organisation bei der Verwendung von Betriebsvermögen?
• Welche HACCP-Warnungen sind während des Produktionswechsels aufgetreten?
• Warum sind Kapazitäten nicht ausgeschöpft?
• Werden Ressourcen bei der aktuellen Produktion effizient verwendet?
• Wie sind die ökonomischen Auswirkungen bei operativer Ineffizienz?
• Wie hoch waren die Verluste dieser Ineffizienz?
• Warum produzieren zwei gleiche Teams Produkte mit solchen Unterschieden?

Eine weitere Hilfe zur MES-Neudefinierung ist die ISA-95-Kontrollsystemintegration, die sich mit Modellen und Terminologien befasst, welche Standardbezeichnungen und einen einheitliches Rahmenkonzept zur Integration in eine bestehende Systemlandschaft konglomerieren. Mit den ERP-Systemen auf der Betriebsleitebene und den Kontrolleinrichtungen auf der Produktionsebene muss ein ISA-konformes MES in beide Richtungen kommunizieren können. Dies ist für das Management von essentieller Bedeutung, um Fragen zu dem Produktionsplan, dem Produktionssortiment und den Produktionshistorien beantworten zu können. Das ISA-Modell enthält eine B2MML-Schicht von vorausgesetzten Schnittstellen zur erfolgreichen ERP-MES-Kopplung mit Protokollen zur Identifizierung der Produktinformationen, -kapazitäten, -pläne und -leistungen.

Die Tabelle 1 [1] liefert einen kurzen Marktüberblick zu MES und führt auf, welche spezifischen Branchen/Wirtschaftszweige das jeweils genannte MES bedient.

Unternehmen	System	Branchenfokus
OR Soft Jänicke GmbH	SCHEDULE++	Prozessindustrie (Chemie, Pharma), Nahrungsmittel, Öl und Gas, diskrete Fertigung, Automobilzulieferer
FAUSER AG	JobDISPO MES	Werkzeug-, Formen-, Maschinen-, Anlagen-, Apparate- und Sondermaschinenbau, Metall-, Kunststoffbe- und -verarbeitung, Lohnfertigung und Automobilzulieferindustrie
Infor Global Solutions GmbH	Infor MES	Alle Branchen mit hohem Eigenfertigungsanteil, Schwerpunkt auf diskreter Stückgutfertigung mit Einzel-, Varianten- und Serienfertigung
Planat GmbH	FEPA	Maschinen- und Anlagenbau, Werkzeugbau, Kunststoffverarbeitung, Elektronik/Elektrotechnik, Textil, Kabel, Metallbe- und -verarbeitung, Automotive/Zulieferer
GSI mbH	PSImes	Maschinen und Anlagenbau, Automotive, Schiffbau, Druckerei, Engineering, Chemie und Prozessindustrie
KRATZER AUTOMATION AG	intraFACTORY	Diskrete Fertigung: Elektronikindustrie (MES-Dienstleister), Automobilhersteller und -zulieferer
gbo datacomp GmbH	bisoft MES/BDE-100 win	Maschinen- und Anlagebau, Holzindustrie, Nahrungsmittelbranche, Bauindustrie, Automotive
SEKAS GmbH	PROQUIS	Überwiegend diskrete Fertigung, Schwerpunkt Elektronikfertigung
Partplan	ProStar	Das System ist allgemeingültig entwickelt und kann in jeder Branche mit einem Standardisierungsgrad von 90% eingesetzt werden.
IFS GmbH & Co. KG	IFS Applications	Branchenübergreifend einsetzbare Lösung. Spezielle Lösungen existieren z.B. für Automotive, industrielle Fertigung, High-Tech-Industrie, Medizintechnik etc.
MPDV Mikrolab GmbH	HYDRA	Kunststoff, Gummi, Metallverarbeitung, Automotive, Nahrungs-/Genussmittel, Anlagen-, Maschinenbau, Möbel und Holzverarbeitung, Druck und Verpackung, Feinmechanik, Optik, Elektrotechnik, Elektronik
MES-Gruppe	MES-Solutions	Serienproduktion insbesondere im Kunststoff- und Metallbereich
GFOS mbH	X/TIME-MES	Grundsätzlich branchenneutral. Schwerpunkt in den Bereichen: Nahrungsmittelindustrie, Handel, Prozessindustrie, Automobilzulieferer, Maschinenbau
sib GmbH	PLANOS	Weitestgehend branchenneutral für Produktionsbetriebe mit Einzel- und Serienfertigung
camLine GmbH	Modulare Produktfamilie LineWorks	Halbleiter, Elektronik, Solarenergie, Automotive, Medizintechnik, Lebensmittel
softconcept GmbH	DYNAPARK Produktionsmanagementsystem	Fertigungsindustrie
ADICOM Informatik GmbH	ADICOM Software-Suite	Industrie, Automobilzulieferer, Maschinenbau, Prozessindustrie, Pharma, Lebensmittelbranche, Kunststoffverarbeiter, Handel, Gesundheitswesen
CSG AUPOS GmbH	AUPOS ERP/PPS Branchensoftware	Metallbau, Maschinenbau, Glasbranche, Kunststoffverarbeitung, weitere Branchen auf Anfrage
GEFASOFT AG	Legato (online MES Software)	Industrie, Automobil, Zulieferer, produzierendes Gewerbe (Stückgutfertigung), Gebäudeleittechnik, Lager und Logistik
Citect Software Vertriebsge. mbH	Citect IIM – Industrial Information Management	Grundsätzlich ist der Einsatz von Citect IIM in allen Produktionsbetrieben sinnvoll. Besondere Schwerpunkte liegen in den Bereichen Food & Beverage (Rückverfolgbarkeit), Industrielle Fertigung (Steigerung des OEE).
Wassermann AG	wayMES (Enterprise Frontend)	Anlagenbau, Automobilzulieferer, Druckindustrie, Elektrotechnik, Maschinenbau, Möbelindustrie, Werkzeugbau
Tabelle 1: Beispielhafte Anbieter für MES

Gründe für die Einführung von heutigen MES

Die Fertigung war bislang und ist immer noch in den meisten Industrieunternehmen der wichtigste Unternehmensbereich, welcher maßgeblich zur Verbesserung der Gesamt-organisationalen Wirtschaftlichkeit beiträgt. Diese Verbesserung durchzusetzen, erfordert die Applizierung neuer Strukturen und Organisationsformen, wie beispielsweise eine interdisziplinäre Kollaboration, flexible Arbeitszeiten, neue Entlohnungssysteme, das Verlagern von Produktionsstätten und Reduzieren der eigenen Fertigungstiefe. Vor dem Hintergrund der Funktionsoptimierung und Effizienzsteigerung interner Produktionsprozesse wurden in den vergangenen Jahren auch für die Fertigungs- und Montagebereiche neue Strukturen appliziert. Der Gewährleistung einer rapiden und kundenspezifischen Produktionsauftragsabwicklung dienen insbesondere Methoden wie:

• Learn Production: Vermeidung von Unmäßigkeiten und Fokussierung aller Prozesse auf die Wertschöpfung
• Kaizen, KVP: inkrementelle Verbesserung, in die Führungskräfte wie Mitarbeiter einbezogen werden
• Kanban: Produktionsablaufsteuerung nach dem Zurufprinzip mit ausschließlicher Orientierung nach dem Bedarf einer verbrauchenden Stelle

Diese Methoden sind jedoch der vorhandenen IT-Unterstützung weit voraus und komplexe ERP- beziehungsweise PPS-Systeme mit einer zentralen MRP-Planung beeinträchtigen die Produktionsflexibilität in dezentralen Strukturen oft eher, als sie effektiv zu unterstützen.

Den klassischen ERP-Systemen fehlt prinzipiell die Prozessnähe, um eine rasche und flexible Prozessabwicklung im Fertigungsumfeld überhaupt wirksam unterstützen zu können. MES kann hierfür als ein vollumfänglicher Treiber für die Organisierung und Durchführung des Produktionsprozesses angesehen werden und ist funktional das Bindeglied zwischen der unternehmerischen Planungsebene (ERP) und Fertigungsebene.

Im Jahre 2004 gründete der Verein deutscher Ingenieure (VDI) einen Arbeitskreis mit dem zentralen Ziel, den MES-Begriff näher zu definieren. Mit der Richtlinie VDI 5600 „Manufacturing Execution Systems“ hat der VDI einen Aufgaben- und Nutzenorientierten MES-Leitfaden geschaffen, der die Vergleichbarkeit von MES-Lösungen erhöht. Konkret definiert dieser acht Aufgaben, die ein MES bei der Unterstützung des Fertigungsmanagements zu bewältigen hat:

• Feinplanung und -steuerung
• Betriebsmittelmanagement
• Materialmanagement
• Personalmanagement
• Datenerfassung
• Leistungsanalyse
• Qualitätsmanagement
• Informationsmanagement

Die Richtlinie beschreibt jede Aufgabe mit Hilfe eines Strukturdiagramms, den nötigen Eingangsinformationen und Funktionen. Eine Matrix stellt dar, welche Unternehmensprozesse durch die jeweiligen Aufgaben unterstützt werden und welche Nutzenpotenziale zu erwarten sind.

In kurzen Worten handelt es sich bei einem MES um ein modulares IT-System oder um eine komplette Systemlandschaft, wobei in jedem der zwei Fälle sich die Module entweder wieder aus verschiedenen heterogen gewachsenen Systemen zusammensetzen oder Bestandteil eines integrierten Standard-MES sind. Abbildung 1 zeigt den MES-Funktionsumfang nach heutigem Stand und gibt einen Maxifall wieder, den zwar der aktuelle Markt insgesamt, aber kein einzelnes MES bietet.

Wirtschaftlichkeitsbewertung von MES

Wirtschaftlichkeit beschreibt das Verhältnis von monetär quantifizierbaren Kosten zur gemessenen Leistung. Die Wirtschaftlichkeit ist ein erfolgskritischer Faktor für die Einführung eines MES sowie für das Gesamtunternehmen an sich. Zwar lassen sich die Kosten eines MES-Projekts verhältnismäßig leicht messen, jedoch gestaltet sich die Abschätzung des realisierbaren Nutzens dagegen erheblich schwerer [3].

Obgleich die Fertigung nur einen kleinen Ausschnitt der Supply Chain unter Wertschöpfungsgesichtspunkten repräsentiert, stellt sie das Zentrum der unternehmerischen Tätigkeit dar. Vor dem Hintergrund, dass eine Kette nur als so stark wie ihr schwächstes Glied angesehen werden kann, muss in der Fertigung den kundenseitigen Anforderungen durch spezifizierte und operationalisierte Zielsetzungen Rechnung getragen werden. Tabelle 2 nennt die Zielgrößen der Fertigung bezogen auf Fertigungsauftrag, Ressourcen und Prozesse. Deren Hauptanteil lässt sich auf Zeiten und Kosten als Basisgrößen zurückführen.

Aufträge	Ressourcen	Prozesse
Durchlaufzeit	Auslastung	Transparenz
Termintreue	Produktivität	Erfüllung externer Anforderungen
Flexibilität	Umlaufbestand
Produktqualität	Zeitunabhängige Kosten
Tabelle 2: Zielgrößen in der Fertigung

Heutzutage ermöglicht MES die Steuerung des Produktionsgeschehens auf Basis von Echtzeitinformationen über Maschinen- und Anlagenzustände. Neben der Fertigung bilden horizontal integrierte Lösungen auch die mit dem Fertigungsmanagement eng verbundenen Bereiche Personal- und Qualitätsmanagement ab.

Zum einen sind Aussagen über die Veränderung der direkten Kosten als Ansatz zur Quantifizierung von MES-Nutzenpotenzialen geeignet und zum anderen Zeiten aufgrund ihrer direkten Mess- und Zuordenbarkeit.

Als Grundlage der Betrachtungen im weiteren Verlauf dient das RoI (Return on Investment)-Analyzer System für die Quantifizierung des Nutzens von MES und die Bewertung der Vorteilhaftigkeit einer MES-Investition, entwickelt am Center for Enterprise Research (CER) des Lehrstuhls für Wirtschaftsinformatik und Electronic Government der Universität Potsdam in Zusammenarbeit mit der MPDV Mikrolab GmbH.

In der monetären Bewertung liegt der Fokus klar auf den direkt messbaren Basisgrößen Zeit und Kosten (Abbildung 2), während nur unzureichend quantifizierbare Potenziale wie etwa die Erfüllung externer Anforderungen, das systematische Aufdecken von Fehlerquellen oder Verbesserungen in der Transparenz der Fertigungsprozesse in der Regel eine qualitative Bewertung erfahren.

Eine RoI-Analyse beginnt mit der Spezifikation des Untersuchungsbereichs. Entsprechend den Erfahrungen aus der Beratungspraxis hat sich eine zielorientierte Vorgehensweise als zweckdienlich herausgestellt. Dem Endnutzer sind die in der VDI-Richtlinie 5600 definierten Aufgaben eines MES zur Auswahl gestellt, um

• diesem, der ggf. nicht vollends mit dem MES-Thema vertraut ist, die Orientierung zu erleichtern
• seine Akzeptanz in der Anwendung zu fördern

Die Abgrenzung des Untersuchungsbereichs erfolgt demnach über die Auswahl der zu betrachtenden Ziele, die Selektion spezifischer MES-Aufgaben oder als Kombination aus beidem. Entsprechend der hier getroffenen Auswahl wird für die anschließende Analyse ein Fragebogen generiert, der die auf den Untersuchungsbereich abgestimmten und sehr spezifisch formulierten Indikatorfragen enthält, die im Einzelnen auf möglichst präzise Aussagen zu den realisierbaren Potenzialen abzielen.

Bezugsobjekt für die Ermittlung zeitinduzierter Potenziale sind Fertigungsaufträge einerseits und die für die Bearbeitung der Aufträge benötigten Ressourcen andererseits. Für das Bezugsobjekt Fertigungsauftrag wird bei der Erfassung zwischen Bearbeitungszeit, Wartezeit und Liegezeit unterschieden. So ist im Rahmen der Potenzialanalyse beispielsweise die folgende Fragestellung zu beantworten:

• Wie viel Wartezeit im Auftragsdurchlauf lässt sich durch die Möglichkeit der Werkerselbstprüfung an Prüfstationen beziehungsweise den Maschinenterminals und die elektronische Bereitstellung der Prüfdokumente vermeiden? Potenziale in der Nutzung oder vielmehr Nichtnutzung maschineller Ressourcen durch Bearbeitung, Rüsten, Stillstand oder Ausfall sind ebenfalls durch detaillierte Erfassung der entsprechenden Zeitanteile zu erheben. Eine Frage aus diesem Bereich wäre:
• Wie viel Stillstandszeit bei Maschinen und Anlagen kann durch eine automatische Maschinenbelegung unter Anwendung definierbarer Planungsstrategien und Prioritätsregeln vermieden werden?

In einer personalintensiven Fertigung wird die Effizienz der eingesetzten Mitarbeiter in erster Linie durch den Anteil der wertschöpfenden Zeit (d.h. für Aktivitäten zur physischen Bearbeitung der Fertigungsaufträge) an der insgesamt verfügbaren Personalzeit bestimmt. Nicht wertschöpfende Zeitanteile sind koordinierende und dispositive Tätigkeiten, sowie alle Aktivitäten, die nicht der unmittelbaren Wertschöpfung dienen, z.B. Such- und Rechercheaufwand oder Zeiten für das Zurücklegen von Wegen. Neben diesen Zeitanteilen werden im Rahmen der Potenzialanalyse auch Zwangspausen, also Zeiten in denen der Werker auf den nächsten Auftrag oder die Verfügbarkeit einer benötigten Ressource wartet, sowie Ausfallzeiten und Überstunden erfasst. Eine typische Fragestellung zur Quantifizierung der Potenziale im Bereich der Personalzeitanteile ist beispielsweise:

• Wie viel Zwangspausenzeit lässt sich durch die simulative Einplanung von Aufträgen vermeiden? (Durchführung von What-if-Analysen) Neben den zeitinduzierten Potenzialen können sich durch den Einsatz eines MES auch Verbesserungen bei den nicht zeitabhängigen Kosten beziehungsweise den kalkulatorischen Kosten realisiert werden. Für die Ermittlung derartiger Potenziale kann z.B. folgende Fragestellung dienen:
• Wie viel Kosten, z.B. für Vertragsstrafen, können durch die automatische Überwachung der Termintreue vermieden werden? Zusätzlich zu den in operativen Fertigungsprozessen realisierbaren Verbesserungen müssen als weitere Nutzendimension gemäß des Total Benefits of Ownership-Ansatzes auch die aus dem Betrieb einer integrierten Gesamtlösung mit moderner Architektur im Vergleich zur Nutzung mehrerer herkömmlicher Insellösungen resultierenden Potenziale im IT-Bereich mit in die Bewertung der MES-Investition einfließen. Eine entsprechende Frage wäre:
• Welche Kosten, z.B. für den Betrieb mehrerer Datenbanken, können durch die zentrale Datenhaltung innerhalb eines MES-Systems eingespart werden? Die innerhalb der Potenzialanalyse abgefragten Funktionen sollten bezüglich des spezifischen Anwendungsfalls auch einer qualitativen Bewertung unterzogen werden. Die Bewertung der Relevanz einer Funktion ermöglicht beispielsweise die folgende Fragestellung:
• Wie wichtig ist eine automatische Ermittlung der IST-Leistungsgrößen (Nutzgrad, Wirkungsgrad, OEE etc.)?

Unternehmensspezifische Gegebenheiten sind in der Analyse durch eine entsprechende Parametrisierung des RoI-Analyzer Systems zu berücksichtigen, das im Bereich Stammdaten einige einfache Eingaben zu Aufträgen, Personal sowie Maschinen und Anlagen erfordert. Da nicht zwingend davon ausgegangen werden kann, dass etwa zeitliche Einsparungen für Planung und Koordination hundertprozentig in die unternehmerische Wertschöpfung transformiert werden, kann eine Justierung und Gewichtung bei der monetären Bewertung der Zeitanteile durch spezielle Korrekturfaktoren erfolgen.

Aufbauend auf den mittels der zu beantwortenden Fragen erhobenen Einzelpotenzialen, den angegebenen Stammdaten und den individuell angepassten Korrekturfaktoren, berechnet und bewertet das System sämtliche durch die Einführung eines MES erzielbaren positiven Nutzeneffekte. Aufgezeigt werden im Speziellen die

• nunmehr monetär in Euro und Cent ausweisbaren Potenziale
• realisierbaren Verbesserungen bezüglich des Zielerreichungsgrades gewählter Zielgrößen wie Durchlaufzeit, Produktivität und Auslastung der betrachteten Ressourcen

Damit im Rahmen der MES-Einführung denjenigen Module mit dem größten zu erwartenden Nutzen eine höhere Priorität beigemessen werden kann, sind Analyseergebnisse sowohl auf der Ebene des Gesamtsystems als auch auf Modulebene ausgewiesen. Weiterführend werden den Potenzialen neben den Investitionskosten im Sinne des TCO (Total Cost of Ownership)-Ansatzes auch die laufenden Kosten für den Betrieb eines MES für die geplante Nutzungsdauer des Systems gegenübergestellt. Dies beinhaltet u.a. Kosten für Support, Qualifizierung und Wartung für Software und Hardware.

Ein Analyseergebnis liegt in Form eines Investitionsreports vor, der neben den potenziellen Ersparnissen auch die klassischen Kennzahlen wie RoI, Kapitalwert, internen Zinsfuss und Amortisationsdauer für die Bewertung der Vorteilhaftigkeit der MES-Investition ausweist (Abbildung 3). Neben den im Rahmen der Potenzialanalyse identifizierten möglichen Verbesserungen der operativen Abläufe in Bezug auf die spezifischen Zielgrößen der Fertigung, liefern die im Zuge der Wirtschaftlichkeitsbewertung generierten finanzwirtschaftlichen Kennzahlen eine fundierte Grundlage für die letztendlich zu treffende Entscheidung über die Einführung eines MES.

Fußnoten:

[1] Lindemann, Marcus; Schmid, Simone: Marktüberblick – Manufacturing Execution Systems. PPS Management, Zeitschrift für Produktion und Logistik, Ausgabe 3/2005, GITO-Verlag.

[2] Mussbach-Winter, Ute; Wiendahl, Hans-Hermann: Was leisten MES-Lösungen heute? – Merkmale ihrer Planungs- und Steuerungskonzepte. Industrie Management, Zeitschrift für industrielle Geschäftsprozesse, Ausgabe 2/2003, GITO-Verlag.

[3] Dibbern, P.; Günther, O.; Teltzrow, M.: Produktivitätsmessung von ERP-Lösungen. ERP Management, Zeitschrift für unternehmensweite Anwendungssysteme, Ausgabe 1/2005, GITO-Verlag.