Manufacturing Execution Systeme in der Fertigungsindustrie

In einer dreiteiligen Blogserie beleuchten wir Methoden, Trends und Herausforderungen rund um Manufacturing Execution Systeme (MES). Dieser Blog-Beitrag ist der Auftakt der Blogserie und zeigt, wie Unternehmen aus der Fertigungsindustrie den ROI eines MES strukturiert bestimmen können. Der nächste Beitrag wird zum Thema SAP DM in der Branche Life Science erscheinen, den Abschluss ein Einblick in Cloud-native Future MES für die Automobilproduktion.

Was ist ein Manufacturing Execution Systeme und warum ist es so wichtig in der modernen Fertigung?

Die Fertigungsindustrie befindet sich in einem tiefgreifenden Wandel. Produktionsprozesse gewinnen an Komplexität und Variantenvielfalt und müssen zugleich wirtschaftlich und resilient bleiben. Ein Manufacturing Execution System (MES) spielt bei der Bewältigung dieser Komplexität eine Schlüsselrolle. Es ist das digitale Herzstück der Produktion und bildet die operative Schicht zwischen dem Shopfloor bzw. der Maschinenebene und den übergeordneten Planungssystemen wie dem ERP-System. Während das ERP-System vorgibt, was produziert wird, stellt das MES sicher, wie und mit welchen Ergebnissen produziert wird.

Kernaufgaben eines MES sind unter anderem (gemäß VDI-Richtlinie 5600):

• das Auftragsmanagement (Release, Priorisierung),
• die Feinplanung und Personalmanagement,
• Datenerfassung mittels Maschinendatenerfassung (MDE) und Betriebsdatenerfassung (BDE),
• Rückverfolgbarkeit & Traceability,
• Qualitätsmanagement,
• Ressourcen- und Materialmanagement sowie
• Leistungsanalyse zur Ermittlung von Leistungskennzahlen wie die OEE in Echtzeit.

Ein MES kann somit eine Menge an Funktionsumfängen mitbringen und ist für eine moderne Fertigung heute unverzichtbar. Dies ist unter anderem auf folgende Ursachen zurückzuführen:

• 1. Komplexität der Fertigung: Variantenvielfalt, Losgröße-1-Szenarien und stark schwankende Nachfrage erfordern eine präzise und flexible Produktionsplanung und -steuerung, die sich adaptiv an die aktuellen Gegebenheiten anpasst.
• 2. Transparenz: Ohne Live-Daten lassen sich Probleme wie Maschinenstillstände, Qualitätsmängel oder Kapazitätsengpässe nicht rechtzeitig und strukturiert erkennen. Ansätze wie KVP (Kontinuierlicher Verbesserungsprozess) können somit nicht zielgerichtet gesteuert werden.
• 3. Effizienzsteigerungen: OEE-Verbesserung, geringere Ausschussquoten, reduzierte Durchlaufzeiten – all dies lässt sich nur mit digitaler Unterstützung realisieren, indem diese die Planung und Steuerung deutlich verbessert und Reaktionszeiten auf ungeplante Ereignisse signifikant reduzieren kann.
• 4. Compliance: In Branchen wie MedTech, Pharma oder Automotive ist die lückenlose Dokumentation in vielen Bereichen bereits Pflicht. Dies manuell zu pflegen, erfordert enorme manuelle Aufwände und somit Kosten und birgt zudem ein hohes Fehlerpotential. Anforderungen an eine lückenlose Rückverfolgbarkeit erhalten mittlerweile auch in der Fertigungsindustrie Einzug.

Kurz: Ein MES ermöglicht eine stabile, transparente und effiziente Produktion – und wird in Zeiten steigender Anforderungen immer relevanter.

Warum ein MES-Projekt immer mit einer Potenzialanalyse beginnt und nicht mit einem Budget

Beim Start von MES-Projekten, sei es eine erstmalige Einführung, die Erweiterung von Funktionen in einem bestehenden System oder das Ablösen eines Bestandssystems, begehen viele Unternehmen denselben Fehler: Sie definieren ein Budget und versuchen anschließend, „so viel MES wie möglich“ dafür zu bekommen. Doch dieser Ansatz führt in der Regel zu suboptimalen Entscheidungen, verpassten Potenzialen oder überdimensionierten Systemen.

Der richtige Weg ist tatsächlich umgekehrt: Das Budget für ein MES ist das Resultat eines strukturierten Prozesses, den ich im Folgenden vorstellen möchte:

Schritt 1: Baseline erstellen und Potentialanalyse

Bevor Anforderungen formuliert, Technologien evaluiert oder Systeme ausgewählt werden, ist eine fundierte Analyse der bestehenden und relevanten Prozesse erforderlich. Diese umfassen dabei sowohl die Prozesse direkt auf dem Shopfloor als auch die übergelagerten Prozesse zur Planung und Steuerung der Produktion.

Aus der Analyse sollten zwei Ergebnisse ermittelt werden:

• Wie ist der Ist-Stand der Produktion und
• wo bestehen Verbesserungspotentiale, die einen monetären Beitrag für das Unternehmen liefern können?

Der IST-Stand der Produktion bildet die sogenannte Baseline, gegen den sich der Business Case eines MES messen muss. Aus den Verbesserungspotentialen sind die Anforderungen an ein MES abzuleiten, die es umzusetzen gilt, um den Nutzen zu realisieren.

Konkrete Fragestellungen, die im Rahmen der Analyse der Ist-Situation beantwortet werden müssen, sind zum Beispiel:

• Wo entstehen Verluste (Stillstände von Maschinen, Wartezeiten für Mitarbeitende)?
• Welche Engpässe limitieren die Produktion?
• Welche Prozesse sind heute nicht beherrscht (Streuung von Parametern, wie Qualitätsmessgrößen oder Durchlaufzeiten)?
• Welche Daten fehlen, um bessere Entscheidungen zu treffen?

Flankiert werden muss die Analyse der relevanten Prozesse durch strategische Aspekte, wie zum Beispiel ob die Fertigungsaufträge zukünftig nach dem Make-to-Stock-Prinzip oder Make-to-Order-Prinzip abgewickelt werden sollen.

Schritt 2: Definition von Handlungsfeldern und Ableitung von Anforderungen

Aus der Potenzialanalyse werden anschließend konkrete Anforderungen abgeleitet. Dabei gilt die Devise, dass jede Anforderung sich entweder direkt auf einen positiven Wertbeitrag für das Unternehmen mappen lassen muss oder indirekt, sofern es sich zum Beispiel um technische Anforderungen handelt, die erfüllt werden müssen, damit Anforderungen mit direktem Wertbeitrag erfüllt werden können. Anforderungen können dabei funktional (automatische Maschinendatenerfassung (MDE), Feinplanung und Steuerung, integrierte Werkzeugverwaltung) und technisch (Edge-Architektur zur Steigerung der Ausfallsicherheit, standardisierte Schnittstellen) sein. Zudem sind auch nicht-funktionale und organisatorische Anforderungen (Rollenmodell, Change-Management) zu definieren, um die Akzeptanz innerhalb des Unternehmens zu erhöhen.

Schritt 3: Use Cases definieren – der Schlüssel zur Strukturierung

Damit die Anforderungen greifbar werden, hat es sich etabliert, diese in Use Cases zu bündeln, definieren welchen Prozessschritt sie verbessern, welchen Nutzen sie liefern, welche Daten benötigt werden und welche Systeme integriert sein müssen.

Typische Use Cases sind zum Beispiel:

• Steigerung der OEE durch Reduktion von Stillständen und schnellere Störungsbehebung in einem definierten Fertigungsbereich, durch die Unterstützung zentraler Dashboards, die die Leistung der Fertigungsressourcen überwachen und bei kritischen KPI-Werten Alarm auslösen.
• Verbesserung der Planung und Steuerung, um Materialflussabrisse an Maschinen zu verhindern und sicherzustellen, dass Materialien aus unterschiedlichen Produktionsbereichen synchron bei der Montage ankommen.
• Reduktion von Fehlerquoten und Beschleunigung von Einarbeitungszeiten durch visuelle Arbeitsanweisungen auf einer digitalen Werkerführung mit Prüfplänen, Checklisten und einer automatisierten QS-Dokumentation.
• Reduktion der manuellen Datenerfassung und eine Steigerung der wertschöpfenden Tätigkeitsanteile der Mitarbeitenden.
• Schnellere Reaktionsfähigkeit durch Transparenz in Echtzeit und eine gezielte Überführung von ungeplanten Stillständen in KVP-Maßnahmen.
• Einhaltung von gesetzlicher Compliance ohne manuelle Dokumentation, wodurch die Betriebsfähigkeit gesichert werden kann.

Schritt 4: Business Case – Kosten und Nutzen bewerten

Schließlich gilt es die Use Cases zu bewerten. Dies erfolgt mittels eines Business Case, der Kosten und Nutzen verknüpft. Kosten für die Einführung und den Betrieb eines MES (dies gilt gleichermaßen auch für die Erweiterung von Funktionalitäten bestehender Systeme oder das Ablösen von Altsystemen) sind unter anderem Lizenz- und Implementierungskosten, Integrationsaufwände, Aufwände für Schulungen & Change Management sowie Betriebskosten (IT/OT-Hardware, Support). Dabei sind nicht nur Kosten für externe Partner und die Software zu berücksichtigen, sondern auch interne Kosten (also Opportunitätskosten) für Mitarbeitende, die für die Einführung und den Betrieb eines MES benötigt werden.

Auf der Nutzenseiten sind die konkreten Kosteneinsparungen und Möglichkeiten der Umsatzsteigerung aufzuführen, die in den Use Cases definiert sind. Dies können zum Beispiel Einsparungen durch Reduktion von Ausschuss sein, Produktivitätsgewinne durch kürzere Stillstandszeiten, ein höherer Output pro Zeit sowie eine höhere Lieferfähigkeit, durch die unter Umständen Konventionalstrafen vermieden werden. Weitere Aspekte, die mitberücksichtigt werden können, sind unter anderem auch mögliche zeitliche Verschiebungen von Investitionen in Kapazitätserweiterungen, die durch eine Produktivitätssteigerung erst später erforderlich werden.

Mittels geeigneter Berechnungsmethoden, wie zum Beispiel die Amortisationsrechnung, die ROI-Berechnung oder die Nettobarwert-Methode kann schließlich die Wirtschaftlichkeit des MES-Projektes ermittelt werden. Diese sollte eine der zentralen Entscheidungsgrundlagen sein, wenn über MES-Projekte entschieden wird.

An dieser Stelle sei anzumerken, dass ein solcher Business Case besonders auf der Nutzenseite sehr stark Annahmen-getrieben ist. Daher ist es sinnvoll den Business Case mit einer Sensitivitätsanalyse zu unterfüttern, um die Stabilität der Annahmen zu evaluieren. Diese umfasst zum Beispiel eine Analyse darüber, wie sich die Amortisationsdauer verändert, sollte die Produktivitätssteigerung geringer ausfallen als initial im Business Case angedacht. Gleiches gilt natürlich auch für die Kostenseite, auf der analysiert werden könnte, welche Auswirkungen es hat, sollten die Kosten um einen gewissen Prozentwert höher als initial angenommen ausfallen.

Sind Kosten und Nutzen in einem Business Case zusammengetragen, wir auf der Basis das passende Budget abgeleitet.

Die MES-Landschaft im Wandel: weg vom Monolithen, hin zu modularen Architekturen

Früher bestanden MES-Systeme häufig aus monolithischen Anwendungen, die große Funktionspakete „aus einer Hand“ lieferten, jedoch wenig flexibel und schlecht integrierbar waren. Diese Zeiten ändern sich gerade fundamental.

Heute entstehen Architekturen, die sich aus unterschiedlichen Bausteinen zusammensetzen können, wie spezialisierten MES-Modulen, Workflow-Engines, Low-Code-Plattformen, Edge-Devices und IIoT-Plattformen oder einem Manufacturing Service Bus (MSB). Diese modulare Welt ermöglicht eine höhere Flexibilität, Upgrades ohne Kompletttausch von Systemen, eine vereinfachte Integration verschiedener Fertigungstechnologien, interoperable Systeme über standardisierte Schnittstellen (OPC UA, REST APIs) und vor allem eine evolutionäre statt revolutionäre Transformation im Unternehmen.

So kann ein MES heute schlanker und flexibler werden, weil es nicht mehr jede Funktion selbst abbilden muss. Die zuvor definierten Use Cases werden schrittweise durch eine sukzessive Erweiterung neuer Funktionen und neuer Systeme umgesetzt.

Wie adesso auf dem Weg zur digitalen Produktion unterstützt

Konkret unterstützen unsere Fachleute dabei,

• eine Bestandsaufnahme der Shopfloor-Prozesse und Produktions-IT durchzuführen und zu bewerten, wie gut sie für die moderne Produktion vorbereitet sind,
• welche konkreten Verbesserungspotentiale, Anforderungen und Use Cases für Sie von Relevanz sind,
• den Business Case zu strukturieren und zu berechnen,
• die richtigen Systeme für Sie auszuwählen oder zu entwickeln,
• digitale Pilotprojekte für eine moderne Produktion aufzusetzen und
• erfolgreiche Piloten Schritt für Schritt in eine skalierbare sichere Serienlösung zu überführen.

Wenn Sie darüber nachdenken, ihre Produktion zu digitalisieren, Funktionalitäten ihrer bestehenden Systeme zu erweitern oder ihre Produktions-IT neu zu evaluieren, sprechen Sie uns gerne an – egal, ob Sie noch am Anfang stehen oder bereits konkrete Use Cases im Kopf haben.