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12.09.2008
Anforderungen an die Schnittstelle zwischenPLS und MES
Dr.-Ing. Ansgar Münnemann
Centers of Technical Expertise
BASF SE, Ludwigshafen
12.09.2008 2
Inhalt
Was ist MES und wofür benötigt man es?
Was ist bei der Kommunikation zwischen Systemen zu beachten?
Welche Rolle spielt das Prozessleitsystem für MES?
Wie sieht die Kommunikation im MES-Umfeld aus?
Wie sollte die Kommunikation aussehen?
Was heißt das für das Prozessleitsystem?
12.09.2008 3
Feldebene
MES-Ebene(Betriebsleitebene)
ERP-
Ebene
Prozessleit-/Steuerungsebene
Die „Manufacturing Execution System“ – Ebenein der Automatisierungspyramide
Einsatzstoffzuführung ProduktauslieferungProduktion AbfüllungLabor
12.09.2008 4
Die „Manufacturing Execution System“ – Ebenein der Automatisierungspyramide
Einsatzstoffzuführung ProduktauslieferungProduktion AbfüllungLabor
Tanklager-steuerung
PLS FPLS/LIMS
Lager-steuerung
ASPZ TSA TSA
Kostenerfassung
Produktionsplanung Verkauf und Auslieferung
Reklamationsmanagement
Operative Produktions- undInstandhaltungsplanung
Reporting von Verbrauchen,Produktionsmengen und Beständen
Bewertung der Prozess-und Anlagenperformance
...
Effizienzsteigerung undProzessoptimierung
Online KPI-Monitoring
ZustandsbasierteInstandhaltung
Betriebsdatenerfassungund -analyse
ProduktionFeinplanungstafel
Batch-Überwachungund Analyse
Ofenbuch undSchichtbuch
Prozess-integration
OnlineProzessüberwachung
und -Diagnose
ElektronischeHerstelldokumentation
Reaktion inEchtzeit (~s)
Messdaten
BetrieblicheProzessdetails
Robustheit(Fehlertoleranz)
Integrität
transaktional
allg. gültige Prozesse
Zeithorizont ~h
12.09.2008 5
Beispiele von MES-AnwendungenKPI-Analyse
Online KPI-Analyse
Betriebs-leiter TechnologeMeisterWie effizient produzieren wir
gerade?
Wie kann ich die Fahrweiseoptimieren?
Welche Ursache haben dieQualitätsabweichungen?
Online KPI-Berechnung
Analyse-daten
Prozess-daten
Batch-daten
Preise
Labor-system
Prozessleitsystem ERP-System
12.09.2008 6
Bestimmung von Apparatezuständen durch Überwachungssensoren, integrierteSelbstdiagnosefunktionen, Betriebszustände, Modellberechnungen ausProzessmesswerten, etc.
Ableitung eines Instandhaltungsbedarfs aus den verschiedenen Informationen
Einbindung der Bedarfsinformation in die Instandhaltungsplanung
Elektronische Unterstützung bei der Erfassung und Dokumentation vonInstandhaltungsmaßnahmen
Diagnose-sensoren
Prozess-messwerte Apparate-
informationen
MESMES
Rückmeldungen Rückmeldung
Wartungs-aufträge
ERP /IH-Manage-ment
ERP /IH-Manage-ment
IH-BedarfDiagnose-
informationen
Beispiele von MES-AnwendungenZustandsbasierte Instandhaltung
12.09.2008 7
Einsatz von Bar-Code und MES-Technologie zur Materialflussverfolgung in derProduktion
Überwachung der manuellen Einsatzstoffaufgabe und -Dosierung
Automatische Produktionsrückmeldungen aus kombinierten Messwert- und BarCode-Daten
Vermeidung von fehlerhaften Einsatzstoffzuordnungen
Exakte Erfassung der Einsatzstoffbestände, verbesserte Bedarfsplanung
Durchgängige Chargenrückverfolgbarkeit für optimiertes Reklamationsmanagement
Beispiele von MES-AnwendungenIntegrierte Produktionslogistik
ERP
12.09.2008 8
Bestimmung von verdichteten Informationen aus Messwerten(z.B. Verbrauch, Produktionsmenge, Belegungszeiten)
Bestimmung von verdichteten Informationen aus Messwerten(z.B. Verbrauch, Produktionsmenge, Belegungszeiten)
Durchfluss-messung
Geeignete Filterung der Signaldaten inAbhängigkeit des Messprinzips und derProzessdynamik
Berücksichtigung von Messstörungen
Einsatz von Stoffbilanzen fürAusgleichsrechnungen zur Minimierungvon Messfehlereinflüssen
Füllstandmessung
Generelle Aspekte von MES-Anwendungen
12.09.2008 9
Berücksichtigung des Prozess- und Anlagenkontextes zur korrektenInterpretation
Berücksichtigung des Prozess- und Anlagenkontextes zur korrektenInterpretation
Einsatzstoff-vorbereitung
Polymerisation
TrocknungNach-vernetzung
Abfüllung
34,6 l/min
Produktion
Verschiedene Fahrweisen undbetriebliche Abläufe erfordernunterschiedlicheVerarbeitungsmechanismen
Berücksichtigung vonMaterialflusswegen, Verweilzeiten undStoffumwandlungen für korrekteZuordnungen (z.B. Chargendaten)
SpülungPANTARHEI
20 M3%S
Generelle Aspekte von MES-Anwendungen
12.09.2008 10
Inhalt
Was ist MES und wofür benötigt man es?
Was ist bei der Kommunikation zwischen Systemen zu beachten?
Welche Rolle spielt das Prozessleitsystem für MES?
Wie sieht die Kommunikation im MES-Umfeld aus?
Wie sollte die Kommunikation aussehen?
Was heißt das für das Prozessleitsystem?
12.09.2008 11
Natürliche Kommunikation
physikalische Kopplung derSysteme
Technische Kommunikation
Getrennte Systeme
Kopplung mit Hilfe technischerEinrichtungen
LC LC
YC YC
Was ist eigentlich Kommunikation?
12.09.2008 12
Zielverhalten
Systemstruktur
Informationen
Kommunikationstechnik
(organisatorische Verantwortlichkeiten)
LC LC
YC YC
Aspekte technischer Kommunikation
12.09.2008 13
Ziel:
Übertragung der relevantenEdukt- und Produktmengen damitProduktions- und Bedarfsplanungim ERP genauer werden
Rahmenbedingungen:
Umfang/Anzahl der Messstellen
Transformation von Messwertenin Buchungsinformationennotwendig
Übertragungszyklus 24h, daPlanungsläufe einmal pro Tagerfolgen
Anforderungen an Genauigkeitund Verfügbarkeit hoch
Messgeräte
ERP
Edukte ProduktPANTARHEI
20 M3%S
ZielverhaltenBeispiel: Datenübertragung ins ERP
12.09.2008 14
Lösungsvorschlag „Moderne Büro Kommunikation“
MesswerteLeitwarte
Disposition ERP
Lösungsvorschlag „PLS + MES“
Messwerte
ERP
Lösungsvorschlag „Direkte Kopplung“ ERPMesswerte
Lösungsvarianten
12.09.2008 15
Zu beachten:
Umfang der benötigten Daten
Art der Daten
Übertragungszeit-/häufigkeit
Genauigkeit
Verlässlichkeit
Verfügbarkeit
Aspekte technischer KommunikationAnforderungen bezüglich Zielverhalten
12.09.2008 16
PIMS-Server
PIMS-Interface
(Messwerte)
PIMS-Interface
(Batchdaten)
Automat.-Netz
MES für ERP-Kopplung
Office-Netz
ERPPCs Zentrales PIMS-System
vorhanden
Entkopplung von Office- undAutomatisierungsnetz überzentrale Firewall
Separate Schnittstellen-systeme für Messwerte undBatchdaten
ERP-Kopplung für Betrieb Avorhanden
Betrieb A Betrieb B
PANTARHEI
20 M3%S
SystemstrukturTypische Systemlandschaft
12.09.2008 17
PIMS-Server
PIMS-Interface
(Messwerte)
PIMS-Interface
(Batchdaten)
Automat.-Netz
MES für ERP-Kopplung
Office-Netz
ERPPCs Kommunikation über PLS von
Betrieb A zur Weiterleitungder Messwerte
Wenig neue Komponenten
PLS-Bus-Strecke zwischenBetrieb A und B erforderlich
Betrieb A
PLS
Betrieb B
PANTARHEI
20 M3%S
SystemstrukturKopplung auf PLS-Ebene
12.09.2008 18
Betrieb B
PANTARHEI
20 M3%S
PIMS-Server
PIMS-Interface
(Messwerte)
PIMS-Interface
(Batchdaten)
Automat.-Netz
MES für ERP-Kopplung
Office-Netz
ERPPCs Kommunikation über eigenes
PIMS-Interface zum zentralenPIMS-Server
Nutzung vorhandener Infrastrukturund Zentralsysteme
Keine Kommunikation auf PLS-Ebene
Betrieb A
PLS
SystemstrukturKopplung auf MES/PIMS-Ebene
12.09.2008 19
Zu beachten:
Verwendung von vorhandener Infrastruktur
Nutzung zentraler Systeme und Funktionen
Schnittstellen und Kommunikationsverbindungen zu Systemen
Aspekte technischer KommunikationAnforderungen bezüglich Systemstruktur
12.09.2008 20
PIMS-Server
PIMS-Interface
(Messwerte)
PIMS-Interface
(Batchdaten)
Automat.-Netz
MES für ERP-Kopplung
Office-Netz
ERPPCs Identität / Adressierung
Informationen vom Typ Messwert Zustand / Ereignis Zeitreihe Strukturierte Werte ...
Meta-Informationen Einheit Messbereich Qualität Zeitstempel ...
Kontext PLT-Funktion Verortung Stoffstrom Prozesszustand ...
Information
12.09.2008 21
Zu beachten:
Adressierungen der Information in verschiedenen Systemen
Informationsquellen für Information, Meta-Information,Informationskontext
Mechanismen zur Sicherstellung der Konsistenz
Aspekte technischer KommunikationAnforderungen bezüglich der Information
12.09.2008 22
DatenformateDienste
Syntax, Semantik
PhysikalischeSchicht
AdressierungRouting, Fehler-
behandlung
Kabel, SteckerEx-SchutzWireless
Transport-schicht
Anwendungs-schicht
Ebenen derKommunikation
Implementierungs-aspekte
Protokoll Schnitt-stelle
Konfigu-ration
CodierungAblauf
Zustände
Funktionen(Dienste)
ParameterDaten-
strukturen
ParameterDateien
Werkzeuge
PIMS interneKommunikation
Firewall tauglich?
Wie erfolgt dieEinstellungvon festen
TCP/IP-Ports?
Schnittstellen-syntax für ERP-Kommunikation
Anschluss fürAutomatisierungsnetzwerk im Betrieb
vorhanden?
KommunikationstechnikEbenenimplementierungsmatrix
12.09.2008 23
Zu beachten:
Verschiedenen Ebenen einer Kommunikationstechnologie
Die Implementierungsaspekte Protokoll, Schnittstelle und Konfiguration
Aspekte technischer KommunikationAnforderungen bezüglich der Kommunikationstechnik
12.09.2008 24
Betrieb B
PANTARHEI
20 M3%S
PIMS-Server
PIMS-Interface
(Messwerte)
PIMS-Interface
(Batchdaten)
Automat.-Netz
MES für ERP-Kopplung
Office-Netz
ERP
Betrieb A
PLS
Zentrale ITSupplyChain
Betriebsbetreuung Betriebsbetreuung
Vorgaben für die Nutzung vonSystemen und dieKommunikation mit diesen
Änderungsmanagement
Wartungs- undStörungskonzepte
LifeCycle StrategieZentrales Engineering(Automatisierungstechnik)
Verantwortlichkeiten innerhalb der Organisation
12.09.2008 25
Zu beachten:
Berücksichtigung von Richtlinien
Verantwortung für Schnittstellen
Abstimmungsprozess bei Änderungen
Kommunikationswege bei Störungen und Wartungsarbeiten
Koordination LifeCycle
Aspekte technischer KommunikationAnforderungen bezüglich der organisatorischenVerantwortlichkeiten
12.09.2008 26
Inhalt
Was ist MES und wofür benötigt man es?
Was ist bei der Kommunikation zwischen Systemen zu beachten?
Welche Rolle spielt das Prozessleitsystem für MES?
Wie sieht die Kommunikation im MES-Umfeld aus?
Wie sollte die Kommunikation aussehen?
Was heißt das für das Prozessleitsystem?
12.09.2008 27
Die Schnittstelle PLS/MESZugang zu Messwertinformationen
Prozessleitsystem
PIMS
Internet
Office-Netzwerk
Betriebs-leiter
Technologe
VT-Ingenieur
ERP
MES
Weiterverarbeitungder Messwerte
Einbindung von Wertenaus der MES-Ebene
12.09.2008 28
Die Schnittstelle PLS/MESAuswertung und Verwendung von Alarmen
Prozessleitsystem
Internet
Betriebs-leiter
IH-Manager
PLT-Ingenieur
Alarm-DBS
Office-NetzwerkERP
MES
Reaktion aufAlarme/Meldungen
PIMS
12.09.2008 29
Die Schnittstelle PLS/MESAuswertung und Verarbeitung von Batchdaten
Prozessleitsystem
Internet
Batch-DBS
Office-NetzwerkERP
MES
WeiterverarbeitungBatchdaten
Abgleich Rezepte
Betriebs-leiter
Technologe
VT-Ingenieur
Schicht
Initiierung vonBatches
12.09.2008 30
Die Schnittstelle PLS/MESWorkflowintegration
Prozessleitsystem
Internet
Office-NetzwerkERP
MESInitiierung von Funktionen derMES- und ERP-Ebene aus dem PLS
12.09.2008 31
Inhalt
Was ist MES und wofür benötigt man es?
Was ist bei der Kommunikation zwischen Systemen zu beachten?
Welche Rolle spielt das Prozessleitsystem für MES?
Wie sieht die Kommunikation im MES Umfeld aus?
Wie sollte die Kommunikation aussehen?
Was heißt das für das Prozessleitsystem?
12.09.2008 32
Exemplarische Kommunikation im MES-Umfeld
PIMS-Server
PIMS-Interface
(Messwerte)
Automat.-Netz
MES
Office-Netz
ERPPCs
PLS
OPC DA
TA1/FP1/F130: 25
TA2/FP4/Z230_cv: 540
FP2/L440_x: 1100
OPC DA-ServerPLS
OPC DA-Client-Kopplung PIMS
Konfiguration
Messstellen aus PLS
Konfiguration
OPC Adressierung
PIMS Adressierungund Einstellungen
Einheit, Messbereich,etc.
12.09.2008 33
PIMS-Server
PIMS-Interface
(Messwerte)
Automat.-Netz
MES
Office-Netz
ERPPCs
PLS
Konfiguration
Firewallregeln
ProprietäresTCP/IP
Exemplarische Kommunikation im MES-Umfeld
12.09.2008 34
PIMS-Server
PIMS-Interface
(Messwerte)
Automat.-Netz
MES
Office-Netz
ERPPCs
PLSKonfiguration
Firewallregeln
ODBC
Konfiguration
Bereitstellung aktuellerPIMS-ODBC-Treiber aufMES
PIMS-Tabellenstruktur
PIMS-Dateninterpretation
F130: 25 l/min, good
Z230: 540 kg, good
L440: 1100 l, good
Exemplarische Kommunikation im MES-Umfeld
12.09.2008 35
PIMS-Server
PIMS-Interface
(Messwerte)
Automat.-Netz
MES
Office-Netz
ERPPCs
PLS
Konfiguration
Anlagen undProduktionskontext
Berechnungsvorschriften
ERP-Datenstrukturen
ERP-Kommunikations-ablauf
Auftrag: 9999
Produkt: NAMUDur
Teilanlage: TA1
Menge: 1540 kg
...
ERPHTTP/SOAP
Exemplarische Kommunikation im MES-Umfeld
12.09.2008 36
PIMS-Server
PIMS-Interface
(Messwerte)
Automat.-Netz
MES
Office-Netz
ERPPCs
PLS
Auftrag: 9999
Produkt: NAMUDur
Teilanlage: TA1
Menge: 1540 kg
...ERP
HTTP/SOAP
OPC DATA1/FP1/F130: 25
TA2/FP4/Z230_cv: 540
FP2/L440_x: 1100OPC DA-Server
PLS
OPC DA-Client-Kopplung BDE
F130: 25 l/min, good
Z230: 540 kg, good
L440: 1100 l, good
ODBC
ProprietäresTCP/IP
Exemplarische Kommunikation im MES-Umfeld
12.09.2008 37
Praktische Erfahrungen mit PLS/MESSchnittstellen
Information
Messwert, Einheit, Status, Messbereich etc. sind über die Schnittstellenicht zusammenhängend zugänglich sondern müssen über die PLSspezifische Funktionsbausteinsemantik zusammengesucht werden
Batchdaten besitzen keine einheitliche Semantik und Syntax, sondernmüssen individuell interpretiert werden
Zusammenhänge zwischen Messstelle, Historie und Alarmen sind nurindirekt über separat gepflegte Namenskonventionen erkennbar
Die Informationen zu einer Meldung/Alarm sind PLS spezifisch definiert
PLS-Konfigurationsinformationen für einen automatisiertenKonfigurationsabgleich werden nicht oder nur projektspezifisch zurVerfügung gestellt
12.09.2008 38
Praktische Erfahrungen mit PLS/MESSchnittstellen
Kommunikationstechnologien
OPC wird als Quasistandard von den PLS Lieferanten angeboten, wirdfür spezifische Projektumsetzungen von den selben Lieferanten aberteilweise gemieden
OPC Implementierungen vom PLS weisen teilweise erheblicheProbleme bzw. funktionale Defizite auf (Browsing Funktion)
Für Batchdaten existiert derzeit keine einheitlicheSchnittstellentechnologie. Implementierungen werden system- undprojektspezifisch von den Lieferanten umgesetzt
PLS-Konfigurationsdaten müssen über individuell definierteTechnologien ausgetauscht werden
Derzeit keine durchgängige Schnittstellentechnologie am Marktverfügbar (Hoffnungsträger UPC UA ?)
12.09.2008 39
Praktische Erfahrungen mit PLS/MESSchnittstellen
Systemstrukturen
PLS wird von den Lieferanten nicht als Teil einer übergeordnetenInfrastruktur verstanden, z.B. Einbindung in
– zentrale Firewall-Architektur
– Remote-Service-Konzepte
– Benutzerverwaltung
Schnittstellen sind oftmals nicht integraler Bestandteil der PLSSystemarchitektur sondern müssen über separate Hardwareangeschlossen werden.
12.09.2008 40
Praktische Erfahrungen mit PLS/MESSchnittstellen
Organisatorische Verantwortlichkeiten
Es mangelt oftmals an einer klaren Abgrenzung bzw. Zuordnungder Verantwortung für eine PLS/MES Schnittstelle
Verantwortung für das Funktionieren von Schnittstellen wirdungern übernommen (Fehlende Unabhängigkeit von derindividuellen Anwendung)
Die Existenz von technischen Schnittstellen wird nicht alsÜberlappung von Zuständigkeiten gesehen mit dem jeweiligenAbstimmungsbedarf
12.09.2008 41
Inhalt
Was ist MES und wofür benötigt man es?
Was ist bei der Kommunikation zwischen Systemen zu beachten?
Welche Rolle spielt das Prozessleitsystem für MES?
Wie sieht die Kommunikation im MES Umfeld aus?
Wie sollte die Kommunikation aussehen?
Was heißt das für das Prozessleitsystem?
12.09.2008 42
Office-Netz
Anwendungsorientierte Kommunikation
PIMS(Hersteller B)
Automat.-Netz
MES(Hersteller C)
ERP(Hersteller D)
PCs
PLS(Hersteller A)
Funktionale Konfiguration:
Übertrage die Wert von allenDurchflussmessungen miteiner Scanrate von 1s inszentrale PIMS
Freie PIMS Ressourcen für 30Messstellen/s vorhanden?
Keine PIMSFunktionalität !
PIMSRessourcenverfügbar !
12.09.2008 43
Office-NetzPIMS
(Hersteller B)
Automat.-Netz
MES(Hersteller C)
ERP(Hersteller D)
PCs
PLS(Hersteller A)
Teilanlage TA1
Durchflussmessung F130
Wert: 25
Datum: 5.11.2009
Einheit: l/min
Status: good
Messbereich: 0-50
Stoff: NAM
Silo S1 -> F130 ->Reaktor R1
Anwendungsorientierte Kommunikation
12.09.2008 44
Office-NetzPIMS
(Hersteller B)
Automat.-Netz
MES(Hersteller C)
ERP(Hersteller D)
PCs
PLS(Hersteller A)
Funktionale Konfiguration:
Auftragsrückmeldungen fürNAMUDur übernehmen
Produkt NAMUDur
Auftrag 9999
Menge 500t
Datum 5.11.2009
Teilanlage TA1
Edukte
NAM 300 t
UR 200 t
Teilanlage TA1
Durchflussmessung F130
Stoff: NAM
Silo S1 -> F130 ->Reaktor R1
Durchflussmessung F230Stoff: URSilo S2 -> F230 ->Reaktor R1
Durchflussmessung F330Stoff: NAMUDurReaktor R1 -> F330 ->Silo S3
Rückmeldung zu Auftrag 9999
Produktion 514t
Verbrauch NAM 334 t
Verbrauch UR 180 t
Anwendungsorientierte Kommunikation
12.09.2008 45
Inhalt
Was ist MES und wofür benötigt man es?
Was ist bei der Kommunikation zwischen Systemen zu beachten?
Welche Rolle spielt das Prozessleitsystem für MES?
Wie sieht die Kommunikation im MES Umfeld aus?
Wie sollte die Kommunikation aussehen?
Was heißt das für das Prozessleitsystem?
12.09.2008 46
Offenen Zugang auch für Meta- und Kontextinformationen
„Wir wissen heute nicht, was wir Morgen mit dem System nochkommunizieren wollen“
Mehr „Kommunikationsintelligenz“ zwischen den Systemen
„Weg von der Datenschieberei hin zu einer Diensteorientierung“
Mehr eindeutige Semantik in der Kommunikation
„Die Systeme der Automatisierung müssen sich verstehen können“
Durchgängigkeit der Anwendungsschicht der Kommunikation
„Gleiche Basisdienste und gleiche Semantik unabhängig ob Feldbus,Ethernet oder Wireless“
Systematische, informationsorientierte Projektierung der Systeme
„Informationen sind genauso wichtig wie die Funktionen!“
Anforderungen an die SchnittstellePLS/MES
12.09.2008 47
Anwender
Diskussion der Schnittstellenanforderungen mit den verschiedenenPLS Lieferanten im Rahmen von Systemevaluationen
Adressierung der Anforderungen im Projektgeschäft
Erarbeitung von NAMUR-Empfehlungen zur Spezifikation vonPLS/MES-Schnittstellen
– Aktuell Batch-Schnittstellen-Spezifikation
Hersteller
Philosophiewandel: „Das PLS ist zentraler Kommunikations-partner einer MES Landschaft mit Produkten verschiedenerHersteller und muss sich dort möglichst nahtlos undkomfortabel integrieren lassen“
Vorgehen