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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?

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Feldebene

MES-Ebene(Betriebsleitebene)

ERP-

Ebene

Prozessleit-/Steuerungsebene

Die „Manufacturing Execution System“ – Ebenein der Automatisierungspyramide

Einsatzstoffzuführung ProduktauslieferungProduktion AbfüllungLabor

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Inhalt







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Natürliche Kommunikation

physikalische Kopplung derSysteme

Technische Kommunikation

Getrennte Systeme

Kopplung mit Hilfe technischerEinrichtungen

LC LC

YC YC

Was ist eigentlich Kommunikation?

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Zielverhalten

Systemstruktur

Informationen

Kommunikationstechnik

(organisatorische Verantwortlichkeiten)

LC LC

YC YC

Aspekte technischer Kommunikation

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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

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Lösungsvorschlag „Moderne Büro Kommunikation“

MesswerteLeitwarte

Disposition ERP

Lösungsvorschlag „PLS + MES“

Messwerte

ERP

Lösungsvorschlag „Direkte Kopplung“ ERPMesswerte

Lösungsvarianten

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Zu beachten:

Umfang der benötigten Daten

Art der Daten

Übertragungszeit-/häufigkeit

Genauigkeit

Verlässlichkeit

Verfügbarkeit

Aspekte technischer KommunikationAnforderungen bezüglich Zielverhalten

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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

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PIMS-Server

PIMS-Interface

(Messwerte)

PIMS-Interface

(Batchdaten)

Automat.-Netz


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

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Betrieb B

PANTARHEI

20 M3%S

PIMS-Server

PIMS-Interface

(Messwerte)

PIMS-Interface

(Batchdaten)

Automat.-Netz


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

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Zu beachten:

Verwendung von vorhandener Infrastruktur

Nutzung zentraler Systeme und Funktionen

Schnittstellen und Kommunikationsverbindungen zu Systemen

Aspekte technischer KommunikationAnforderungen bezüglich Systemstruktur

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PIMS-Server

PIMS-Interface

(Messwerte)

PIMS-Interface

(Batchdaten)

Automat.-Netz


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

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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

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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

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Zu beachten:

Verschiedenen Ebenen einer Kommunikationstechnologie

Die Implementierungsaspekte Protokoll, Schnittstelle und Konfiguration

Aspekte technischer KommunikationAnforderungen bezüglich der Kommunikationstechnik

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Betrieb B

PANTARHEI

20 M3%S

PIMS-Server

PIMS-Interface

(Messwerte)

PIMS-Interface

(Batchdaten)

Automat.-Netz


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

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Zu beachten:

Berücksichtigung von Richtlinien

Verantwortung für Schnittstellen

Abstimmungsprozess bei Änderungen

Kommunikationswege bei Störungen und Wartungsarbeiten

Koordination LifeCycle

Aspekte technischer KommunikationAnforderungen bezüglich der organisatorischenVerantwortlichkeiten

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Inhalt







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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

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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

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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

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Die Schnittstelle PLS/MESWorkflowintegration

Prozessleitsystem

Internet

Office-NetzwerkERP

MESInitiierung von Funktionen derMES- und ERP-Ebene aus dem PLS

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Inhalt




Wie sieht die Kommunikation im MES Umfeld aus?



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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.

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PIMS-Server

PIMS-Interface

(Messwerte)

Automat.-Netz

MES

Office-Netz

ERPPCs

PLS

Konfiguration

Firewallregeln

ProprietäresTCP/IP


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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


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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


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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


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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

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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 ?)

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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.

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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

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Inhalt







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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 !

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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


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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


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Inhalt







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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

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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

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