Produktionsleitsystem (MES): KI-gestützte Produktion

In den meisten Produktionsbetrieben gehören die Inspektion von Maschinen, die Erfassung von Daten und die Prüfung von Teilen auf Fehler zu den täglichen Aufgaben. Leider können diese sich wiederholenden Tätigkeiten während langer Schichten leicht übersehen werden.

Dank Fortschritten wie KI und Computer Vision, einem Teilgebiet, das Maschinen das Verstehen visueller Informationen beibringt, werden viele dieser Aufgaben inzwischen automatisiert. Um diesen Grad der Fertigungsautomatisierung zu unterstützen, setzen Hersteller außerdem Systeme ein, die Daten aus der gesamten Fertigung zusammenführen.

Insbesondere ein System treibt diesen Wandel in der Fertigung voran: ein Fertigungsleitsystem (MES). Fortschrittliche MES-Software kann jede Produktionsstufe verfolgen, Daten in Echtzeit bereitstellen und Teams dabei helfen, schnell auf Probleme in der Fertigung zu reagieren.

In diesem Artikel sehen wir uns an, wie Fertigungsleitsysteme (MES) in Fabriken funktionieren und wie Technologien wie KI und Computer Vision sie intelligenter, schneller und zuverlässiger machen. Legen wir los!

Was ist ein Fertigungsleitsystem (MES)?#

MES-Produktionssoftware steuert und überwacht die Produktion in der Fertigung. Sie verbindet Unternehmenslösungen wie Systeme zur Unternehmensressourcenplanung (ERP) mit den Fertigungsabläufen in Echtzeit.

Während ERP-Systeme Bestände, Materialien und Zeitpläne planen, konzentriert sich MES auf die Ausführung. Es sendet Anweisungen an Maschinen und Bediener, erfasst Produktionsdaten und verfolgt jeden Schritt während seiner Ausführung. So können Hersteller Verzögerungen erkennen, die Qualität überwachen und schneller Entscheidungen treffen.

In Branchen wie der Pharmaindustrie und der Luft- und Raumfahrt hilft MES beispielsweise dabei, Chargen, die Einrichtung von Anlagen und Eingaben der Bediener zu verfolgen. Dadurch lässt sich jeder Produktionsschritt leichter zurückverfolgen, wenn Probleme auftreten.

Die Beziehung zwischen MES- und ERP-Systemen#

MES- und ERP-Systeme funktionieren am besten, wenn sie miteinander verbunden sind. Du kannst dir ein ERP-System zur Ressourcenplanung als das Gehirn des Betriebs vorstellen, das die übergeordnete Planung von Beständen, Aufträgen und Finanzen übernimmt. MES-Produktionssoftware arbeitet wie die Hände und steuert die Aktivitäten in der Fertigung in Echtzeit, etwa Produktionsprozesse, Anlagenüberwachung und Qualitätsprüfung.

Wenn Gehirn und Hände zusammenarbeiten, läuft das gesamte System reibungsloser. Die Verbindung beider Systeme schafft eine klare Verknüpfung zwischen Planung und Ausführung. Das verbessert die Koordination und hilft Teams, im gesamten Betrieb schneller fundierte Entscheidungen zu treffen.

Warum ist MES für moderne Hersteller wichtig?#

Fabriken bearbeiten täglich kundenspezifische Aufträge und Auftragsänderungen und führen strenge Qualitätsprüfungen durch. Um diese Herausforderungen besser zu bewältigen, ist MES-Software auf Flexibilität und Genauigkeit ausgelegt. Diese Systeme bieten Teams einen klaren Überblick über die Fertigung und ermöglichen es ihnen, schnell auf Änderungen zu reagieren.

MES-Technologie spielt insbesondere durch die Nachverfolgung in Echtzeit eine wichtige Rolle in Produktionsprozessen. Sie überwacht den Maschinenstatus, Fertigungsaufträge und den Materialfluss. So können Teams Verlangsamungen oder Probleme erkennen, bevor sie die Produktionsleistung beeinträchtigen.

Außerdem kann ein MES-System durch die Nachverfolgung von Materialien, Maschineneinstellungen und Aktionen während der gesamten Produktion eine Rückverfolgbarkeit ermöglichen. Das ist in regulierten und komplexen Branchen wie der Biotechnologie und der Herstellung von Medizinprodukten von entscheidender Bedeutung. Solche Echtzeitdaten können Audits unterstützen, die Einhaltung von Vorschriften sicherstellen und eine gleichbleibende Produktqualität gewährleisten.

MES-Standards im Laufe der Jahre#

Bevor das Konzept der intelligenten Fabriken populär wurde, verließen sich Hersteller bei der Produktionssteuerung auf voneinander getrennte Systeme. Dadurch war es schwierig, Arbeitsabläufe zu koordinieren, die Rückverfolgbarkeit aufrechtzuerhalten oder Erkenntnisse in Echtzeit abzurufen. Als die Abläufe zunehmend datengetrieben wurden, benötigte die Branche eine einheitliche Methode, um festzulegen, wie MES-Technologie in die übergeordnete Produktionsumgebung passt.

Ein wichtiger Meilenstein war die Einführung von ISA-95 Ende der 1990er-Jahre. Der Standard definierte MES-Produktionssoftware als Verbindung zwischen Unternehmenssystemen wie ERP und den Anlagen in der Fertigung. Dadurch wurde die Unterstützung von Aufgaben wie Produktionsplanung, Bestandsverfolgung und Qualitätsmanagement durch MES standardisiert.

Abb. 1. ISA-95 definiert die Rolle von MES in Fertigungssystemen. (Quelle)

Im Laufe der Zeit haben sich die Anforderungen an die Produktion verändert. Unternehmen wünschen sich heute eine bessere Rückverfolgbarkeit, schnellen Zugriff auf Echtzeitdaten und Systeme, die sowohl Compliance- als auch Effizienzziele erfüllen. Diese Anforderungen haben die heutige MES-Software geprägt, die inzwischen die Fertigungsautomatisierung unterstützt und Fabriken dabei hilft, intelligent und vernetzt zu werden.

Zentrale Funktionen eines Fertigungsleitsystems#

Hier sind einige wichtige Funktionen von MES-Software und ihr Beitrag zur Steigerung von Produktivität, Rückverfolgbarkeit und Qualität in Produktionsprozessen:

• Ressourcen- und Fertigungsauftragsverwaltung: MES weist Fertigungsaufträgen Maschinen, Werkzeuge und Bediener zu und stellt sicher, dass die richtigen Ressourcen zur richtigen Zeit verfügbar sind. Das verringert Leerlaufzeiten und unterstützt eine bessere Ressourcenplanung sowie die Abstimmung mit ERP-Systemen.
• Produktionsüberwachung und -steuerung: Das MES verfolgt Maschinenstatus, Zykluszeiten und Fortschritt in Echtzeit. Warnmeldungen helfen Teams, schnell auf Verzögerungen oder Stillstände zu reagieren und die Produktionsprozesse planmäßig fortzuführen.
• Rückverfolgbarkeit und Genealogie: MES protokolliert den Weg jedes Teils anhand von Losnummern, Seriennummern und der Historie von Komponenten und erstellt so einen vollständigen Prüfpfad für Compliance und Rückrufbereitschaft.
• Qualitätsmanagement: MES führt in jeder Phase Prüfungen durch, um sicherzustellen, dass Produkte die Standards erfüllen. Es erfasst Prüfergebnisse und kennzeichnet Probleme, damit sich Fehler nicht weiter durch die Produktion bewegen.
• Bestandsverwaltung und Materialsteuerung: MES überwacht Rohmaterialien, unfertige Erzeugnisse und Fertigwaren in Echtzeit. Es prüft zusätzlich, ob die richtigen Teile bereitstehen, und stärkt die Verfahren zur Bestandsverwaltung.
• Wartung, Belegschaft und Analysen: MES erfasst die Maschinennutzung und die Leistung der Bediener, um die vorausschauende Wartung zu unterstützen, die Arbeitseffizienz zu verbessern und Erkenntnisse für bessere Prozesse bereitzustellen.

Computer Vision und KI in MES integrieren#

MES-Produktionssoftware kann zwar Produktionsdaten verfolgen, analysiert jedoch keine visuellen Eingaben von Kameras. Wichtige Details wie Anlagenverschleiß oder Montagefehler können unbemerkt bleiben. Computer Vision kann diese zusätzliche Erkenntnisebene bereitstellen und so die Fertigungsautomatisierung für Aufgaben ermöglichen, die früher vollständig manuell oder sensorbasiert ausgeführt wurden.

Die Bildanalyse in der Fertigung wird durch KI-Modelle für Computer Vision vorangetrieben. Computer-Vision-Modelle wie Ultralytics YOLO11 können Objekte über mehrere Videoframes hinweg erkennen, verfolgen und klassifizieren.

Ultralytics YOLO11 kann beispielsweise Qualitätsprüfungen in Echtzeit ermöglichen, indem es Fehler erkennt, und die Sicherheit überwachen, indem es Mitarbeiter in gesperrten Bereichen erkennt.

Hier siehst du einige von Ultralytics YOLO11 unterstützte Computer-Vision-Aufgaben, die Produktionsprozesse effizienter gestalten können:

• Objekterkennung: Diese Aufgabe hilft dem MES, Komponenten oder Werkzeuge während der Produktion zu erkennen, ihre korrekte Position zu bestätigen und Montagefehler zu verhindern.
• Bildklassifizierung: Damit lassen sich Objekte als „bestanden“ oder „nicht bestanden“ oder nach Produkttyp klassifizieren. So kann das MES die Sortierung automatisieren und Qualitätsentscheidungen in Echtzeit treffen.
• Posenschätzung: Die Analyse der Körperhaltung von Menschen oder der Position von Maschinen mithilfe der Posenschätzung unterstützt Sicherheits- und Ergonomiestandards, während das MES Abweichungen protokollieren und potenzielle Risiken kennzeichnen kann.
• Instanzsegmentierung: Auch wenn Objekte sich überlappen oder eng beieinanderliegen, können sie mit dieser Aufgabe erkannt und segmentiert werden. Dadurch kann das MES jedes Teil genauer verfolgen und die Bestandsverwaltung verbessern.

Abb. 2. Ultralytics YOLO11 kann verwendet werden, um einen Mitarbeiter in einem Lager zu erkennen. (Quelle)

Die Fertigung mit cloudbasiertem MES digitalisieren#

Um alltägliche Herausforderungen wie die manuelle Dateneingabe, Missverständnisse und langsame Produktionsprozesse zu bewältigen, setzen viele Hersteller auf cloudbasierte Fertigungsleitsysteme (MES). Diese Systeme führen Maschinen, Menschen und Daten auf einer Plattform zusammen und helfen Teams, effizienter zu arbeiten und besser synchronisiert zu bleiben.

Mit einem cloudbasierten MES werden Aufgaben wie Bestandsverwaltung, Qualitätsmanagement und Auftragsaktualisierungen in Echtzeit ausgeführt und sind von jedem Gerät aus zugänglich. Das verringert Verzögerungen und Fehler und erleichtert die übergreifende Betriebssteuerung.

Abb. 3. Beispiel für ein cloudbasiertes Fertigungsleitsystem. (Quelle)

Ein weiterer wichtiger Vorteil cloudbasierter MES-Systeme besteht darin, dass sie durch Computer-Vision-Lösungen wie die automatisierte Teileprüfung und die Überwachung der Aktivitäten von Bedienern erweitert werden können.

Wie bereits erwähnt, kann Ultralytics YOLO11 beispielsweise verwendet werden, um Objekte wie Komponenten, Werkzeuge oder Fertigwaren zu verfolgen, während sie sich durch die Fertigung bewegen. Erkenntnisse aus solchen Lösungen können genutzt werden, um Ineffizienzen in Arbeitsabläufen zu erkennen, falsch abgelegte Teile zu verhindern und Entscheidungen in Echtzeit zu unterstützen.

MES: Integration und Trends bei intelligenten Fabriken#

Neben Computer Vision und cloudbasierten Systemen wird MES-Technologie allgemein intelligenter und stärker vernetzt. Sie wird eng mit ERP-Systemen zur Ressourcenplanung, Cloud-Tools und Geräten des Internets der Dinge (IoT) integriert. Dieser Wandel verbessert die Reaktionsfähigkeit unmittelbar, sodass Hersteller schneller datengestützte Entscheidungen treffen können.

Ein wichtiger Trend ist beispielsweise der Einsatz von Edge Computing. Statt Daten an die Cloud zu senden, kann MES sie inzwischen direkt in der Fertigung verarbeiten. Dadurch lassen sich Echtzeitdaten erfassen und verarbeiten, was einen besseren Einblick in die Abläufe ermöglicht.

Ein weiterer Bereich mit stetigem Wachstum ist der Einsatz digitaler Zwillinge. Dabei handelt es sich um virtuelle Modelle, die Maschinen oder ganze Systeme simulieren. Sie können verwendet werden, um Probleme frühzeitig zu erkennen und Verbesserungen zu testen, bevor diese in der Praxis umgesetzt werden.

Abb. 4. Zusammenspiel der MES-Ebenen in einer intelligenten Fertigungsumgebung. (Quelle)

Wichtige Erkenntnisse#

MES-Technologie wird zu einem unverzichtbaren Bestandteil moderner Fabriken. Mit Unterstützung aktueller Innovationen wie Computer-Vision-Modellen kann MES-Software die Fertigung überwachen, Probleme frühzeitig erkennen und einen reibungslosen Produktionsablauf gewährleisten. Da sich MES-Systeme weiterentwickeln, werden sie voraussichtlich eine noch größere Rolle dabei spielen, Herstellern die Aufrechterhaltung der Qualität und intelligentere Entscheidungen im Tagesgeschäft zu ermöglichen.

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