Manufacturing Execution System (MES): KI-gesteuerte Produktion

In den meisten Produktionsbetrieben gehören die Maschinenprüfung, die Datenerfassung und die Kontrolle von Teilen auf Mängel zum Arbeitsalltag. Leider können solche wiederkehrenden Aufgaben während langer Schichten leicht übersehen werden.

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

Ein System, das den Wandel in der Fertigung maßgeblich vorantreibt, ist insbesondere ein Manufacturing Execution System (MES). Moderne MES-Software kann jede Produktionsphase verfolgen, Echtzeitdaten bereitstellen und Teams dabei helfen, schnell auf Probleme in der Fertigung zu reagieren.

In diesem Artikel erklären wir, wie Manufacturing Execution Systems (MES) in Fabriken funktionieren und wie Technologien wie KI und Computer Vision sie intelligenter, schneller und zuverlässiger machen.

Was ist ein Produktionsleitsystem (MES)?#

MES-Produktionssoftware verwaltet und überwacht die Produktion in einer Fabrik. Sie verbindet Unternehmenslösungen wie Systeme zur Planung der Unternehmensressourcen (ERP) mit den Fertigungsabläufen in Echtzeit.

Während ERP-Systeme Bestände, Materialien und Zeitpläne planen, konzentriert sich MES auf die Ausführung. Das System übermittelt Maschinen und Beschäftigten Anweisungen, erfasst Produktionsdaten und verfolgt jeden Schritt in Echtzeit. 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 Beschäftigten nachzuverfolgen. So lässt sich jeder Produktionsschritt leichter zurückverfolgen, falls Probleme auftreten.

Das Zusammenspiel von 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: Es übernimmt die übergeordnete Planung von Beständen, Aufträgen und Finanzen. MES-Produktionssoftware ist wie die Hand des Betriebs: Sie steuert die Abläufe in Echtzeit direkt in der Fertigung, etwa Produktionsprozesse, Anlagenüberwachung und Qualitätskontrolle.

Wenn Gehirn und Hand zusammenarbeiten, läuft das gesamte System reibungsloser. Die Verbindung der beiden Systeme schafft einen klaren Zusammenhang 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 müssen täglich mit Sonderaufträgen, Auftragsänderungen und strengen Qualitätskontrollen umgehen. MES-Software ist darauf ausgelegt, flexibel zu bleiben und die Genauigkeit zu wahren, damit diese Herausforderungen besser bewältigt werden können. Die Systeme verschaffen Teams einen klaren Überblick über die Fertigung und ermöglichen es ihnen, schnell auf Änderungen zu reagieren.

Die MES-Technologie spielt in Produktionsprozessen insbesondere deshalb eine wichtige Rolle, weil sie eine Überwachung in Echtzeit ermöglicht. Sie überwacht den Maschinenstatus, Fertigungsaufträge und den Materialfluss. So können Teams Verzögerungen oder Probleme erkennen, bevor sie die Produktion beeinträchtigen.

Ein MES-System ermöglicht außerdem die Rückverfolgbarkeit. Das ist in stark regulierten und komplexen Branchen wie der Biotechnologie und der Herstellung medizinischer Geräte entscheidend. Dazu werden Materialien, Maschineneinstellungen und Arbeitsschritte während der gesamten Produktion verfolgt. Solche Echtzeitdaten können Audits unterstützen, die Einhaltung von Vorschriften sicherstellen und eine gleichbleibende Produktqualität gewährleisten.

Die Entwicklung der MES-Standards#

Bevor intelligente Fabriken populär wurden, nutzten Hersteller voneinander getrennte Systeme zur Produktionssteuerung. Dadurch war es schwierig, Arbeitsabläufe zu koordinieren, die Rückverfolgbarkeit sicherzustellen oder Erkenntnisse in Echtzeit abzurufen. Als die Abläufe zunehmend datengetrieben wurden, brauchte die Branche eine einheitliche Definition dafür, wie MES-Technologie in die übergeordnete Produktionsstruktur 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. So ließ sich die Unterstützung von Aufgaben wie Produktionsplanung, Bestandsverfolgung und Qualitätsmanagement durch MES vereinheitlichen.

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

Die Anforderungen an die Fertigung haben sich im Laufe der Zeit verändert. Unternehmen wünschen sich heute eine bessere Rückverfolgbarkeit, schnellen Zugriff auf Echtzeitdaten und Systeme, die sowohl die Einhaltung von Vorschriften als auch die Effizienz unterstützen. Diese Anforderungen prägen die heutige MES-Software, die inzwischen die Fertigungsautomatisierung unterstützt und Fabriken intelligenter und vernetzter macht.

Zentrale Funktionen von Produktionsleitsystemen#

Hier findest du einige wichtige Funktionen von MES-Software und erfährst, wie sie die Produktivität, Rückverfolgbarkeit und Qualität in Produktionsprozessen verbessern:

• Ressourcen- und Fertigungsauftragsverwaltung: MES weist Fertigungsaufträgen Maschinen, Werkzeuge und Beschäftigte zu und stellt sicher, dass die benötigten Ressourcen zum richtigen Zeitpunkt verfügbar sind. Dadurch wird die Leerlaufzeit verringert und eine bessere Ressourcenplanung sowie die Abstimmung mit ERP-Systemen unterstützt.
• 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 auf Kurs zu halten.
• Rückverfolgbarkeit und Produktgenealogie: Das MES protokolliert den Weg jedes Teils anhand von Chargennummern, Seriennummerndaten und der Komponenten-Historie. So entsteht ein vollständiger Prüfpfad, der die Einhaltung von Vorschriften und die Vorbereitung auf Rückrufaktionen unterstützt.
• Qualitätsmanagement: Das MES führt in jedem Schritt Prüfungen durch, um sicherzustellen, dass die Produkte den Standards entsprechen. Es erfasst die Prüfergebnisse und kennzeichnet Probleme, damit fehlerhafte Produkte nicht in den nächsten Produktionsschritt gelangen.
• Bestandsverwaltung und Materialsteuerung: Das MES überwacht Rohmaterialien, unfertige Erzeugnisse und Fertigwaren in Echtzeit. Es prüft, ob die richtigen Teile bereitstehen, und verbessert die Bestandsverwaltung.
• Instandhaltung, Personalverwaltung und Analysen: Das MES erfasst die Maschinennutzung und die Leistung der Beschäftigten, um die vorausschauende Instandhaltung zu unterstützen, die Arbeitseffizienz zu verbessern und Erkenntnisse für effizientere Prozesse bereitzustellen.

Bildverarbeitung und KI in MES integrieren#

Während MES-Software Produktionsdaten erfassen kann, analysiert sie keine visuellen Daten von Kameras. Wichtige Details wie Verschleiß an Anlagen oder Montagefehler können unbemerkt bleiben. Computer Vision kann hier Abhilfe schaffen und diese zusätzliche Erkenntnisebene ergänzen, sodass sich Aufgaben automatisieren lassen, die zuvor vollständig manuell oder sensorgestützt ausgeführt wurden.

Die Bildanalyse in der Fertigung basiert auf Vision-KI-Modellen. Computer-Vision-Modelle wie Ultralytics YOLO11 können Objekte über Videobilder hinweg erkennen, verfolgen und klassifizieren.

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

Hier ein genauerer Blick auf einige der von Ultralytics YOLO11 unterstützten Computer-Vision-Aufgaben, mit denen sich Produktionsabläufe optimieren lassen:

• Objekterkennung: Mit dieser Aufgabe kann das MES Komponenten oder Werkzeuge während der Produktion erkennen, ihre korrekte Position überprüfen und Montagefehler verhindern.
• Instanzsegmentierung: Auch wenn sich Objekte überlappen oder dicht beieinanderliegen, kann diese Aufgabe sie erkennen und segmentieren. So kann das MES jedes Teil genauer verfolgen und die Bestandsverwaltung verbessern.
• Bildklassifizierung: Damit lassen sich Produkte als bestanden oder nicht bestanden sowie nach Produkttyp klassifizieren. So kann das MES die Sortierung automatisieren und Qualitätsentscheidungen in Echtzeit treffen.
• Posenschätzung: Die Analyse der Körperhaltung von Menschen oder Maschinen mithilfe der Posenschätzung unterstützt Sicherheits- und Ergonomiestandards, während das MES Abweichungen protokollieren und auf mögliche Risiken hinweisen kann.

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

Die Fertigung digitalisieren mit einem cloudbasierten MES#

Um alltägliche Herausforderungen wie die manuelle Dateneingabe, Kommunikationsprobleme und langsame Produktionsprozesse zu bewältigen, setzen viele Hersteller auf cloudbasierte MES-Plattformen. Diese Systeme vereinen Maschinen, Menschen und Daten auf einer Plattform und helfen Teams, effizienter und besser aufeinander abgestimmt zu arbeiten.

Mit einem cloudbasierten MES erfolgen Aufgaben wie Bestandsverwaltung, Qualitätsmanagement und Auftragsaktualisierungen in Echtzeit und sind von jedem Gerät aus zugänglich. Das verringert Verzögerungen und Fehler und erleichtert die durchgängige Verwaltung der Abläufe.

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

Ein weiterer wichtiger Vorteil cloudbasierter MES-Systeme ist, dass sie durch Computer-Vision-Lösungen ergänzt werden können, etwa zur automatisierten Teileprüfung und zur Überwachung der Tätigkeiten von Mitarbeitenden.

Wie bereits erwähnt, kann Ultralytics YOLO11 beispielsweise Objekte wie Komponenten, Werkzeuge oder fertige Waren verfolgen, während sie sich durch die Fabrik bewegen. Erkenntnisse aus solchen Lösungen können dabei helfen, ineffiziente Arbeitsabläufe zu erkennen, falsch abgelegte Artikel zu verhindern und Entscheidungen in Echtzeit zu unterstützen.

MES: Integration und Trends in der intelligenten Fabrik#

Über Computer Vision und cloudbasierte Systeme hinaus wird die MES-Technologie zunehmend 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 direkt die Reaktionsfähigkeit und ermöglicht Herstellern, schneller datenbasierte Entscheidungen zu treffen.

Ein wichtiger Trend ist beispielsweise der Einsatz von Edge-Computing. Anstatt Daten an die Cloud zu senden, kann das MES sie nun direkt in der Fertigung verarbeiten. So lassen sich Daten in Echtzeit erfassen und verarbeiten, was für einen besseren Überblick über die Abläufe sorgt.

Ein weiterer Bereich, der stetig wächst, ist der Einsatz digitaler Zwillinge. Dabei handelt es sich um virtuelle Modelle, die Maschinen oder ganze Systeme simulieren. Mit ihnen lassen sich Probleme frühzeitig erkennen und Verbesserungen testen, bevor sie in der realen Welt umgesetzt werden.

Abb. 4. Ebenen eines MES, die in einer intelligenten Fertigungsumgebung zusammenarbeiten. (Quelle)

Die wichtigsten Erkenntnisse#

Die MES-Technologie wird zu einem entscheidenden Bestandteil moderner Fabriken. Dank jüngster Innovationen wie Computer-Vision-Modellen kann MES-Software zur Überwachung der Fertigung, zur frühzeitigen Erkennung von Problemen und zur Aufrechterhaltung reibungsloser Produktionsabläufe eingesetzt werden. Mit der Weiterentwicklung von MES-Systemen werden sie Herstellern wahrscheinlich noch stärker dabei helfen, die Qualität zu sichern und im Alltag fundiertere Entscheidungen zu treffen.

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