Module und Systemarchitektur

Nach Analyse, Zieldefinition und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ist geklärt, warum das Unternehmen handeln muss und welcher finanzielle Rahmen zur Verfügung steht. Nun wird festgelegt, was die künftige Lösung fachlich und technisch leisten soll.

Dieser Schritt ist anspruchsvoll. Einerseits darf das Zielbild nicht zu allgemein bleiben. Andererseits darf es nicht bereits auf ein bestimmtes Produkt oder einen bekannten Anbieter zugeschnitten werden. Gesucht wird keine vorweggenommene Softwareentscheidung, sondern eine anbieterneutrale Beschreibung der benötigten Funktionsbereiche und der künftigen Systemlandschaft.

Vom Problem zum fachlichen Zielbild

Die Auswahl von Modulen beginnt nicht mit einer Funktionsliste aus einem Anbieterprospekt. Ausgangspunkt sind die dokumentierten Probleme, Ursachen, Ziele und Nutzenhebel. Für jedes Handlungsfeld ist zu prüfen, welche fachliche Fähigkeit künftig erforderlich ist.

Diese Zuordnung ist zunächst eine Arbeitshypothese. Sie zeigt, welche Funktionen grundsätzlich benötigt werden könnten. Ob daraus ein eigenständiges Modul, eine integrierte Funktion oder eine Aufgabe eines bestehenden Systems wird, entscheidet erst die Architekturbetrachtung.

Module sind Ordnungsrahmen, keine starren Produktgrenzen

MES-Module helfen, Anforderungen zu strukturieren. Sie sind jedoch keine allgemein verbindlichen Produktgrenzen. Anbieter bündeln Funktionen unterschiedlich. Einige Lösungen sind modular aufgebaut, andere stellen eine durchgängige Plattform mit gemeinsamem Datenmodell bereit.

Für das Lastenheft ist daher eine fachliche Modulstruktur sinnvoll. Sie schafft Übersicht, ohne die spätere technische Umsetzung vorzugeben. Die nachfolgende Struktur bildet die wesentlichen MES-Funktionsbereiche für Produktion, Qualität und Personal ab.

Bereich Produktion

BDE – Betriebsdatenerfassung

Die Betriebsdatenerfassung erfasst und verarbeitet auftragsbezogene Informationen aus der Produktion. Dazu gehören typischerweise Auftragsstart und -ende, Gutmenge, Ausschuss, Nacharbeit, Personalzeiten, Arbeitsgangstatus und Unterbrechungsgründe.

BDE schafft die Verbindung zwischen dem im ERP geplanten Auftrag und der tatsächlichen Ausführung im Shopfloor. Sie liefert damit die Grundlage für Auftragsfortschritt, Nachkalkulation, Terminprognose und Leistungsbewertung.

MDE – Maschinendatenerfassung

Die Maschinendatenerfassung übernimmt automatisch Zustände, Signale, Zähler, Prozesswerte und Störungen von Maschinen und Anlagen. Sie reduziert manuelle Eingaben und erhöht Aktualität und Genauigkeit.

BDE und MDE ergänzen sich. Die Maschine kennt jedoch nicht immer den fachlichen Zusammenhang eines Signals. Deshalb müssen Maschinendaten einem Auftrag, Arbeitsgang, Produkt, Werkzeug oder Mitarbeiter eindeutig zugeordnet werden.

Auftragsfeinplanung

Die Auftragsfeinplanung überführt grobe ERP-Vorgaben in eine umsetzbare Reihenfolge für Maschinen, Linien, Arbeitsplätze und Personal. Sie berücksichtigt verfügbare Kapazitäten, Rüstfolgen, Material, Werkzeuge, Qualifikationen, Schichten und technische Abhängigkeiten.

Der Leitstand beziehungsweise die Planung gehört fachlich zum Bereich Produktion. Seine Qualität hängt wesentlich von aktuellen Rückmeldungen und verlässlichen Stammdaten ab. Eine Feinplanung ohne belastbare Ist-Daten erzeugt lediglich einen schneller aktualisierten, aber weiterhin unsicheren Plan.

DNC / Einstelldaten

DNC und Einstelldatenmanagement stellen Programme, Parameter, Rezepturen und Arbeitsanweisungen versioniert und freigegeben an Maschinen oder Arbeitsplätzen bereit. Ziel ist, dass stets die richtige Version verwendet wird und Änderungen nachvollziehbar bleiben.

Werkzeug- und Ressourcenmanagement

Dieser Funktionsbereich verwaltet Werkzeuge, Vorrichtungen, Formen, Spannmittel und weitere produktionsrelevante Ressourcen. Er unterstützt Verfügbarkeit, Standort, Zustand, Standzeit, Wartung, Reservierung und Zuordnung zu Aufträgen.

Material- und Produktionslogistik / Intralogistik

Die Intralogistik steuert Material- und Behälterbewegungen innerhalb des Werkes. Dazu gehören Bereitstellung, Nachschub, Umlagerung, Transportaufträge, Zwischenlager und die Versorgung von Arbeitsplätzen.

Die Abgrenzung zu ERP und Lagerverwaltung muss besonders sorgfältig erfolgen. Das ERP führt häufig Bestände und kaufmännische Buchungen. Das MES benötigt dagegen den aktuellen, orts- und auftragsbezogenen Materialstatus im Produktionsprozess.

Energiemanagement

Das Energiemanagement erfasst und bewertet Energieverbräuche von Maschinen, Anlagen, Linien, Aufträgen oder Produkten. Es kann Lastspitzen sichtbar machen, Energiekennzahlen bereitstellen und die Zuordnung zu Produktionsmengen unterstützen.

Tracking & Tracing

Tracking & Tracing dokumentiert Herkunft, Verarbeitung und Verwendung von Material, Chargen, Seriennummern und Komponenten. Die Rückverfolgbarkeit muss sowohl vorwärts als auch rückwärts möglich sein.

Die Anforderungen unterscheiden sich stark nach Branche, Produkt und regulatorischem Umfeld. Deshalb sind benötigte Granularität, Aufbewahrungsdauer und Auskunftsgeschwindigkeit früh festzulegen.

Bereich Qualität / CAQ

SPC / Fertigungsbegleitende Prüfung

Die fertigungsbegleitende Prüfung steuert Prüfaufträge, Merkmale, Stichproben, Grenzwerte und Reaktionen während der Produktion. SPC-Funktionen erkennen statistische Veränderungen, bevor ein Prozess dauerhaft außerhalb zulässiger Grenzen läuft.

Wareneingangsprüfung

Die Wareneingangsprüfung bewertet angelieferte Materialien und Teile nach definierten Prüfplänen. Sie unterstützt Prüfentscheidungen, Sperrungen, Freigaben, Lieferantenbewertung und Dokumentation.

Warenausgangsprüfung

Die Warenausgangsprüfung stellt sicher, dass definierte Qualitäts- und Dokumentationsanforderungen vor Auslieferung erfüllt sind. Dazu können Endprüfung, Vollständigkeitskontrolle, Zertifikate und Freigaben gehören.

Reklamationsmanagement

Das Reklamationsmanagement erfasst und bearbeitet interne sowie externe Beanstandungen. Es strukturiert Ursachenanalyse, Sofortmaßnahmen, Korrekturmaßnahmen, Verantwortlichkeiten und Wirksamkeitsprüfung.

Prüfmittelverwaltung

Die Prüfmittelverwaltung überwacht Prüf- und Messmittel, Kalibrierungen, Einsatzfähigkeit, Standorte und Fristen. Nicht freigegebene oder überfällige Prüfmittel dürfen nicht für qualitätsrelevante Prüfungen verwendet werden.

PDV / Prozessdatenprüfung

Die Prozessdatenprüfung überwacht technische Prozesswerte wie Temperatur, Druck, Drehmoment, Geschwindigkeit oder Energieaufnahme. Sie erkennt Abweichungen und verknüpft Prozessdaten mit Auftrag, Produkt, Maschine und Qualitätsentscheidung.

Bereich Personal

PZE – Personalzeiterfassung

Die Personalzeiterfassung dokumentiert Anwesenheit, Abwesenheit, Pausen und Arbeitszeitmodelle. Für MES-Projekte ist zu klären, ob ein vorhandenes HR- oder Zeiterfassungssystem führend bleibt und welche Daten das MES benötigt.

PZW – Personalzeitwirtschaft

Die Personalzeitwirtschaft verarbeitet Zeitkonten, Zuschläge, Schichtmodelle und tarifliche Regeln. Sie liegt häufig außerhalb des MES-Kerns. Dennoch bestehen enge Schnittstellen zu Produktion und Personaleinsatz.

PEP – Personaleinsatzplanung

Die Personaleinsatzplanung gleicht Produktionsbedarf, Schichten, Abwesenheiten, Qualifikationen und gesetzliche Regeln ab. Sie unterstützt die Besetzung von Linien, Maschinen und Arbeitsplätzen.

Leistungslohn

Leistungslohnfunktionen bereiten auftrags-, mengen- oder zeitbezogene Leistungsdaten für Entgeltmodelle auf. Wegen arbeitsrechtlicher, tariflicher und mitbestimmungsrelevanter Auswirkungen müssen Anforderungen besonders sorgfältig abgestimmt werden.

Zutrittskontrolle

Die Zutrittskontrolle regelt räumliche Berechtigungen und protokolliert Zutritte. Schnittstellen zum MES können relevant sein, wenn nur qualifizierte oder autorisierte Personen bestimmte Bereiche, Maschinen oder Prozesse bedienen dürfen.

Nicht jedes Modul muss Bestandteil des MES sein

Das Zielbild muss unterscheiden, welche Funktionen künftig im MES liegen und welche in vorhandenen Systemen verbleiben. Ein Unternehmen kann beispielsweise bereits ein leistungsfähiges CAQ-, Instandhaltungs-, Personalzeit- oder Lagerverwaltungssystem betreiben. Eine Ablösung ist nur sinnvoll, wenn daraus ein klarer fachlicher oder wirtschaftlicher Vorteil entsteht.

Für jeden Funktionsbereich sind vier Grundentscheidungen möglich:

Eine Ablösung darf nicht nur mit dem Wunsch nach weniger Systemen begründet werden. Bestehende Speziallösungen können fachlich deutlich tiefer sein als ein integriertes MES-Modul. Umgekehrt kann eine integrierte Plattform Schnittstellen, Bedienung und Datenkonsistenz erheblich vereinfachen.

Systemgrenzen eindeutig festlegen

In einer MES-Architektur überschneiden sich Funktionen häufig mit ERP, PLM, CAQ, WMS, HR, Instandhaltung, Automatisierung und Business Intelligence. Ohne klare Systemgrenzen entstehen doppelte Datenpflege, widersprüchliche Zustände und unklare Verantwortlichkeiten.

Für jedes Datenobjekt und jeden Prozessschritt sollte deshalb festgelegt werden:

• Welches System ist fachlich führend?
• Wo wird die Information erstmals erzeugt?
• Welche Systeme dürfen sie ändern?
• Welche Systeme erhalten sie nur zur Nutzung oder Anzeige?
• Wann und in welcher Qualität muss sie verfügbar sein?
• Wie werden Fehler, Korrekturen und Wiederholungen behandelt?

Die Zielarchitektur in Schichten beschreiben

Eine verständliche Architektur trennt fachliche Ebenen, ohne sie voneinander zu isolieren. Für die Planung genügt zunächst ein logisches Zielbild. Produktnamen und konkrete Technologien werden erst später ergänzt.

1. Unternehmens- und Planungsebene: ERP, PLM, Einkauf, Vertrieb und übergeordnete Planung.
2. Produktionsmanagementebene: MES-Funktionen für Planung, Steuerung, Datenerfassung, Qualität, Material und Personal.
3. Shopfloor- und Automatisierungsebene: Maschinen, Anlagen, SPS, Sensorik, Prüfmittel, Terminals und mobile Geräte.
4. Daten- und Integrationsschicht: Schnittstellen, Nachrichten, APIs, Datenmodelle, Stammdaten und Ereignisse.
5. Analyse- und Berichtsebene: operative Dashboards, Kennzahlen, BI, Data Warehouse oder Datenplattform.

Die Darstellung sollte nicht nur Systeme zeigen. Ebenso wichtig sind die wichtigsten Datenflüsse, die Richtung der Kommunikation und die führenden Verantwortlichkeiten.

Integration statt isolierter Einzellösung

Ein MES entfaltet seinen Nutzen erst im Zusammenspiel mit den angrenzenden Systemen. Dabei sind technische Schnittstellen nur ein Teil der Integration. Ebenso wichtig sind einheitliche Begriffe, abgestimmte Buchungslogik und klare Prozessverantwortung.

Für jede wesentliche Schnittstelle sollte ein Steckbrief erstellt werden:

• beteiligte Systeme,
• fachlicher Zweck,
• übertragene Datenobjekte und Pflichtfelder,
• Übertragungsrichtung, Ereignis und Frequenz,
• erwartete Aktualität und Datenmenge,
• Fehlerbehandlung und Wiederanlauf,
• Monitoring und Verantwortlichkeit,
• Sicherheits- und Berechtigungsanforderungen.

Cloud, On-Premises oder hybride Architektur

Das Betriebsmodell ist Teil des Zielbildes, sollte aber nicht vorschnell als Glaubensfrage entschieden werden. Maßgeblich sind Anforderungen an Verfügbarkeit, Reaktionszeit, IT-Sicherheit, Datenschutz, Skalierbarkeit, Betriebsverantwortung und Kosten.

Eine hybride Architektur ist im MES-Umfeld häufig sinnvoll. Zeitkritische Erfassung und Maschinenkommunikation bleiben lokal, während zentrale Auswertungen, Stammdienste oder standortübergreifende Funktionen in einer Cloud-Plattform betrieben werden.

Verfügbarkeit und Offline-Fähigkeit planen

Produktionsprozesse dürfen nicht unkontrolliert stillstehen, wenn Netzwerk, Rechenzentrum oder Cloud-Verbindung ausfallen. Deshalb ist zu definieren, welche Funktionen auch bei einer Störung verfügbar bleiben müssen.

Zu klären sind insbesondere:

• Welche Prozesse sind zeitkritisch?
• Wie lange darf eine Funktion ausfallen?
• Welche Daten müssen lokal gepuffert werden?
• Wie erfolgt der Wiederanlauf und die Synchronisation?
• Welche manuellen Notverfahren sind zulässig?
• Wie werden Datenverluste und Doppelbuchungen verhindert?

Die Anforderungen an Verfügbarkeit müssen differenziert werden. Ein Bericht kann möglicherweise mehrere Stunden ausfallen. Die Auftragsfreigabe, Materialprüfung oder Rückverfolgbarkeit kann dagegen unmittelbar produktionskritisch sein.

Ein gemeinsames Datenmodell schaffen

Viele MES-Probleme sind keine Softwareprobleme, sondern Folgen uneinheitlicher Daten und Begriffe. Maschine, Arbeitsplatz, Linie, Auftrag, Arbeitsgang, Material, Charge, Werkzeug und Person müssen eindeutig beschrieben und systemübergreifend zugeordnet werden.

Das Zielbild sollte daher festlegen:

• zentrale Identifikatoren und Nummernkreise,
• Beziehungen zwischen Auftrag, Arbeitsgang, Maschine und Material,
• einheitliche Status- und Störgrundmodelle,
• Zeitsystematik und Schichtkalender,
• Verantwortung für Stammdatenqualität,
• Historisierung und Gültigkeit von Änderungen.

Ein gemeinsames Datenmodell ist die Voraussetzung für belastbare Kennzahlen. Werden beispielsweise Laufzeit, Stillstand, Rüstzeit und ungeplante Unterbrechung unterschiedlich definiert, sind OEE- oder Auslastungsvergleiche zwischen Bereichen nicht aussagekräftig.

Standardisierung und notwendige Varianten ausbalancieren

Bei mehreren Werken oder Produktionsbereichen besteht häufig der Wunsch nach einer einheitlichen MES-Lösung. Standardisierung senkt langfristig Betriebs-, Schulungs- und Integrationsaufwand. Sie darf jedoch reale Prozessunterschiede nicht ignorieren.

Bewährt ist die Trennung in:

• verbindlichen Kernstandard: gemeinsame Datenmodelle, Rollen, Schnittstellen, Grundprozesse und Kennzahlen,
• zulässige Varianten: begründete Unterschiede nach Technologie, Produkt oder regulatorischem Bedarf,
• lokale Ausnahmen: nur nach dokumentierter Prüfung und Freigabe.

Ein Zielbild sollte nicht jede heutige Besonderheit konservieren. Gleichzeitig darf Standardisierung nicht bedeuten, dass fachlich notwendige Unterschiede durch ungeeignete Einheitsprozesse ersetzt werden.

Architekturprinzipien verbindlich festlegen

Neben der Systemzeichnung benötigt das Projekt wenige, aber klare Architekturprinzipien. Sie dienen später als Entscheidungskriterien für Anforderungen, Anbieter und Änderungen.

Beispiele für geeignete Prinzipien sind:

• Stammdaten werden nur in eindeutig festgelegten führenden Systemen gepflegt.
• Standardfunktionen haben Vorrang vor kundenspezifischer Programmierung.
• Schnittstellen müssen dokumentiert, überwacht und wiederanlauffähig sein.
• Shopfloor-kritische Prozesse benötigen ein definiertes Ausfallkonzept.
• Neue Werke und Module müssen ohne grundlegenden Architekturwechsel ergänzt werden können.
• Operative MES-Daten bleiben über definierte Fristen verfügbar und auswertbar.
• Berechtigungen folgen Rollen und Verantwortlichkeiten, nicht Einzelpersonen.
• Änderungen an Datenmodellen und Prozessen werden versioniert und freigegeben.

Das Zielbild anbieterneutral dokumentieren

Eine geeignete Dokumentation besteht nicht aus einer einzigen Grafik. Sie verbindet fachliche, technische und organisatorische Sicht.

Die Dokumentation muss verständlich genug sein, dass Geschäftsführung, Fachbereiche, IT und spätere Anbieter dasselbe Zielbild erkennen. Technische Details gehören dort hinein, wo sie für Machbarkeit, Kosten oder Risiko entscheidend sind.

Das Musterwerk entwickelt sein Zielbild

Ergebnis dieses Arbeitsschrittes

Am Ende der Zielbildentwicklung sollten mindestens folgende Ergebnisse vorliegen:

• eine aus Handlungsfeldern und Zielen abgeleitete Modul- und Funktionslandkarte,
• eine klare Entscheidung zu Einführung, Integration, Ablösung oder späterer Umsetzung je Funktionsbereich,
• eine logische Systemarchitektur mit MES, ERP, Shopfloor und Bestandssystemen,
• definierte führende Systeme und Verantwortlichkeiten für wesentliche Datenobjekte,
• eine Übersicht der notwendigen Schnittstellen und Datenflüsse,
• ein geeignetes Betriebsmodell mit Verfügbarkeits- und Ausfallkonzept,
• verbindliche Architektur- und Standardisierungsprinzipien,
• eine dokumentierte Grundlage für Lastenheft und Einführungsstufen.

Arbeitshilfe: Module und Systemarchitektur prüfen

Übergang zum nächsten Kapitel

Das fachliche und technische Zielbild beschreibt den angestrebten Gesamtzustand. Nicht alle Funktionen müssen jedoch gleichzeitig eingeführt werden. Im nächsten Kapitel wird der Zielumfang deshalb in wirtschaftlich und organisatorisch sinnvolle Einführungsstufen gegliedert.