Manufacturing Execution Systeme (MES) sind heute unerlässlich, weil sie eine konsistente Steuerung und Nachverfolgung des gesamten Produktionsprozesses ermöglichen. Dieser steht und fällt mit der Verfügbarkeit der dafür eingesetzten IT-Systeme. Die meisten Lösungen entsprechen jedoch nicht den hohen Anforderungen, die MES stellen.
MES (Manufacturing Execution Systeme) haben sich in den letzten Jahren zum Rückgrat der industriellen Produktionssysteme entwickelt. Sie steuern den Gesamtprozess der Produktion über die einzelnen Produktionskomponenten und den Materialfluss, so dass auch Qualitäts- oder Zeitprobleme rechtzeitig erkannt werden können. Durch den Einsatz eines MES lassen sich Abweichungen von Soll-Werten, die während der Produktion auftreten, direkt aus einem zentralen Monitoring lokalisieren. So werden nicht nur unmittelbar Fehlerzeiten verkürzt, auf dieser Grundlage werden auch Ursachen der Fehler systematisch analysiert und dokumentiert, so dass die langwierige und teure Fehlersuche nach der Produktion überflüssig wird.
Allerdings hat die Sache einen Haken: In dieser zentralen Stellung bilden MES zugleich einen Flaschenhals – der gesamte Produktionsbetrieb ist nun von der Verfügbarkeit der MES-Schicht abhängig. Treten hier Ausfälle auf, so treffen sie nicht nur einzelne Produktionsschritte, die sich notfalls ad hoc überbrücken ließen, sondern den Gesamtprozess. Fast noch unangenehmer ist es, wenn die Produktion zwar weiterläuft, aber wegen einer MES-Störung keine Traceability mehr gegeben ist. Bauteile werden dann womöglich ohne Fehl und Tadel produziert, müssen aber mangels Dokumentation entsorgt werden. Unternehmen, die sich auf eine MES verlassen, können damit zwar die Produktivität ihres Produktionsprozesses deutlich steigern, sie handeln sich aber damit einen gefährlichen „Single Point of Failure“ ein.
Verfügbarkeit für MES
Erstaunlicherweise haben viele Unternehmen hinsichtlich der Folgen solcher Störungen keine genauen Vorstellungen. Viele wähnen sich auf der sicheren Seite, wenn ihnen IT-Experten für die MES-Systeme eine mittlere Verfügbarkeit von 99,5 oder 99,9 Prozent zusichern. Das klingt nach mehr als es ist, denn im 7 mal 24 Stunden Dauerbertrieb entsprechen 99,5 Prozent Verfügbarkeit einem System-Stillstand von 43,8 Stunden pro Jahr; das reicht aus um einen Mittelständler, der Just-in-Time liefern muss, zu ruinieren. Sogar 99,9 Prozent bedeuten immer noch, dass die Anlagen ungeplant für 8,8 Stunden stehen.
Ausfallzeiten lassen sich schnell in Euro umrechnen: So schätzte der Bostoner Marktforscher Standish Group die Kosten eines IT-Ausfalls in der Produktion auf 5.000 bis 10.000 Dollar – pro Minute. Bei einem Verfügbarkeitsniveau von 99,95 Prozent riskiert ein Unternehmen also rein statistisch im Jahr schon mal rund 2,6 Millionen Dollar und selbst bei 99,99 Prozent schlagen in dieser Modellrechnung die Kosten noch mit einer viertel bis halben Million Dollar zu Buche.
Die meisten Unternehmen haben für die Verfügbarkeit durchaus Vorkehrungen getroffen. Die dafür verwendeten Technologien entsprechen jedoch häufig nicht den hohen Anforderungen, die sie selbst an ihre MES-Systeme stellen.
Stand-By-Systeme: In der einfachsten Lösung werden zwei oder mehrere Rechner vorgehalten, die bei Ausfällen wechselseitig die laufenden Prozesse übernehmen. Umschalten und Übergabe der Prozesse müssen jedoch initiiert werden, was einige Zeit erfordert. Laufende Transaktionen werden unterbrochen und müssen neu gestartet werden, wobei die Konsistenz der Daten und Transaktionen separat gesichert werden muss. Daher muss beispielsweise die Traceability im Produktionsprozess nach einer Störung erst wieder hergestellt werden.
Mit dieser Technik ist eine Verfügbarkeit von etwa 99,5 Prozent erreichbar. Für kritische Prozesse im MES-Umfeld wird diese Lösung in der Regel also nicht ausreichend sein.
Cluster-Systeme: Am häufigsten werden in der Industrie für die Sicherstellung einer hohen Verfügbarkeit mittlerweile Server-Cluster verwendet. Dabei arbeiten mehrere redundante Server permanent im Hintergrund, im Störfall wird automatisch auf den Reserve-Server umgeschaltet. Das Verlagern des Workload innerhalb des Clusters im Störungsfall benötigt jedoch Zeit – je nach Anwendung bis zu einer halben Stunde, so dass ein wirklich kontinuierlicher Betrieb auf diese Weise nicht möglich ist. Zwar kann ein Cluster nach dem Störfall die unterbrochenen Prozesse wieder aufnehmen, die Daten im Arbeitsspeicher sind jedoch verloren. Ein Cluster kann also auch keine volle Datenintegrität gewährleisten. Für den Einsatz in einem hoch-kritischen Produktionsumfeld bedeutet dies, dass auch Cluster ein nicht unerhebliches Restrisiko beinhalten.
Cluster erreichen eine Verfügbarkeit von 99,9 bis 99,95 Prozent, was einer durchschnittlichen ungeplanten Downtime von bis zu vier Stunden pro Jahr entspricht. Allerdings erfordern Cluster einen hohen Aufwand bei der Implementierung und im Betrieb. Außerdem müssen Applikationen für den Einsatz im Cluster angepasst sein – es bringt nichts, eine herkömmliche Applikation einfach unverändert in einem Cluster laufen zu lassen.
Fehlertolerante Server: Im Unterschied zu Clustern werden hier nicht separate redundante Server zusammengeschaltet, sondern – eine Ebene tiefer – in einem Server redundante Hardware-Komponenten verwendet, so dass dieser für Anwender und Anwendungssoftware immer wie ein einziges System erscheint. Bei den fehlertoleranten Stratus-Servern sind alle betriebswichtigen Komponenten, also insbesondere Prozessoren, Speicher-Chips und I/O-Einheiten, doppelt vorhanden. Alle Prozesse des Servers werden ständig simultan ausgeführt. Sollte eine Komponente ausfallen, führt die jeweilige Partner-Komponente automatisch und vom Benutzer unbemerkt den Betrieb weiter. Die Anwendung kann somit bei jedweder Störung ohne RAM-Verlust, ohne Datenverlust oder Verlust des Status kontinuierlich weitergeführt werden. Für die Fortführung des Betriebs ist sogar keinerlei Eingriff seitens eines Administrators erforderlich.
Fehlertolerante Server erreichen heute eine Verfügbarkeit von bis zu 99,9999 Prozent, was einer ungeplanten Ausfallzeit von etwa einer halben Minute pro Jahr entspricht, also echte Zero Latency. Dies liegt nicht nur deutlich über der von Cluster-Systemen, sondern übertrifft auch die Verfügbarkeit der meisten Großrechner und Unix-Systeme. Dennoch können vorhandene Windows-Applikationen, also beispielsweise MES- oder ERP-Lösungen, ohne Anpassung verwendet werden.
Virtualisierung: Auch mit der Virtualisierungs-Technologie lässt sich die Verfügbarkeit von Server-Systemen im Produktionsumfeld deutlich steigern. Während herkömmliche Virtualisierungssysteme das Risiko durch Konzentration der IT in einem einzigen physischen Server sogar noch erhöhen, verbindet die Software-Lösung Stratus Avance Hochverfügbarkeit und Virtualisierung. Dabei werden zwei handelsübliche x86-Server verbunden und durch Avance permanent überwacht und synchronisiert. Beim Ausfall eines Servers kann der jeweils andere den Betrieb automatisch übernehmen. Die Lösung erreicht eine Verfügbarkeit von mehr als 99,99 Prozent. Im Unterschied zu Cluster-Lösungen muss hier jedoch nichts konfiguriert oder angepasst werden.
Das System ist einfach zu administrieren und lässt sich über eine einzige Management-Konsole steuern. IT-Personal kann die virtuellen Maschinen, die physikalischen x86-Server und Netzwerkschnittstellen aus der Ferne überwachen und verwalten. Damit eignet sich Avance auch für den Einsatz in Produktionsstätten ohne Fachpersonal vor Ort. Und: die Lösung kostet deutlich weniger als Cluster-Systeme.
Fazit
Hochverfügbarkeit für MES ist heute also auch keine Budgetfrage mehr, erst recht nicht vor dem Hintergrund der gesamten Investitionen, die Unternehmen für Produktionsanlagen aufbringen müssen. Keine Hochverfügbarkeit – das kann zu einer Budgetfrage werden.
Stratus Technologies, Eschborn/Tx www.de.stratus.com
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