Aktuální vydání

celé číslo

01

2024

Automatizace skladování, logistiky a manipulace s materiálem

Programovatelné automaty, průmyslové počítače, jednotky I/O, bezpečnostní systémy

celé číslo

MES – budoucnost průmyslové výroby

číslo 10/2004

MES – budoucnost průmyslové výroby

Odpovědí na potřebu pružných a transparentních výrobních procesů vyhovujících regulatorním požadavkům a fungujícím jako součást rozsáhlých dodavatelských řetězců byl zrod systémů typu MES (Manufacturing Execution System, popř. Manufacturing Execution Systems). Protože význam těchto systémů v současném podnikatelském prostředí stále roste, uskutečnila poradenská společnost Frost & Sullivan (http://www.frost.com) v první polovině roku 2004 průzkum trhu v této oblasti softwaru pro průmyslovou automatizaci. Zevrubná analýza s názvem World Manufacturing Execution Systems Software Markets, zpracovaná na základě tohoto průzkumu, je zájemcům nabízena ke koupi od července 2004. Volně přístupná je její část [1], ze které jsou v dalším textu uvedeny některé hlavní údaje, postřehy a závěry.

Vývoj konceptu MES

Myšlenka využít počítačové systémy k podpoře výrobních činností se objevila na počátku 80. let dvacátého století. Nejprve se používal název Computer Integrated Manufacturing (CIM), od kterého se, s rostoucí šíří záběru těchto systémů a zahájením dodávek komerčních produktů, přešlo k označení MES (česky asi nejvýstižněji výrobní informační systémy – pozn. red.).

Definice MES se liší podle odvětví a někdy i osobního přístupu jednotlivých pracovníků. Většina se nicméně shoduje na tom, že MES zajišťuje spojení mezi událostmi řízenými systémy řídícími v reálném čase technologická (výrobní) zařízení a nad nimi se nacházejícími podnikovými informačními systémy typu tzv. Enterprise Resource Planning (ERP), které zajišťují operace transakční povahy. Označení MES má tedy v současné době široký význam souhrnného názvu používaného pro softwarové systémy, které sbírají a uspořádávají v reálném čase údaje z výroby a zpřístupňují je informačním systémům na úrovni podniku.

Na MES, schopné shromažďovat ohromné objemy údajů o výrobě, se pozornost soustředila především s cílem zajistit životně důležité spojení mezi výrobou a podnikovými informačními systémy. Výrobci vždy chtěli mít z úrovně řízení podniku přístup k aktuálním údajům z výroby. Tomuto požadavku dříve nebylo možné vyhovět: výrobní údaje, generované na úrovni technologických zařízení a spravované prostřednictvím dohlížecích systémů typu SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), se do podnikových systémů (ERP apod.) prostě nedostávaly. Potřeba vyplnit mezeru mezi výrobními a podnikovými informačními systémy byla s postupem doby stále zřejmější.

Přechod letopočtu přes rok 2000 přinesl prudký vzestup zájmu o fungování podnikových informačních systémů (tzv. problém Y2K) a organizace vesměs vynaložily na jejich údržbu a další rozvoj značné prostředky. Systémy typu ERP se svými finančními a obchodními nástroji staly skutečně platnými pomocníky vedoucích pracovníků podniku. Vedoucí pracovníci výrobních úseků, kteří musí také dělat zásadní rozhodnutí, se ale na podnikové systémy nadále nemohli spoléhat. Chyběla v nich některá důležitá výrobní data potřebná k efektivnímu rozhodování. Výrobní informační systémy však, ač v podnicích jako rozhraní mezi výrobou a ERP existovaly od konce 80. let minulého století, zůstaly v podstatě nepovšimnuty. Ve snaze lépe využít existující data se systémy ERP v poslední době snaží „dosáhnout„ dolů na úroveň výroby. Důkazem toho jsou nedávné akvizice firem specializovaných na oblast MES většími aktéry v oblasti systémů ERP.

Většina firem nabízejících MES ve svých řešeních vychází z rámce vytyčeného organizací MESA (Manufacturing Enterprise Solutions Association). Podle její širší definice je úkolem MES optimalizovat výrobní činnosti na základě vždy nejnovějších a bezchybných údajů. V tomto pojetí MES především sbírá údaje o událostech v závodě nebo provozu (jak a kdy k nim došlo). Současně sjednocuje plánovací a řídicí funkce, vývoj, výrobu, prodej a služby zákazníkům a tak přispívá k větší účinnosti probíhajících procesů. Kritickými funkcemi MES podle modelu MESA jsou:

  • provozní a podrobné rozvrhování výroby,
  • prokazatelné sledování průchodu výrobku výrobním procesem,
  • správa výrobního procesu,
  • provádění výrobních příkazů,
  • analýza výkonnosti,
  • sběr a shromažďování dat,
  • sledování stavu a přidělování zdrojů.

Do podnikového informačního systému lze MES začlenit prostřednictvím správy uvedených hlavních činností a cíle MES se také nejlépe dosahuje při jeho integraci s podnikovou úrovní, tj. systémy ERP. Systém MES pak funguje jako spojení mezi událostmi probíhajícími v reálném čase při výrobě a rozhodovacími procesy na úrovni vedení podniku. Společnosti, především ty se šaržovou výrobou, se v tomto směru začaly přizpůsobovat požadavkům normy známé jako ISA S95. Tu společně zpracovaly normalizační institut USA (American National Standards Institute – ANSI) a zájmová organizace Instrumentation, Systems, and Automation Society (ISA).

Za součást závodu či provozu začal být MES považován teprve v posledních několika málo letech minulého století. Do té doby se na něj vždy pohlíželo jen jako na rozhraní se systémem řízení podniku. Význam, který pro ně má existence vrstvy MES v podniku, si společnosti začaly uvědomovat teprve nedávno. Aby mohli těžit z přínosů, které plynou z jejího fungování, většina výrobců se rozhoduje vrstvu MES do své struktury přidat. Protože dodavatelé softwaru se před rokem 2000 pokoušeli vyvinout různé modely MES v rámci jiné hlavní činnosti, věnuje se nyní výhradně tomuto druhu softwaru jen poměrně malý počet firem.

Budoucnost má transparentní výroba

S tím, jak většina výrobních firem hledá způsob, jak dosáhnout transparentnosti svých výrobních procesů, je zřejmé, že se potřebují dostat k údajům z výrobního prostředí. Bez toho je obtížné přijímat včas správná podnikatelská rozhodnutí týkající se výroby. V současných podmínkách globalizace a stále agresivnější konkurence potřebují společnosti mít co nejlepší přístup k údajům o výrobě. Již nyní je nutné sledovat celý dodavatelský řetězec, zejména z důvodu neustálého růstu výrobních nákladů. Přeměna surovin v konečný produkt se vlivem současných ekonomických podmínek globalizuje: např. výrobce automobilů v Severní Americe pravděpodobně spolupracuje s dodavateli ze všech koutů světa. K tomu, aby získal informace o procesech probíhající u svého subdodavatele třeba v Číně, potřebuje tento výrobce automatizovaný systém, který mu může poskytnout právě v daný okamžik potřebný, velmi důležitý údaj. I když by se konečný výrobce mohl o dostupnosti daného dílu přesvědčit poté, co ho subdodavatel vyrobí, je z jeho pohledu nutné mít možnost informovat se o skutečném průběhu výrobního procesu u subdodavatele. Tyto informace mu pomohou zajistit hladký chod montážních linek a včasné dodání objednaných automobilů zákazníkům.

Řešení typu MES typicky zajišťují přístup k výrobním údajům s cílem umožnit vedoucím pracovníkům informovaně rozhodovat. První jejich projekty v 80. letech dvacátého století byly vedeny představou, že MES zajistí hladký tok informací z výroby k vrcholovému vedení. Tento koncept spojení výroby s rozhodovací úrovní podniku sice byl dobře znám firmám, které již úspěšně automatizovaly své výrobní linky, avšak proces integrace se ve skutečnosti ukázal být mnohem složitější. Ústřední myšlenku pohledu na MES jako nástroj k prohlížení a používání údajů nashromážděných z výroby v podnikovém informačním systému v její původní podobě výrobci nepřijali a posléze se prosadil pohled na MES jako na nástroj, který umožňuje najít takový způsob výroby produktů, který vyhovuje potřebám výrobce i jeho zákazníků.

Podstatné je, že podnikový informační systém se snaží vytvořit jedinou společnou základnu pro jednotlivé obchodní procesy probíhající v podniku a umožnit tak finančním manažerům daleko podrobněji sledovat a přesněji řídit procesy, za které zodpovídají. Podnikový informační systém je tedy vždy zaměřen na maximální využití především nástrojů finančního řízení a nikoliv informací o výrobě. Je nástrojem v rukou finančních manažerů a nikoliv těch, kdo řídí výrobu. Jeho funkce jsou rozvíjeny s ohledem na potřeby finančního řízení podniku. Tok dat v podnikovém systému často neodráží dosti přesně to, co se děje „dole„ ve výrobě. Poskytuje manažerům ve své podstatě neúplné informace o vyrobeném produktu vlastně v podobě rozpisky materiálu.

Velká část údajů dostupných na úrovni výroby – tj. generovaných provozními zařízeními a spravovaných dohlížecími a řídicími systémy typu SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) – se do podnikových informačních systémů běžně nedostává. Podnikový systém, nacházející se na vyšší úrovni, není sám schopen řídit výrobní proces ze širokého pohledu zahrnujícího celý podnik.

Výrobní procesy vyžadují, aby v podniku existoval systém zajišťující jejich odpovídající reakci v prostředí charakteristickém současně růstem rozmanitosti výrobků i množstvím regulatorních požadavků. Takovým systémem, který na úrovni provozu zajišťuje činnosti jako rozvrhování výroby, sledování cesty výrobku výrobním procesem a správu výrobních procesů – a může tudíž snadno sbírat potřebné údaje a posílat je do podnikového systému – je právě MES. A protože výrobní odvětví jsou vedle ekonomických vlivů stále více sešněrovávána regulatorními požadavky, stává se pro ně zavádění MES vesměs příští etapou jejich automatizace.

Hlavní poznatky z průzkumu

Předmětem zmíněného průzkumu byl současný stav na světovém trhu s MES a jeho trendy, tj. identifikace současných a potenciálních uživatelů i dodavatelů MES, předpověď odbytu podle postavení dodavatelů na trhu, odvětví a zeměpisné polohy, dále síly působící na trhu, rýsující se příležitosti k růstu i hrozby a omezení apod.

Průzkum byl omezen na MES nabízené na trhu se softwarem a službami, jenž je rozdělen do kategorií podle odvětví s převládajícími spojitými nebo nespojitými výrobními procesy. Hardwaru pro MES se, pro jeho přílišnou rozmanitost a složitost pokud jde o kategorizaci apod., průzkum netýkal (což mj. dokládá primární význam softwaru pro moderní průmysl a odsun hardwaru v podstatě mezi komodity – pozn. aut.). Dále byl průzkum omezen pouze na produkty nabízené dodavateli specializovanými na MES, tj. s vyloučením produktů a řešení nabízených dodavateli podnikových informačních systémů.

Očekávaný vývoj: růst
Dobrou zprávou pro dodavatele MES je, že obrat na celosvětovém trhu s MES v letech 2003 až 2010 poroste. Jak vyplývá z předpovědí uvedených v tab. 1 a tab. 2, půjde celkem o růst z asi 1,3 miliardy USD v roce 2003 na téměř 2,5 miliardy USD v roce 2010.

Tab. 1. Současný stav a očekávaný vývoj na světovém trhu s MES pro odvětví se spojitou výrobou v letech 2003 až 2010 (zdroj: Frost & Sullivan)

Odvětví průmyslu Obrat v roce 2003 (mil. USD) Očekávaný střední meziroční růst (%) Očekávaný obrat v roce 2010 (mil. USD)
odvětví se spojitou výrobou celkem 901,0 10,9 1853,3
farmaceutický průmysl 227,7 13,6 556,4
potravinářství a výroba nápojů 155,4 11,5 332,0
těžba a zpracování ropy a zemního plynu 142,2 10,6 287,3
chemický průmysl 172,8 11,9 380,0
papírenský průmysl 83,5 6,9 133,0
všeobecná spojitá výroba a ostatní 119,4 4,7 164,7

V odvětvích s převažujícími spojitými výrobními procesy (tab. 1) bude hlavním motorem růstu pokračující vzestup poptávky po automatizovaných systémech ze strany výrobců léčiv, potravin a nápojů a podniků chemického a petrochemického průmyslu. Významnou roli zde bude hrát dosavadní trend, podle kterého se uživatelé v těchto odvětvích při řešení úloh spjatých s regulatorními požadavky stále častěji uchylují k použití MES.

Pokud jde o odvětví s převažující nespojitou výrobou, naváže budoucí růst na dosavadní dodávky automatizovaných výrobních systémů zejména pro výrobu automobilů a dále letadel a zbraní, elektroniky a lékařské techniky (tab. 2). Výrazný vliv zde opět bude mít potřeba výrobců vyrovnat se s regulatorními požadavky.

Tab. 2. Současný stav a očekávaný vývoj na světovém trhu s MES pro odvětví s nespojitou výrobou v letech 2003 až 2010 („ostatní ” zahrnuje zpracování odpadních vod, těžbu kovů a surovin, železárny a infrastrukturu; zdroj: Frost & Sullivan)

Odvětví průmyslu Obrat v roce 2003 (mil. USD) Očekávaný střední meziroční růst (%) Očekávaný obrat v roce 2010 (mil. USD)
odvětví s nespojitou výrobou celkem 398,0 7,3 642,6
automobilový průmysl 100,2 10,2 197,8
letecký a zbrojní průmysl 61,4 6,9 98,0
výroba polovodičů 52,7 6,8 83,7
výroba elektronických zařízení 56,9 6,7 89,8
výroba lékařské techniky 52,4 7,2 85,5
všeobecná nespojitá výroba a ostatní 74,4 4,7 97,7

Geografické rozdělení
Růst zájmu o MES lze z celosvětového pohledu přisuzovat oživení ve výrobních odvětvích v Severní Americe a v Evropě. Přenos výrobních činností ze zemí s vyspělým průmyslem do míst s malými náklady na pracovní sílu v Asii a Tichomoří má za následek poptávku po řešeních MES v těchto východní oblastech, od kterých se také čekává, že budou ve zbytku současné dekády hlavním „tahounem„ trhu s MES.

Analýza konkurenceschopnosti
Celkem nabízí MES v celém světě asi 70 firem. Ty lze rozdělit v zásadě do tří skupin, resp. vrstev, obvykle označovaných číslicemi 1 až 3.

Ve vrstvě 1 si navzájem konkurují zpravidla nadnárodní společnosti působící v globálním měřítku. Tyto společnosti obvykle dodávají výrobním firmám úplné integrované automatizační systémy a často vytvářejí společenství či vstupují v partnerské vztahy s místními konečnými uživateli. Dodavatelé z této vrstvy jsou schopni dodat automatizační řešení tzv. na klíč, tj. včetně snímačů, akčních členů i pohonů, řídicích systémů a podnikových informačních systémů. Většinu dodávek realizují formou přímého prodeje. Mezi velké společnosti z vrstvy 1 patří firmy jako ABB, Aspen Tech, Emerson Process Management, GE Fanuc, Honeywell, Invensys, Rockwell a Siemens.

Společnosti z vrstvy 2 nabízejí na regionálních trzích různá specializovaná řešení. Mají pracovní partnerské vztahy s dodavateli automatizační techniky či podnikových informačních systémů. Většinou dobře znají určité výrobní obory, v nichž také mají v oblasti MES významné reference. Velkou část řešení dodávají prostřednictvím distributorů a dealerů. Typickými společnostmi z vrstvy 2 jsou např. Industri-Matematik, TietoEnator Majiq, Applied Materials a Lilly Software.

Vrstvu 3 tvoří malé firmy působící místně a na dílčích trzích. Soustřeďují se jen na určitá vybraná odvětví a mají zavedené partnerské vztahy při nabídce sahající od dodávek řešení až třeba po pouhou konzultační činnost. Většina z nich se věnuje MES pro spojitou výrobu. Řešení, která nabízejí, jsou obvykle nákladově efektivní a snadno konfigurovatelná. Soustřeďují se na dodávky menším společnostem s ročním obratem do 100 milionů USD. Většinou jde o dodavatele specializující se pouze na MES. K významným společnostem z vrstvy 3 patří např. firmy Datasweep, Camstar, Visiprise, Eyelit Corporation, iBASEt, HMS Software, PTC a Apriso.

Pod tlakem zadání jednotlivých projektů se firmy obvykle spojují do účelových konsorcií. S cílem získat dodávku projektu „na klíč„ např. podají společnou nabídku. Konsorcium by v tomto případě mohlo sdružovat softwarové poradenské firmy, dodavatele softwaru, dodavatele hardwaru a integrátory systémů. Do konsorcií především vstupují velcí dodavatelé, kteří jen nesnadno mohou najít samostatný projekt týkající se výhradně řešení v oblasti MES. Celosvětová konkurence je tvrdá a tlak na ziskové marže stále silnější.

Závěry a doporučení
Výrobní prostředí se ve většině odvětví průmyslu vyvíjí směrem charakteristickým růstem různorodosti výrobků v kombinaci s takovými požadavky jako zkrácení výrobních a dodacích lhůt, zlepšení kvality, snižování nákladů a obecně dosažení co nejlepší odezvy na požadavky zákazníků. Větší různorodost výrobků vede k růstu složitosti výrobních systémů a tím i složitosti úloh spjatých s plánováním, rozvrhováním i vlastním řízením výrobních činností. Stav schopnosti efektivně rozhodovat je stále kritičtější na všech úrovních podniku i napříč všemi výrobními procesy, a tak zásadně roste závislost na údajích z výroby. K efektivnímu řízení dění v závodě je nutná rychlá odezva při změně podmínek, a to včetně věnování patřičné pozornosti útlumu méně produktivních činností.

Samotné podnikové informační systémy (ERP) neposkytují ve výrobní sféře to, co je očekáváno. Optimalizovat výrobní činnosti od přijetí objednávky po expedici zboží umožňují výrobní informační systémy (MES) ve spolupráci se systémy ERP. S použitím aktuálních a správných údajů MES vybírá výrobní činnosti, spouští je a reaguje na jejich stav a informuje o tom, jak skutečně probíhají. Umožňuje tak zkrátit dobu návratnosti vynaložených prostředků, dodací lhůty a dobu obratu zásob, zvýšit hrubý zisk a dosáhnout výhodnějšího toku peněz. Protože komunikuje směrem k výrobě i navenek, je MES současně zdrojem kritických informací o výrobních činnostech ve vlastním podniku i v dodavatelském řetězci.

Zároveň jsou, pod hrozbou teroristických útoků, v mnoha oblastech průmyslu přijímána k již existujícím také nová regulatorní opatření. Úřad pro potraviny a léčiva USA (U. S. Food and Drug Administration – FDA) např. dosavadními (FDA 21 CFR Part 11) i novými zákonnými normami (např. Food Bio-terrorism Act) upravuje podmínky, za jakých mohou např. výrobci nejen farmak a lékařské techniky, ale i potravin uchovávat kritické výrobní údaje v elektronické formě a může od nich požadovat zprávy o výrobě. Obdobně jiná norma (The Sarbalenes Oxley Act) vyžaduje povinný audit výpočetních systémů pořizujících a uchovávajících data týkající se výroby. S přenášením výrobních činností do levných oblastí např. v Asii a Tichomoří přitom vzniká potřeba webových systémů, které by umožnily odtamtud získávat odpovídající informace o výrobních procesech apod. Firmy si tedy mohou reálně spočítat přínosy plynoucí z ukládání údajů o výrobě v reálném čase. A MES je pro ukládání takových kritických dat ideálním prostředkem.

Výrobní informační systémy jsou tedy, jak je patrné, základní komponentou výrobních procesů probíhajících v současném konkurenčním podnikatelském prostředí, jež vyžaduje stále větší výkonnost a efektivitu výroby. Rozhodně nyní představují velmi slibný krok na cestě k „inteligentnímu závodu„. Proto také počet výrobců, kteří se MES ve svých podnicích rozhodli zavést a těžit z výhod, které poskytují, stále roste.

Pokud jde o dodavatele MES, mají na světovém trhu největší podíl ti z vrstvy 1. Jejich dominantní postavení však začíná být ohrožováno nabídkou pokrokových produktů od dodavatelů MES z vrstvy 2, kteří se zaměřují na dílčí trhy v odvětvích s nespojitou výrobou. Do tohoto segmentu trhu se ovšem současně snaží dostat také v něm již zavedení dodavatelé systémů ERP, kteří začínají nabízet MES jako přidanou hodnotu ke svým systémům. Pro konečné uživatele může být využití rozšířené nabídky dodavatele systému ERP výhodné – přinejmenším mají vše z jednoho zdroje.

Dodavatelům specializovaným čistě na MES se za této situace doporučuje, aby ve svých nabídkách ukázali svou schopnost realizovat řízení v reálném čase, v každodenním provozu, které systémy ERP nejsou schopny zajistit. Dále tito specialisté musí na modelech prokázat potenciál úspory nákladů a dobu návratnosti investic do jimi navrhovaných řešení. Mají na vybranou: buď se spojit s většími dodavateli, nebo přeměnit své produkty z podoby ryzího softwaru a učinit z nich nástroje na podporu podnikání a také je tak prezentovat. Pro výrobce hledající kompletní hotová automatizační řešení se musejí stát tím, kdo jim je „z jednoho místa„ dodá. A pokud chce uživatel ušetřit tím, že si MES vybuduje vlastními silami, musí dodavatel MES zdůraznit přínos své nabídky, která se opírá o zkušenosti a reference v daném odvětví a může vhodně doplnit uživatelovy vnitřní řešitelské kapacity.

Literatura:

[1] World Manufacturing Execution Systems Software Markets, A634-1: Executive Summary. Frost & Sullivan, 2004.

(sk)

Inzerce zpět