Fertigungssteuerung: Definition, Aufgaben und MES

Was ist Fertigungssteuerung?

Fertigungssteuerung ist die operative Lenkung von Fertigungsaufträgen durch die Produktion. Sie beginnt dort, wo die Planung endet: Ein Auftrag ist geplant, das Material ist verfügbar, die Kapazität ist vorgesehen. Ab jetzt übernimmt die Fertigungssteuerung. Sie entscheidet, wann ein Auftrag an welcher Maschine gestartet wird, in welcher Reihenfolge die Aufträge abgearbeitet werden, wie auf Störungen reagiert wird und wann ein Auftrag als abgeschlossen gemeldet wird.

In der diskreten Fertigung bedeutet das konkret: Welcher Fertigungsauftrag wird als nächstes auf der Spritzgussmaschine eingelastet? Wie wird die Reihenfolge angepasst, wenn Maschine 3 ungeplant ausfällt? Wann wird der Rüstvorgang ausgelöst, und wie wird sichergestellt, dass die richtige Werkzeugkombination eingesetzt wird?

Die Fertigungssteuerung ist keine Planung. Die Produktionsplanung bestimmt, was in welcher Menge und in welchem Zeitraum produziert werden soll. Die Fertigungssteuerung bestimmt, wie und in welcher Reihenfolge die geplanten Aufträge tatsächlich durch die Maschinen laufen. Die Planung arbeitet mit Tagen und Wochen, die Steuerung mit Minuten und Schichten.

Das Ziel beschreibt das REFA-Lexikon so: kurze Auftragsdurchlaufzeiten und möglichst wenig Maschinenstillstand, also eine höhere Gesamtanlageneffektivität. Gesteuert wird entweder zentral von einem Leitstand aus oder dezentral, dann nach dem Push- oder dem Pull-Prinzip.

Fertigungsplanung und Fertigungssteuerung: Was ist der Unterschied?

Der Begriff Fertigungsplanung hat zwei Bedeutungen. Im engeren Sinn ist er ein anderes Wort für die Arbeitsplanung: alle einmaligen Maßnahmen, mit denen Arbeitssysteme und Arbeitsabläufe gestaltet werden, bevor gefertigt wird. Im Alltag ist oft die Produktionsplanung gemeint, also die Frage, welcher Auftrag bis wann in welcher Menge gefertigt wird. Die Fertigungssteuerung setzt beides voraus.

Für den Alltag in der Fertigung entscheidend ist der Übergang von der zweiten zur dritten Spalte: Die Planung legt Menge und Termin fest, die Steuerung setzt beides an der Maschine um. Welche Systeme welche Aufgabe übernehmen, zeigt der nächste Abschnitt.

Planung vs. Steuerung: Wo endet das ERP, wo beginnt das MES?

Die häufigste Fehleinschätzung in der Praxis: Das ERP steuert die Fertigung. Das ERP plant die Fertigung. Es erstellt Fertigungsaufträge, disponiert Material und berechnet Kapazitätsbedarfe. Aber es weiß nicht, was auf dem Shopfloor gerade passiert. Es weiß nicht, dass Maschine 7 seit 40 Minuten steht, dass der Rüstvorgang auf Linie 3 länger dauert als geplant oder dass der aktuelle Auftrag 12 % mehr Ausschuss produziert als erwartet.

Die Fertigungssteuerung im MES schließt diese Lücke. Sie nimmt die geplanten Aufträge aus dem ERP entgegen und steuert sie in Echtzeit durch die Maschinen:

Ein ERP, das den Auftrag am Schichtende zurückgemeldet bekommt, arbeitet mit 8 Stunden alten Daten. Eine Fertigungssteuerung, die den Auftrag pro Takt überwacht, arbeitet mit Daten, die Sekunden alt sind. Das ist der Unterschied zwischen Planung und Steuerung.

Das deckt sich mit der klassischen Einteilung: Im Gabler Wirtschaftslexikon ist die Produktionssteuerung die letzte Ebene eines PPS-Systems und besteht aus Auftragsfreigabe, Maschinenbelegung mit Feinterminierung und Betriebsdatenerfassung. Diese Ebene ist das Arbeitsfeld eines MES; die Richtlinie VDI 5600 beschreibt MES, im Deutschen Fertigungsmanagementsysteme, anhand ihrer Aufgaben.

Die fünf Kernaufgaben der Fertigungssteuerung

Am anspruchsvollsten ist Aufgabe 4, die Störungsreaktion. Solange alles nach Plan läuft, funktioniert jede Steuerung. Die Frage ist: Was passiert, wenn der Plan nicht mehr stimmt? Ohne Echtzeit-Daten über den Maschinenstatus erfährt die Steuerung erst verspätet, dass ein Problem vorliegt. Und ohne einen digitalen Überblick über alle Maschinen gleichzeitig kann sie nicht entscheiden, wohin der Auftrag umgeleitet werden soll.

Für die ersten beiden Aufgaben, Auftragsfreigabe und Reihenfolgebildung, gibt es eigene Verfahren. Sie entscheiden, wie viel Arbeit gleichzeitig in der Fertigung ist und in welcher Reihenfolge sie abgearbeitet wird.

Verfahren der Auftragsfreigabe und Reihenfolgebildung

Wer Aufträge zu früh freigibt, füllt die Fertigung mit Beständen: Aufträge warten vor den Maschinen, die Durchlaufzeit steigt. Wer sie zu spät freigibt, lässt Maschinen leer laufen. Den Zusammenhang beschreibt das Gesetz von Little, auf das sich auch das REFA-Lexikon beim ConWIP-Verfahren stützt: Bei gleichem Durchsatz steigt die mittlere Durchlaufzeit mit dem Bestand in der Fertigung. Vier Verfahren im Überblick:

Die ersten drei Verfahren regeln, wie viel Arbeit in die Fertigung gelangt. Prioritätsregeln entscheiden, was an der einzelnen Maschine als Nächstes kommt. Beides schließt sich nicht aus: Eine Freigaberegel begrenzt den Bestand, eine Prioritätsregel ordnet die Warteschlange. Kanban und CONWIP sind dabei nicht dasselbe wie die JIT/JIS-Steuerung weiter unten: Sie begrenzen Bestände innerhalb der eigenen Fertigung, bei JIT/JIS gibt der Kunde die Reihenfolge von außen vor.

Rechenbeispiel: Wie die Prioritätsregel die Durchlaufzeit verändert

An einer Maschine warten zu Schichtbeginn drei Aufträge, eingegangen in der Reihenfolge A, B, C. Auftrag A braucht 60 Minuten, B 20 Minuten und C 40 Minuten. Rüstzeiten bleiben der Einfachheit halber außen vor.

Mit der SPT-Regel sinkt die mittlere Durchlaufzeit um 20 Minuten, also um 23 %. Der Preis: Der lange Auftrag A ist erst nach 120 statt nach 60 Minuten fertig. Hat A den frühesten Liefertermin, ist die Terminregel die bessere Wahl. Die Steuerung braucht deshalb beides: eine passende Regel und den aktuellen Stand jedes Auftrags.

Batch-Steuerung vs. JIT/JIS-Steuerung: Zwei Welten der Fertigungssteuerung

Fertigungssteuerung funktioniert in der diskreten Fertigung grundsätzlich unterschiedlich, je nachdem ob der Betrieb auftragsbasiert in Losen (Batch) oder sequenzgesteuert in Kundenreihenfolge (JIT/JIS) produziert:

Die Batch-Steuerung ist der häufigere Fall: Ein Fertigungsauftrag über 5.000 Teile wird auf Maschine 7 eingeplant, produziert, fertiggemeldet und eingelagert. Die JIT/JIS-Steuerung ist der anspruchsvollere Fall: Der OEM sendet per EDI einen Abruf mit der exakten Reihenfolge der Varianten (Perlenkette). Jede Station muss genau diese Variante in genau dieser Reihenfolge produzieren. Ein vertauschtes Teil kann einen Bandabriss beim OEM auslösen, und die Folgekosten trägt je nach Liefervertrag der Zulieferer.

Rechenbeispiel: Was fehlende Fertigungssteuerung pro Schicht kostet

Eine Fertigungslinie mit 4 Maschinen produziert Metallgehäuse. Die geplante Produktionszeit pro Schicht beträgt 480 Minuten. Ohne digitale Fertigungssteuerung (manuell auf Papier):

90 Minuten von 480 Minuten geplanter Produktionszeit sind 18,75 % Verlust, der direkt auf fehlende Fertigungssteuerung zurückgeht. Bei einem Maschinenstundensatz von 120 Euro sind das 180 Euro pro Schicht, 540 Euro pro Tag (3 Schichten), 135.000 Euro pro Jahr (250 Arbeitstage). Und das ist nur eine Linie.

Mit dem eigenen Stundensatz statt der angenommenen 120 Euro wird die Rechnung belastbar: Maschinenstundensatz berechnen.

Wie Echtzeit-Daten die Fertigungssteuerung verändern

Die Fertigungssteuerung auf Papier arbeitet mit der Vergangenheit: Der Schichtleiter erfährt am Ende der Schicht, was passiert ist. Die Fertigungssteuerung mit Echtzeit-Daten aus der Maschinendatenerfassung arbeitet mit der Gegenwart: Der Schichtleiter sieht sofort, was gerade passiert.

Bei Schmiedetechnik Plettenberg (Schmiedeproduktion) ist die automatische Betriebsdatenerfassung in beide Richtungen an das ERP InforCOM angebunden. Taktzeiten, Mengen und Stillstände waren vom ersten Tag an in Echtzeit sichtbar. Zwischen ERP und Shopfloor fließen die Daten ohne manuelle Zwischenschritte, und die Key-User entwickeln das System seither selbst weiter.

Bei Meleghy Automotive (Karosseriebau, Werke in vier Ländern) ist SAP R3 über ABAP IDoc in beide Richtungen angebunden. Maschinenzyklen werden automatisch den Fertigungsaufträgen zugeordnet und ins ERP zurückgespielt. In sechs Monaten ging das System vom Pilot in den Live-Betrieb aller Werke. Das Ergebnis: 10 % weniger Stillstandszeit und 7 % mehr Ausbringung.

Symestic bindet dabei auch ältere Maschinen an, ohne in ihre Steuerung einzugreifen: Eine IoT-Box liest die Signale nachträglich aus, bei Maschinen der Baujahre 1995 bis 2024; neuere Anlagen kommen über OPC UA dazu. Wie das an den eigenen Maschinen aussieht, zeigt eine Live-Demo am eigenen Anwendungsfall.

Software für die Fertigungssteuerung: Worauf bei der Auswahl achten?

Welche Software sich eignet, hängt weniger vom Namen der Kategorie ab als davon, ob sie die fünf Aufgaben oben im Alltag trägt. Diese Prüffragen trennen eine Steuerung von einer Auftragsliste:

Die Fragen gelten für jeden Anbieter. Software, die diese Aufgaben abdeckt, ist in der Regel ein MES; ein ERP allein liefert die Rückmeldung in Echtzeit und die Störungsreaktion meist nicht.

Fertigungssteuerung und OEE: Die Steuerung beeinflusst alle drei Faktoren

Die OEE (Verfügbarkeit x Leistung x Qualität) wird oft als reine Kennzahl betrachtet. Aber die Fertigungssteuerung beeinflusst alle drei Faktoren direkt:

Die Fertigungssteuerung ist der operative Hebel, mit dem OEE-Verluste nicht nur gemessen, sondern aktiv reduziert werden. Die Kennzahl zeigt, wo der Verlust liegt. Die Steuerung sorgt dafür, dass er nicht wieder auftritt.

Wie sich die drei Faktoren zur OEE einer Anlage verrechnen, lässt sich mit eigenen Werten prüfen: OEE berechnen.

Häufige Fragen zur Fertigungssteuerung

Was ist der Unterschied zwischen Fertigungsplanung und Fertigungssteuerung?
Die Planung bestimmt, was in welcher Menge und in welchem Zeitraum produziert werden soll (Wochen, Tage); im engeren Sinn meint Fertigungsplanung auch die Arbeitsplanung, also wie ein Teil gefertigt wird. Die Fertigungssteuerung bestimmt, wie und in welcher Reihenfolge die geplanten Aufträge tatsächlich durch die Maschinen laufen (Schicht, Minuten). Die Planung arbeitet mit dem ERP, die Steuerung mit dem MES.

Was macht ein MES in der Fertigungssteuerung?
Ein MES nimmt geplante Aufträge entgegen, gibt sie an die Maschine frei, überwacht den Fortschritt in Echtzeit, reagiert auf Störungen und meldet Stückzahlen, Zeiten und Qualitätsdaten automatisch an das ERP zurück. Es schließt die Lücke zwischen Grobplanung und Shopfloor-Realität.

Welche Verfahren gibt es für die Auftragsfreigabe?
Die belastungsorientierte Auftragsfreigabe gibt Aufträge nur unter einer Belastungsschranke frei, Kanban löst Nachschub per Karte im Regelkreis aus, und CONWIP hält den Bestand der ganzen Linie konstant. Die Reihenfolge an der einzelnen Maschine regeln Prioritätsregeln wie die SPT-Regel oder die Terminregel.

Welche Software eignet sich für die Fertigungssteuerung?
Eine Software, die Aufträge aus dem ERP übernimmt, Stückzahlen und Stillstände automatisch aus der Maschine zurückmeldet, Freigabe- und Reihenfolgeregeln abbildet und Störungen sofort sichtbar macht. Das leistet in der Regel ein MES. Die Prüffragen dazu stehen in der Tabelle oben.

Was ist der Unterschied zwischen Batch-Steuerung und JIT/JIS-Steuerung?
Batch-Steuerung arbeitet mit Fertigungsaufträgen in Losen (z. B. 5.000 Teile). Die Reihenfolge ist optimierbar. JIT/JIS-Steuerung arbeitet mit Kundenabrufen in fester Sequenz (Perlenkette). Die Reihenfolge ist unveränderbar. Ein Fehler in der JIT/JIS-Sequenz kann zu einem Bandabriss beim OEM führen.

Warum funktioniert Fertigungssteuerung auf Papier nicht?
Weil Papier keine Echtzeit-Daten liefert. Der Schichtleiter erfährt am Ende der Schicht, was passiert ist, nicht während es passiert. Ohne Echtzeit-Daten über Maschinenstatus, Stückzähler und Qualität kann die Steuerung nicht auf Störungen reagieren, solange sie noch lösbar sind.

Wie beeinflusst die Fertigungssteuerung die OEE?
Sie beeinflusst alle drei Faktoren: Verfügbarkeit (weniger Rüstzeit, schnellere Störungsreaktion), Leistung (kein Leerlauf zwischen Aufträgen, kein Warten auf Freigabe) und Qualität (richtige Parameter pro Auftrag, Werkzeugvalidierung vor Start).

Über den Autor:

Uwe Kobbert

Gründer und CEO der symestic GmbH. Seit über 30 Jahren in der Fertigungsindustrie. Dipl.-Ing. Nachrichtentechnik/Elektronik.
LinkedIn