Login                    Nieuwsbrief  |   Agenda   |   Vacatures   |   Forum   |   Advies   |   Adverteer   |   Zoek
Hoe flexibel is ISA-95?
Bron: Procesverbeteren.nl
Software: Lean ICT
ISA-95: de geïntegreerde fabriek
Door Dr Ir Jaap van Ede, hoofdredacteur procesverbeteren.nl. De eerste versie verscheen in vakblad PT Industrieel Management (2006)

ISA-95 begrijpen is niet makkelijk. Ten eerste gaat het feitelijk om twee subsets van standaarden:
  1. Het duo ISA-95.01 en ISA-95.02, binnenkort aangevuld met ISA-95.05, biedt een leidraad voor verticale integratie tussen het kantoor en de werkvloer.
  2. ISA-95.03 en ISA-95.04 proberen hetzelfde te doen voor horizontale integratie op het werkvloer niveau.

Dit onderscheid is niet de enige reden tot verwarring, daar komt namelijk nog bij dat alle ISA-95 onderdelen nogal academisch van karakter zijn. Het zijn data-modellen, over de praktische invulling wordt geen uitspraak gedaan. Niettemin hebben ISA-95.01 en ISA-95.02 hun nut bewezen bij verticale integratie. Horizontale integratie op basis van ISA-95.03 en ISA-95.04 is voorlopig echter nog een brug te ver.

Dit is een complex artikel, dus u bent gewaarschuwd !

Aan de andere kant: Wie ISA-95 werkelijk wil begrijpen moet door de zure appel heen bijten. Wellicht komt na het zuur het zoet: een beter te onderhouden software-architectuur.

De ISA-95 leidraden worden ontwikkeld door de International Society for Measurement & Control (ISA). Die organisatie, hoe nuttig ook, heeft helaas niet tot doel om complexe zaken eenvoudig voor te stellen.

Serie flexibele & modulaire bedrijfssoftware

Door continu en stapsgewijs bedrijfsprocessen te verbeteren via methodes zoals Lean Manufacturing, Six Sigma en Total Productive Maintenance moeten bedrijven efficiënter en slagvaardiger worden.
Bedrijfsprocessen continu verbeteren, snel nieuwe producten ontwikkelen, en wendbaar reageren op marktveranderingen lukt echter alleen, als de bedrijfssoftware voldoende flexibel is.

Op het werkvloer- , het tussen- en het businessniveau zijn daarom verschillende flexibele ICT-oplossingen en data-modellen ontwikkeld:
  • Voor het werkvloer-niveau:   ISA-88
  • Voor het tussen-niveau:        ISA-95
  • Het business-niveau:            SOA (Service Oriented Architecture)
In een serie artikelen verkent www.procesverbeteren.nl, in samenwerking met het blad PT Industrieel Management, de grenzen van de bovenstaande ICT-architecturen, onder meer door deze langs een meetlat voor flexibiliteit te leggen.

Wat zijn de mogelijkheden en de beperkingen, en voor welke typen bedrijven zijn de ICT-architecturen geschikt?

In dit artikel worden de grenzen van ISA-95 verkend


De ISA splitst de automatisering van een fabriek op in vijf op elkaar aansluitende niveaus, van sensor tot ERP:

Op niveau 0, 1 en 2 bevindt zich de procesbesturing.

Daarboven, op niveau 3, bevindt zich de werkvloerbesturing. Dit is het domein van het manufacturing execution systeem (MES), waarin alle informatie over het product wordt beheerd: wat is het, hoe maak je het, en tenslotte: hoe is het gemaakt.

Op het vierde en hoogste niveau, de business-besturing,  bevindt zich tenslotte de software voor de Enterprise Resource Planning  (ERP). Hier ligt het accent op de planning: Wanneer wil de klant zijn product hebben en wanneer zijn dus grondstoffen van de toeleveranciers nodig.

De ISA ontwikkelt leidraden voor de automatisering van de verschillende fabrieksniveaus. Die worden echter arbitrair genummerd, op grond van het uitgiftetijdstip.
Het gevolg is dat ISA-95.01, ISA-95.02 en ISA-95.05 betrekking hebben op de informatie-uitwisseling tussen fabrieksniveau 3 en 4 (lees: MES en ERP), terwijl ISA-95.03 en ISA-95.04 betrekking hebben op de informatie-uitwisseling binnen fabrieksniveau 3 (lees: het MES).

Wie het nu al duizelt: dit is een vrij normaal verschijnsel als je je verdiept in ISA-publicaties. En dat is jammer, want zo gaan veel zinvolle boodschappen daaruit verloren! Bestudering van ISA-95 is echter zeker de moeite waard, dus lees verder!

ISA-95: wat
ISA-95 bestaat uit meerdere delen, gepubliceerd door de International Society for Measurement & Control (www.isa.org).
Op deze site wordt onderscheid gemaakt tussen:
  1. ISA-95.01, ISA-95.02 en ISA-95.05 (ISA-95.01/2/5) voor de beschrijving van interfaces tussen MES en ERP.
  2. ISA-95.03 en ISA-95.04 (ISA-95.03/4) voor de beschrijving van informatiestromen binnen het MES-niveau.
ISA-95.01/2/5:   Verticale integratie ERP en MES

ISA-95.01 (voluit ANSI/ISA-95.00.01 of IEC 61512.1), gepubliceerd in 2000, is het oudste en populairste onderdeel van ISA-95. Hierin worden 31 informatiestromen gedefinieerd voor de verticale integratie tussen een ERP-pakket en een manufacturing execution systeem (MES).

ISA-95.02, gepubliceerd in 2001, is een datamodel ter aanvulling op ISA-95.01. Hierin worden de herbruikbare objecten ‘mensen’, ‘machines’ en ‘materialen’ geïntroduceerd, om met zo min mogelijk informatie de 31 informatiestromen in te vullen.

ISA-95.05 is nog in ontwikkeling. Deze leidraad zorgt voor aansluiting van het ISA-95-objectmodel bij het XML-transactiemodel van OAGIS.


ISA-95.03/4: Horizontale integratie en structurering MES

ISA-95.03 kwam in 2005 gereed. Deze leidraad definieert informatiegebieden binnen het MES-niveau.

ISA-95.04 is nog in ontwikkeling. Het is de bedoeling dat hierin interfaces worden beschreven voor horizontale integratie binnen de MES-laag.

ISA-95: waarom
ISA-95.01/2/5: Het doel van deze drie leidraden is datastructuren voor gestandaardiseerde en makkelijk te onderhouden interfaces tussen het business- en het werkvloerniveau.

ISA-95.03/4: Deze twee leidraden geven structuur aan de informatiestromen binnen het MES-niveau. Dit kan als doel horizontale integratie hebben, maar ook de modularisering van de MES-software.

Zie ook:  ISA-95 structureert informatie-uitwisseling tussen business en productie  (introductie ISA-95)


Verticale integratie

Eerst maar eens een stapje terug, naar ISA-88.  Deze ISA-norm werd eerder besproken in deze serie over modulaire software-architecturen.

ISA-88 kan worden gezien als een eerste aanzet tot verticale integratie, oftewel het aanéénsmeden van de ICT-systemen op de vijf verschillende fabrieksniveaus. Fabrieksniveau 2 (de procesbesturing) wordt namelijk gekoppeld aan niveau 3 (de werkvloerbesturing). ISA-88 splitst procesbesturingsprogramma’s voor batchgewijze bereidingen daartoe op in generieke bewerkingen zoals toevoegen en mengen, en koppelt die vervolgens aan receptbeschrijvingen op het werkvloerniveau.

De volgorde waarin productierecepten moeten worden uitgevoerd, de planning, wordt bepaald door het ERP-systeem, op niveau 4. Dus is er ook informatie-uitwisseling nodig tussen niveau 3 en 4, en ISA-88 voorziet daar niet in. Daarom ontwikkelde de ISA-95 werkgroep als aanvulling op ISA-88 een set aanvullende leidraden, ISA-95.01 en ISA-95.02, die binnenkort nog worden aangevuld met ISA-95.05. (De oplettende lezer zal hebben opgemerkt dat ISA-95.03 en ISA-95.04 hier ontbreken, daarover later)

ISA-95.01 en ISA-95.02 structureren de informatie-uitwisseling tussen niveau 4 en 3, lees ERP en MES. Samen met ISA-88 levert dit een blauwdruk op voor verticale integratie van niveau 4 t/m niveau 2, dus vanaf het plannen van de productie, tot en met de uitvoering van de productierecepten en de terugkoppeling van de productie-resultaten naar het ERP-niveau.

Mooi, maar nu de hamvraag: Hoe breng je dat in de praktijk?. ISA-95 is een papieren leidraad, over hoe je het moet implementeren wordt niet gesproken. Bovendien is er voor ISA-95, in tegenstelling tot ISA-88, nog nauwelijks software op de markt, hoewel onder meer Siemens, SAP en GE Fanuc al een eind op weg zijn. De klant moet het verder gaan afdwingen.

Theorie
Voorlopig wordt ISA-95 meestal alleen toegepast voor modelvorming en analyse. Áls het daarna al tot implementatie komt, dan gaat het meestal om de bouw van een maatwerk-oplossing. Een bekend voorbeeld daarvan is de implementatie bij British American Tobacco in Zevenaar. Die fabriek wordt waarschijnlijk echter gesloten. Hoewel dat niet komt door ISA-95, is het natuurlijk geen goede reclame voor de leidraad.

Bianca Scholten is management consultant bij Ordina. Zij vindt het helemaal niet zo erg, als ISA-95 alleen bij modelvorming wordt ingezet. ‘Het ontwikkelen van een modulaire software-architectuur was niet het doel van ISA-95. De voornaamste wens was het aanbrengen van structuur in de informatie die wordt uitgewisseld tussen het business- en het werkvloerniveau. Interfaces tussen de ERP-pakketten en MES-oplossingen kunnen dan worden gestandaardiseerd.’

ISA-95 geeft echter niet aan met welke technologie je dat moet doen. ‘Dat klopt. Het kan zijn, dat de softwareleveranciers hun pakketten daartoe modulair gaan opbouwen, maar ik denk eerder dat ze een communicatieschil aan hun systemen zullen toevoegen.’

Als het goed is kun je na een ISA-95-implementatie vrij eenvoudig een ERP-pakket of een MES vervangen, zonder aan de interfaces te sleutelen. ‘Dat is niet alleen handig als er een nieuwe software nodig is, maar ook bij fusies of overnames. Het nieuwe MES kan dan onder de ERP-paraplu worden geschoven van degene die de betreffende fabriek overneemt.’

Boek Bianca Scholten
Bianca Scholten publiceerde in maart 2007 een boek getiteld “The road to integration, a guide to applying ISA-95 in manufacturing”. Dit Engelstalige werk wordt uitgegeven door ISA, de Instrumentation, Systems and Automation society.

        

31 informatiestromen
ISA-95.01 beschrijft 31 mogelijke informatiestromen tussen het business- en het werkvloerniveau. Die informatiestromen zijn verdeeld over vier hoofdcategorieën. Informatie over de planning gaat bijvoorbeeld van ERP naar MES, maar gegevens over de machine-prestaties en de beschikbare productiecapaciteit volgen de omgekeerde weg. Het ingewikkeldst is de informatie-uitwisseling omtrent de productsamenstelling en het grondstoffenverbruik, die verloopt in twee richtingen.

‘De 31 gegevensstromen maken vaak gebruik van dezelfde informatie. ISA-95.02 beschrijft daarom welke informatie er minimaal nodig is om de informatiestromen in te vullen. Feitelijk blijkt het daarbij te gaan om de eigenschappen van mensen, machines en grondstoffen.’

Volgens Scholten kun je de 31 gegevensstromen beschouwen als even zoveel gestandaardiseerde berichten tussen ERP en MES. ‘Het gebruik van ISA-95.02 maakt het mogelijk om de informatie die je verstuurt in die berichten gemakkelijk aan te passen. Stel bijvoorbeeld, dat één van je procesoperators een nieuw diploma behaalt. Dit heeft dan niet alleen gevolgen voor je productie-capaciteit, maar ook voor de productieplanning. Met een systeem dat is opgebouwd conform ISA-95.02 volstaat het, om de vaardigheden van de betreffende operator aan te passen.’
Opnieuw rijst echter de vraag: Hoe kom je aan software die dat ondersteunt? Zoals reeds eerder opgemerkt:  ISA-95.01 en ISA-95.02 zijn geen standaarden voor interfaces, het zijn slechts data-modellen als uitgangspunt voor het bouwen daarvan.

B2MML
Voor de praktische invulling komt er echter hulp uit een andere hoek. Het World Batch Forum heeft namelijk de Business to Manufacturing Markup Language ontwikkeld, B2MML. Deze XML-taal kan worden gebruikt om verticale interfaces conform ISA-95.01/02 te bouwen. Scholten: ‘XML is dan het format van de boodschappen, en ISA-95 bepaalt de inhoud daarvan. Op dit moment wordt 95% van de verticale integratieprojecten op basis van ISA-95 uitgevoerd middels B2MML.’

De eerste B2MML-implementatie vond plaats in 2003, in een Deense fabriek voor melk-ingrediënten van Arla Foods. Arne Svensen, productie IT-manager bij Arla Foods: ‘Het ERP-pakket SAP R/3 is in die fabriek verbonden met het manufacturing execution systeem Proficy van GE Fanuc. Die koppeling maakt gebruik van de allereerste versie van B2MML, SAP was daar op dat moment nog niet eens mee bezig’.

Productie-orders gaan nu via B2MML vanuit ERP naar het MES, en gegevens over het grondstoffenverbruik en de equipment effectiveness gaan weer terug richting SAP. ‘Deze automatische koppeling reduceert de kans op fouten. Maar we gaan nog veel meer winst pakken, zodra we B2MML ook gebruiken om verpakkingsopdrachten door te geven vanuit ERP. Onze productie-orders kunnen worden beschreven met slechts een paar variabelen. Een verpakkingsopdracht kan daarentegen wel honderd parameters bevatten.’

Het gebruik van B2MML en ISA-95 past in het streven naar een EttArla, één Arla Foods. Hoewel er verschillende ERP en MES-oplossingen worden gebruikt binnen dit concern, wordt de verticale integratie daartussen nu gestandaardiseerd. ‘Het onderhoud van de interfaces wordt daardoor eenvoudiger. Dat sluit ook goed aan bij onze groeistrategie. Nieuw verworven productiefaciliteiten kunnen nu gemakkelijker worden gekoppeld aan de ERP-systemen die we al hebben.’

Op dit moment wordt ISA-95 uitgerold naar zes andere sites van Arla Foods in Denemarken en Zweden. Daarbij gaat het in alle gevallen om het koppelen van SAP met Invensys Wonderware. Hierbij wordt niet alleen samengewerkt met Invensys, maar ook met SAP. ‘De interfaces zullen worden gerealiseerd met de nieuwste versie van hun ERP-systeem. Die zal ISA-95 en de laatste versie van B2MML gaan ondersteunen.’

Tekortkomingen
Siem Broersen is als manager van het MES Expert Center van systeemintegrator GTI betrokken bij het maken van een koppeling tussen SAP en Inbatch van Wonderware bij Nestlé in IJmuiden. Ook dit gebeurt op basis van ISA-95 en B2MML. Inmiddels zijn echter enkele tekortkomingen van ISA-95 aan het licht gekomen.

Broersen: ‘S95.01 en S95.02 zijn ontwikkeld als aanvulling op S88, het accent lag daardoor op de informatie-uitwisseling tussen het ERP-pakket en het receptuurbeheersysteem. Soms wil je echter ook gegevens uitwisselen die niet direct productie-gerelateerd zijn. Dan heb je een probleem, want ISA-95.02 beschrijft dat niet. Denk bijvoorbeeld aan welke leverancier bepaalde grondstoffen levert, en op welk tijdtip dat gebeurt volgens het contract.’

Door dit soort tekortkomingen is voor de integratie van ERP en MES nog steeds maatwerk nodig, zelfs al voldoen beide systemen aan ISA-95. ‘Voor een multinational zoals Nestlé is dat niet zo erg, het is al meegenomen als de interfaces ten dele gestandaardiseerd zijn. Zij hebben 240 productiesites, dus iedere vorm van hergebruik telt mee.’

Bovendien: zelfs al zou ook de informatie-uitwisseling rondom de productie worden toegevoegd aan ISA-95, dan nog zou nog steeds maatwerk nodig blijven. Zelfs het gebruik van B2MML wordt immers niet voorgeschreven door ISA-95.01 en ISA-95.02. Svendsen: ‘Dat klopt. Bij ISA-95 is bewust gekozen voor een generieke leidraad, maar dat heeft als nadeel dat plug-and-play integratie een utopie blijft.’

ISA-95, OAGIS en SOA
Het feit dat ISA-95.01 en ISA-95.02 binnenkort worden aangevuld met ISA-95.05, verandert daar niet veel aan. ‘De ISA-ISA-95.05 werkgroep heeft onlangs voor de acceptatie van die leidraad gestemd’, aldus Keith Unger, zelf voorzitter van deze werkgroep. ‘ISA-95.05 vult de datastructuur op het grensvlak van ERP en MES nauwkeuriger in, maar zegt niets over hoe je die structuur moet implementeren.’

Formeel is dat waar, maar tussen de regels door wordt uitgegaan van een implementatie middels B2MML. Bovendien geeft ISA-95.05 de eerste aanzet om ISA-95 te laten samengaan met OAGIS, de Open Application Group Integration Standard.

Dat laatste vraagt om enige uitleg. OAGIS werd namelijk ontwikkeld om de uitwisseling van business-to-business informatie te standaardiseren. Wat kan dat toevoegen aan ISA-95, een leidraad die zich richt op verticale integratie binnen bedrijven?. Unger: ‘OAGIS heeft een heel ander toepassingsgebied dan ISA-95, dat klopt. OAGIS voegt echter een transactietaal toe. OAGIS beschrijft werkwoorden zoals show en get, het ISA-95-model beschrijft dan de zelfstandige naamwoorden waarop die werkwoorden betrekking hebben. De combinatie van ISA-95 en OAGIS maakt het dus mogelijk om een bericht te definiëren dat om een antwoord verzoekt, zoals show equipment status.’

Nu OAGIS wordt omarmd door ISA-95, ligt de volgende stap voor de hand: Een fusie met de Service Oriented Architecture (SOA). Deze software-architectuur is immers gebaseerd op web services, en gebruikt daardoor XML voor de communicatie tussen applicaties, net zoals OAGIS. Unger beaamt dit: ‘Uiteindelijk is het de bedoeling dat er nog maar één leidraad voor software-integratie overblijft, waarin dan de normen van ISA en het World Batch Forum opgaan, samen met de SOA-initiatieven van onder meer SAP, Oracle en IBM.’
   
Modularisering MES?
Tot het zo ver is, biedt de combinatie van ISA-95.01/02/05 niets meer en niets minder dan een redelijke basis voor verticale integratie. En hoe zit het dan met de nog onbesproken delen van ISA-95, het duo ISA-95.03 en ISA-95.04?. Die combinatie heeft weinig van doen met verticale integratie, maar heeft tot doel de informatieuitwisseling binnen het MES-niveau te structureren. Op die manier ontstaat dan een leidraad voor horizontale integratie op het werkvloerniveau.

In theorie zou ISA-95.03/4 kunnen fungeren als blauwdruk voor een modulair opgezette MES-laag, die dan kan worden ingevuld met componenten van verschillende leveranciers. Zover is het echter nog lang niet. Broersen, die zelf in een ISA-commissie zit voor de aansluiting van ISA-95 op ISA-88, heeft weinig hoop: ‘De scheiding tussen ISA-95.03/04 en ISA-88 zit nu op de verkeerde plek, want het ISA-95-gedeelte omvat nu ook zaken die te maken hebben met de productiebesturing, zoals de detailplanning. Mijn idee is, dat je één modulaire architectuur moet hebben op de werkvloer, en één soortgelijk systeem voor de besturing van de logistiek/administratieve processen. Daartussen bouw je dan standaardinterfaces. Het werkvloersysteem kan volgens mij het beste zijn gebaseerd op ISA-88, aangevuld met delen die nu nog in ISA-95.03 zitten. Inderdaad, de werkwijze van Novo Nordisk Engineering1 komt aardig in die richting. En ISA-95.04 moet dan worden overgeheveld naar het administratieve niveau. Dat deel zou dan kunnen opgaan in een service oriented architectuur.’

Zie ook:   ISA-95 structureert informatie-uitwisseling tussen business en productie
Zie ook:   Agile en Lean met ISA-95?

De meetlat© voor ICT-flexibiliteit
De ideale bedrijfssoftware heeft, volgens de meetlat van procesverbeteren.nl,de volgende drie eigenschappen:
  1. Er is een scheiding tussen de beschrijving van de bedrijfsprocessen en de uitvoering
  2. Het uitvoerende deel bestaat uit een bibliotheek van kleine herbruikbare bouwstenen, die op afroep vast omlijnde functies uitvoeren. In het ideale geval is het daarbij mogelijk om softwarebouwstenen van verschillende softwareleveranciers te gebruiken.
  3. Het beschrijvende deel bestaat uit een orkestratiesysteem, waarmee de bovengenoemde bouwstenen steeds opnieuw met elkaar kunnen worden ge(re)combineerd tot bouwwerken, die complete bedrijfsprocessen ondersteunen.

© C.J. van Ede 2006-2013

 

ISA-95 langs deze meetlat

ISA-88 langs de flex-meetlat
ISA-95.01/2/5 beschrijft hoe je op een modulaire manier interfaces kunt bouwen tussen het ERP en het MES-niveau (zoals in dit geval voor het doorgeven van het werkrooster vanuit ERP naar MES).  Bouwstenen zoals mensen, machines en materialen kunnen daarbij steeds opnieuw worden gebruikt. ISA-95 bestaat alleen uit datamodellen, het orkestratiesysteem en het uitvoerende gedeelte ontbreken dus. (dit laatste wordt overgelaten aan de systeembouwer).

ISA-95.01/2/5 voldoet in beperkte mate aan de kenmerken van flexibele bedrijfssoftware:

  1. Scheiding beschrijving en uitvoering: beperkt
    ISA-95.01/2/5 brengt duidelijkheid in de verdeling van de verantwoordelijkheden over het business- en het werkvloerniveau. Dit betekent echter geen scheiding tussen de beschrijving van processen en de uitvoering daarvan.
  2. Herbruikbare bouwstenen:  ja
    ISA-95.01/02/05 kan worden gebruikt om gestandaardiseerde (herbruikbare) interfaces te ontwikkelen tussen het ERP en MES-niveau. ISA-95.02 definieert bovendien herbruikbare informatieblokken om de informatiestromen tussen ERP en MES in te vullen, op basis van de objecten ‘mensen’, machines’ en ‘materialen’. Informatie over deze objecten kan vervolgens op één plek worden beheerd.
  3. Orkestratiesysteem:   nee
    ISA-95.01/02/05 omvat geen orkestratiesysteem waarmee je interfaces, die gebruik maken van de eerdergenoemde objecten ‘mensen’, ‘machines’ en ‘materialen’, kunt ontwerpen en onderhouden.
    Interessant is in dit opzicht de vergelijking met ISA-88. Daarrbij bestaat er namelijk wél orkestratie, in de vorm van software waarmee je productierecepten kunt samenstellen en laten uitvoeren.
ISA-95.03/4 is nog niet ver genoeg ontwikkeld om langs de meetlat voor een modulaire software-architectuur te kunnen leggen



Hulp nodig bij de implementatie van Agile en Lean software?

Verwijzen naar dit artikel op internet?
Gebruik als link: http://www.procesverbeteren.nl/flexibilisering/ISA95/ISA95.php