Moderne Produktionssysteme stehen vor einer zentralen Frage: Wie lässt sich ein Manufacturing Execution System (MES) so gestalten, dass es langfristig flexibel und skalierbar bleibt, ohne Kompromisse bei Stabilität oder Performance einzugehen?
Diese Frage war der Ausgangspunkt eines Projekts, das wir gemeinsam mit dem Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) durchgeführt haben. Ziel war es zu evaluieren, inwieweit eine Microservice-Architektur für MES geeignet ist und wie sich einzelne Services fachlich sinnvoll trennen und orchestrieren lassen.
Projektansatz
Grundlage des Projekts war der Standard IEC 62264, der eine einheitliche Beschreibung zentraler Produktionsprozesse und Informationsflüsse bietet. Besonders das Aktivitätsmodell der IEC 62264 3:2016 ermöglichte eine klare funktionale Trennung und bot damit die ideale Basis, um:
• Microservices fachlich abzugrenzen
• Schnittstellen eindeutig zu definieren
• eine konsistente Datenarchitektur sicherzustellen
Auf dieser Grundlage entwickelten wir einen voll funktionsfähigen, modularen MES-Prototypen, bestehend aus mehreren unabhängigen Softwaremodulen. Zum Einsatz kamen dabei folgende Technologien:
• Backend: Java / Spring Boot mit REST APIs
• Frontend: React, TypeScript und Vite mit Material.io
• Infrastruktur: Docker, Docker Compose, PostgreSQL, MQTT
• Projektmanagement: Azure DevOps, agile Umsetzung nach Scrum
Durch die konsequente funktionale Trennung der Module konnten wir zentrale MES-Kernbereiche wie Produktionsplanung, Ressourcenmanagement und Auftragsausführung vollständig entkoppeln.
Struktur des Microservice-Systems
Auf Basis des Aktivitätsmodells wurde das MES in acht klar abgegrenzte Microservices strukturiert. Fünf davon wurden implementiert, drei konzeptionell ausgearbeitet.
Eine Übersicht der Services, inklusive der konzeptionellen Microservices (MS6–MS8), ist in Abbildung 1 dargestellt.
Jeder Microservice umfasst:
• ein eigenes Backend
• ein eigenes Frontend
• eine eigenständige Datenbank
Diese Architektur ermöglicht:
• unabhängige Weiterentwicklung
• separate Deployments
• gezielte Skalierung einzelner Funktionsbereiche
Ein zentrales Portal bündelt alle Frontends, sodass trotz der verteilten Struktur ein konsistentes Nutzererlebnis entsteht. Zusätzlich wurde ein MQTT-Broker integriert, um asynchrone Kommunikation und produktionsnahe Ereignisse verarbeiten zu können.
Die Microservices im Überblick
Das MES wurde auf Basis des Aktivitätsmodells der IEC 62264 3:2016 in insgesamt acht fachlich klar abgegrenzte Microservices strukturiert. Fünf davon wurden implementiert, drei weitere konzeptionell ausgearbeitet (siehe Abbildung 1).
MS1 – Ressourcenverwaltung
Verwaltung und Bereitstellung aller relevanten Produktionsressourcen wie Maschinen, Material, Werkzeuge und Personal. Der Service stellt diese Informationen standardisiert anderen Microservices zur Verfügung.
MS2 – Produktdefinition
Abbildung von Produkten, Stücklisten, Arbeitsplänen und Fertigungsstrukturen. Er bildet die Grundlage für Planung und Ausführung und stellt produktbezogene Stammdaten bereit.
MS3 – Produktionsplanung
Erstellung und Verwaltung von Produktionsplänen auf Basis von Aufträgen, Ressourcenverfügbarkeit und Produktdefinitionen. Ziel ist eine realistische und anpassbare Planung unter Berücksichtigung von Kapazitäten und Prioritäten.
MS4 – Produktionssteuerung
Orchestrierung und Steuerung der laufenden Produktion. Der Service übersetzt Planungsdaten in ausführbare Produktionsaufträge und koordiniert deren Ablauf über die beteiligten Ressourcen.
MS5 – Produktionsausführung
Unterstützung der operativen Fertigungsebene (z. B. an Arbeitsplätzen oder Linien). Hier werden Arbeitsschritte gestartet, abgeschlossen und Änderungen erfasst.
MS6 – Erfassung von Produktionsdaten (konzeptionell)
Sammlung und Speicherung von Produktions- und Prozessdaten wie Zuständen, Zeiten und Rückmeldungen. Diese Daten bilden die Basis für Transparenz, Nachverfolgbarkeit und spätere Auswertungen.
MS7 – Produktionsüberwachung (konzeptionell)
Geplante Bereitstellung von Echtzeit-Transparenz über den Produktionsstatus, inklusive Visualisierung von Abweichungen, Störungen und Kennzahlen.
MS8 – Produktionsleistungsanalyse (konzeptionell)
Auswertung historischer Produktionsdaten zur Analyse von Effizienz, Durchlaufzeiten und Leistungskennzahlen als Grundlage für kontinuierliche Verbesserungsprozesse.
Projektergebnisse
Ein zentrales Ziel war die Evaluation der Microservice-Architektur im MES-Kontext. Dabei flossen umfangreiche Erfahrungen aus Konzeption, Implementierung und Integration ein. Bewertet wurden insbesondere:
• die fachliche Sinnhaftigkeit der Trennung
• die Abgrenzbarkeit von Verantwortlichkeiten
• Auswirkungen auf Entwicklung, Wartung und Deployment
Im nächsten Schritt wird unser Forschungspartner das System in Zusammenarbeit mit Industrieunternehmen weiter testen. Geplant sind tiefere Analysen in realitätsnahen Szenarien, um Praxistauglichkeit, Skalierbarkeit und Übertragbarkeit zu validieren.
Unser Fazit
Microservice-Architekturen bieten im MES-Kontext großes Potenzial hinsichtlich Modularität, Flexibilität und Skalierbarkeit. Gleichzeitig zeigte sich im Projekt, dass nicht alle Funktionsbereiche gleichermaßen gut für eine fein granulare Trennung geeignet sind.
Gut geeignet: MS1, MS2, MS5
Weniger trennscharf realisierbar: MS3, MS4 – hier führt eine Aufteilung zu höherem Abstimmungsbedarf, engeren Datenabhängigkeiten und zusätzlichem Synchronisationsaufwand.
Der Standard IEC 62264 bietet eine solide Grundlage, lässt jedoch an einigen Stellen Interpretationsspielräume offen – beispielsweise beim Umgang mit geänderten oder abgebrochenen Aufträgen. Diese Aspekte müssen architekturseitig klar definiert werden.
Gemeinsam mit unserem Forschungspartner werden wir die Erkenntnisse in den nächsten Projektphasen weiter vertiefen und unter realen Produktionsbedingungen evaluieren.
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