Adaptive und wandlungsfähige IT-Architektur für Produktionsunternehmen

Abstract

Die Herausforderungen, denen sich Produktionsunternehmen heutzutage stellen müssen, nehmen kontinuierlich zu. Diese umfassen insbesondere die Globalisierung, die wachsende Komplexität und das heute vorherrschende turbulente Umfeld [Jovane 2009]. Durch die Globalisierung muss sich jedes Unternehmen dem Wettbewerb und den vielfältigen Herausforderungen der unterschiedlichen Märkte stellen. Die zunehmende Komplexität wird nicht nur durch eine steigende Anzahl an Produktvarianten hervorgerufen, sondern nimmt auch auf der Prozessebene kontinuierlich zu. Die Probleme vergrößern sich durch das turbulente Umfeld, in dem interne und externe Einflüsse auf die Produktionsunternehmen einwirken und zu einem kontinuierlichen Anpassungsbedarf führen [Westkaemper 2007].

In Produktionsunternehmen wird diesen Herausforderungen zunehmend mittels Informationstechnik (IT) begegnet. Die Vielzahl an Softwaresystemen und deren oft proprietäre Integration führen jedoch schnell zu einer komplexen IT-Landschaft, deren Wartungsaufwand kontinuierlich steigt. Zusätzlich sind sowohl die Softwareanwendungen als auch deren Integration unflexibel [Kirchner 2003], weshalb Änderungen und Erweiterungen nur mit großem Aufwand durchführbar sind. Die in den Anwendungen implementierten Prozesse werden damit ebenfalls starr und können aufgrund dessen nicht schnell genug angepasst werden. Zudem sind Integrationslösungen weitestgehend auf eine Domäne beschränkt und ermöglichen keinen unternehmensweiten Datenaustausch oder domänen- und anwendungsübergreifende Prozessdefinitionen.

Aus diesen Gründen wird eine neue IT-Architektur für Produktionsunternehmen benötigt, welche die Adaptivität sowohl der Anwendungen und deren Integration als auch der Prozesse unterstützt. Die vorliegende Arbeit beschreibt eine solche adaptive und wandlungsfähige IT-Architektur (ACITA) für Produktionsunternehmen [Silcher 2011]. Deren initiale Anwendungsdomäne ist der Produktlebenszyklus bzw. das Product Lifecycle Management (PLM), sie kann jedoch relativ einfach auf weitere Domänen ausgeweitet werden. Zur Integration der Anwendungen werden einheitliche und standardisierte Web Service Schnittstellen verwendet. Die lose und damit flexible Kopplung der Services erfolgt über einen angepassten Enterprise Service Bus (ESB). Die Unterstützung der Prozesse geschieht durch flexible Komposition von Services in Workflows, die die Geschäftsprozesse unterstützen können. Jede Domäne wird durch dieses Vorgehen getrennt voneinander über einen angepassten ESB integriert. Dies erlaubt die technischen Anforderungen der Domäne zu berücksichtigen, wodurch eine leistungsfähigere IT-Umgebung erreicht wird. Die Integration der einzelnen domänenspezifischen ESBs erfolgt über einen weiteren ESB, dem sogenannten PLM-Bus. Dieser sorgt für eine wandlungsfähige IT-Architektur, indem phasenspezifische ESBs einfach hinzugefügt oder entfernt werden können. Die Umsetzung der ACITA erfordert eine Reihe verschiedener Komponenten. Die zu integrierenden Anwendungen benötigen Serviceschnittstellen, um auf deren Funktionalität oder Daten zugreifen zu können. Die Verwaltung dieser Serviceschnittstellen wird durch mehrere Serviceverzeichnisse bewerkstelligt, deren Anordnung der Hierarchie der ACITA entsprechen [Silcher 2013a]. Die lose Kopplung der Services erfolgt über Content-based Router (CBR), die in jedem ESB implementiert sind. Die Unabhängigkeit von proprietären Datenformaten der integrierten Anwendungen wird durch die Verwendung von einheitlichen Nachrichtenaustauschformaten in jeder Phase sichergestellt. Um Nachrichten zwischen unterschiedlichen Phasen zu übertragen, sind Übersetzungsservices notwendig.

Die prototypische Implementierung der ACITA erfolgte in der Lernfabrik aIE, die aus einer digitalen Lerninsel und einer physischen Modellfabrik besteht [Riffelmacher 2007]. Zur Integration wurden die beiden domänenspezifischen Integrationsumgebungen des Production-planning Service Bus (PPSB) und des Manufacturing Service Bus (MSB) über den PLM-Bus verbunden, um den nahtlosen Datenaustausch zwischen den entsprechenden Phasen zu demonstrieren [Silcher 2013a]. Die Evaluation der ACITA wird in vier Anwendungsszenarien durchgeführt und anhand von sechs Kriterien mit anderen Integrationslösungen für den Produktlebenszyklus verglichen.

Die ACITA kann in einem global aufgestellten Unternehmen durch die Integration von verteilten Anwendungen bzw. Services den Datenaustausch zwischen allen Standorten sicherstellen. Der durchgängige Einsatz von Softwaresystemen in Kombination mit der flexiblen Prozessunterstützung macht die wachsende Komplexität der Produkte und Prozesse besser beherrschbar. Der kontinuierliche Anpassungsbedarf, der durch das turbulente Umfeld hervorgerufen wird, ist durch die Adaptivität und Wandlungsfähigkeit der IT-Architektur einfacher durchführbar. Damit sind Unternehmen bestens für zukünftige Herausforderungen gewappnet.

The challenges manufacturing companies are confronted with nowadays are increasing steadily. They include growing globalization, increasing complexity and prevailing turbulent environments [Jovane 2009]. Due to globalization, every company has to face up to the competition as well as a diversity of markets in a distributed environment. The increasing complexity is not only caused by the rising number of product variants, but is also rising equally on the process level. The problems are amplified even more by the turbulent environment, which is characterized by internal and external influences, e. g. machine failures, order fluctuations, or changing legal regulations. Manufacturing companies thus need to continuously adapt to the current situation [Westkaemper 2007].

In order to support employees and to make administration more efficient, more and more information technology (IT) is introduced in manufacturing companies. The multitude of software systems and their usually proprietary integration are quickly resulting in complex IT landscapes, which continuously increases the maintenance effort. Additionally, the software applications as well as their integration are inflexible [Kirchner 2003], therefore, changes and extensions can only be conducted with great effort. The processes implemented in the applications are inflexible as well, which is why changes that are necessary due to frequently changing requirements cannot be performed as fast as needed. Furthermore, integration solutions are typically limited to a single domain and do not provide enterprise-wide data exchange or cross-domain process definitions.

Because of the above-mentioned reasons, a new IT architecture, which supports the integration of applications and processes in an adaptable way, is necessary. This thesis describes such an adaptable and changeable IT architecture (ACITA) for manufacturing companies [Silcher 2011]. Its initial application domain is the product life cycle, or Product Lifecycle Management (PLM), though it can easily be extended to support other domains. The integration of software applications is based on uniform service interfaces, which are implemented in the standardized web service technology. The loose coupling of services is enabled by an adapted Enterprise Service Bus (ESB). Processes are supported by a flexible composition of services into workflows that execute business services or business processes. Each domain is integrated separately by using such a phase-specific ESB. This way, the technical requirements of each phase, e. g., data throughput, data structure, and latency each ESB has to process, can be taken into account. Consequently, the resulting IT landscape is more efficient. The integration of the single domain-specific ESBs is accomplished with a further ESB, the so-called PLM-Bus. This PLM-Bus provides a changeable IT architecture by enabling the simple addition of phase-specific ESBs.

The implementation of the ACITA requires a set of several components. To access the functionality and data of the applications that are to be integrated, service interfaces are needed. The management of these service interfaces is accomplished by multiple service registries that follow the hierarchy of the ACITA [Silcher 2013a]. Content-based routers (CBR) accomplish the loose coupling of services and are implemented with each ESB. The dependencies between applications and their proprietary data formats can be decoupled by introducing common message exchange formats used within each phase. Different common message formats require translation services for cross-domain message exchange.

The prototypical implementation of the ACITA was conducted in the learning factory aIE, which contains a digital learning shell and a physical model factory [Riffelmacher 2007]. The PLM-Bus integrates the domain-specific integration platforms Production-planning Service Bus (PPSB) and Manufacturing Service Bus (MSB) to demonstrate the seamless and flexible data exchange between the corresponding phases [Silcher 2013a].

Four usage scenarios accompany the evaluation of the ACITA and a comparison of the ACITA with other integration approaches in research as well as with commercial software is presented.

In conclusion, the ACITA can provide a vital integration of distributed applications and services of all local sites of a globally acting company. The consistent use of software systems combined with flexible process support makes the growing complexity of products and processes more managable. The necessity to continuously adapt to new situations caused by the turbulent environment can be fulfilled easier through the adaptivity and changeability of the IT architecture. As a result of this, manufacturing companies are well-prepared for challenges in the future.