Produktionsplanung

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Die Grundidee von Manufacturing Execution Systems, als konsequen-te Erweiterung des CIM Gedankens, blickt nun schon auf lange Historie in der Produktion von Gütern zu-rück. Planung und Optimierung der Produktion etablierten sich dabei zu einem festen Bestandteil. Dieser Ar-tikel soll einen Beitrag bezüglich der Integration dieser Themen innerhalb von Manufacturing Execution Sys-tems aufzeigen.

Ausgangssituation

Die Verkürzung der Durchlaufzeit bei gleichzeitiger Erhöhung der Produkt-vielfalt gehört dabei zu den größten Herausforderungen der fertigenden In-dustrie. Mit Manufacturing Execution Systems können Unternehmen ihre Pro-duktion schnell und flexibel an ver-änderte Markt- und Nachfragebedin-gungen anpassen. Gleichzeitig sollen Lagerbestände im Fertigungsbereich und im Fertigteilwarenlager minimiert und dadurch Produktionskosten signifikant gesenkt werden. Grundlegende Informa-tionen sowie aktuelle Entwicklungen be-schreiben dazu die Publikationen [1-6].

Wie in [7] und [8] referiert, ist die Inte-gration aller an der Fertigung beteiligten Systeme und Prozesse auf einer Plattform eine zwingende Voraussetzung. Dazu be-nötigt man aus Sicht der Fertigungsebene

durchgängige Automatisierungslösungen mit einem aussagekräftigen Informati-onsmanagement. Fertigungsprozesse, die über Insellösungen gesteuert werden sol-len, sind nach wie vor eines der größten Hemmnisse für Manufacturing Execution Systems. Mit Insellösungen sind Unter-nehmen nicht in der Lage, die tatsäch-lichen Produktions- und Lieferprozesse umfassend und in Echtzeit abzubilden. Damit fehlt die transparente, durchgän-gige Sicht auf die Fertigung, was die Möglichkeiten zur schnellen Reaktion stark einschränkt. Dieses hat zur Folge, dass Unternehmen nur verzögert auf Nachfrage, Kundenanforderungen oder Lieferbedingungen reagieren können.

Planungsmodelle

Zentrale Aufgabe der Disposition ist es, die Verfügbarkeit von Material und

Feinplanung von Fertigungsaufträgen

Optimierung als Kernfunktion von Manufacturing Execution Systems

Thomas Schulz und Dimos Mitkoudis, Rockwell Automation

warum Insellösungen MES-Systeme nicht ersetzen,wie Planung und Optimierung von Produktionsprozessen erfolgreich in ein Manufacturing Execution Sys-tem integriert werden können.

Planung

Steuerung

Optimierung

Planung sämtlicher Bearbeitungsvarianten

Daten des Produktionsprozesses

Begrenzung des Lösungsraumes durch Ausschluss unverträglicher Alternativen • Optimale Dimensionierung der

Bestände• Optimale Synchronisation der

Bearbeitungsstationen• Optimale Verplanung der einzelnen

Aufträge anhand der bewerteten Arbeitspläne und OperationenOperative Steuerung

der Fertigung

Bild 1: Informationsrückkopplung

Dipl.-Ing. Thomas Schulz ist als Account Manager im Unternehmen Rock-well Automation für den Bereich Software in Norddeutschland verant-wortlich.

Dipl.-Ing. Dimos Mit-koudis ist Projektleiter bei der Aserno Systemhaus GmbH in Aachen.

Th. Schulz u.a.: Feinplanung von Fertigungsaufträgen

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Kapazitäten sicherzustellen. Die Disposi-tion soll also für den internen Gebrauch und für den Vertrieb die erforderlichen Materialbedarfe termingerecht bereit-stellen, entweder durch Beschaffung oder durch Eigenproduktion. Ergän-zend berechnet die Disposition auch die Einsatzplanung der Ressourcen. Die Herausforderung für die Disposition besteht dabei darin, den optimalen Weg zwischen bestmöglicher Lieferbe-reitschaft und Minimierung der Kos-ten und der Kapitalbindung zu finden. Generelle Fragen nach Segmentierung und Strukturierung der Produktion wer-fen sich hierbei auf. Vorraussetzungen zu deren Beantwortung sind Grundre-geln und Methoden bei der Umgestal-tung von Fertigungssystemen mit ihren organisatorischen Ansätze und Grenzen und Potenzialabschätzungen.

In einem Produktionsprozess ist ein Fertigungsauftrag ein zu fertigendes Produkt, an das bestimmte Anforderun-gen hinsichtlich der Funktion, der Qua-lität oder des Aussehens gestellt werden. Manchmal werden mehrere gleiche oder ähnliche Kundenaufträge entweder aus produktionstechnischen Gründen oder zur Verringerung der Komplexität beim Planen zusammengefasst. Zur Erledi-gung eines Auftrages müssen bestimm-te Operationen unter Verwendung von Ressourcen durchgeführt werden.

Sind zur Erfüllung eines Auftra-ges mehrere Operationen notwendig, können sie zu einem Prozessplan zu-sammengefasst werden. Dieser enthält eine Beschreibung der Ressourcen, die für die einzelnen Operationen benö-tigt werden und möglicherweise eine zeitliche Reihenfolge der Operationen. Wenn die Art der Operationen erst noch geplant werden muss, wird von einer Prozessplanung gesprochen. Wenn nur noch geplant wird, welche Maschine für eine Operation des Prozessplanes benutzt werden sollen, wird auch vom Routing gesprochen.

Scheduling von Produktionsprozessen

Unter dem Scheduling von Pro-duktionsprozessen wird eine Tätigkeit

verstanden, bei der ausgehend von einer Menge von Aufträgen ein zeitli-cher Plan aufgestellt wird, der festhält, wann, bzw. in welcher Reihenfolge die Aufträge fertig gestellt werden und die dafür benötigten Operationen durchge-führt werden.

Die Aufgaben der Feinplanung las-sen sich basierend auf den Informatio-nen in [9] und [10] in vier Kategorien einteilen:· Mengenprobleme Welche Los- oder Chargengröße der

End- Zwischen- und Vorprodukte werden im Planungszeitraum benö-tigt?

· Terminprobleme (Scheduling) Zu welchem Zeitpunkt soll die

Fertigung der einzelnen Aufträge durchgeführt werden?

· Zuordnungsprobleme Auf welchen Betriebsmitteln mit wel-

chem Werkzeug von welchem Perso-nal soll die Fertigung erfolgen?

· Reihenfolgeprobleme (Sequencing) In welcher Reihenfolge sollen die

Fertigungsaufträge abgearbeitet werden?

Optimierung als Evaluierung der Planung

Neben der Suche nach zulässigen Plänen wird beim Scheduling deswe-gen häufig noch die Optimierung der erzeugten Pläne anhand von weichen Einschränkungen gewünscht. Das Krite-rium dafür kann durch quantifizierbare Funktionen vorgegeben werden oder durch eine explizite Darstellung von Präferenzen zwischen Planalternativen.

In vielen praktischen Anwendun-gen verzichtet man von vornherein auf optimale Lösungen, stattdessen gibt man sich mit guten und zulässi-gen Lösungen zufrieden. Oft wissen selbst die Experten des Unternehmens nicht, welches die optimale Lösung ist, sondern sie können nur sagen, ob eine Lösung besser ist als eine ande-re. Außerdem gibt es dann meist eine Reihe von gleich bewerteten Lösungen. Durch regelmäßige Störungen bzw. Ab-weichungen vom geplanten Verlauf in der Produktion wäre die theoretisch

optimale Lösung nur von kurzer Gül-tigkeit und müsste nach nur minimalen Veränderungen im Produktionsprozess neu berechnet werden.

Ein wichtiges Evaluierungskriterium kann auch die Robustheit eines Pla-nes gegenüber Störungen und Abwei-chungen im Produktionsprozess sein. Ein Plan sollte dann besser bewertet werden, wenn diese Änderungen keine Umplanung erfordern, weil von einer Umplanung meist wieder viele andere Entscheidungen abhängen (Vergleiche hierzu [11] und [12].

Informationsrückkopplung

Die Feinplanung von Produktions-prozessen liegt in einem Unternehmen unterhalb der Ebene der Produktions-planung. Ein ERP-System generiert meist eine Auftragsliste aufgrund von geschätzten Kapazitäten und Lieferzei-ten, ohne dass eine mögliche Reihung der Aufträge bekannt ist (Bild 1). Die Menge einzuplanender Aufträge kann aber auch von einem weiterverarbeiten-den Betrieb kommen, der als Auftrag-geber fungiert. Unter Berücksichtigung von Auftragspräferenzen und von tech-nischen Einschränkungen in der Pro-duktion müssen dann eine Planung der Reihenfolge und möglicherweise eine Festlegung von Zeiten für Operationen auf Maschinen durchgeführt werden.

Es lassen sich durch die Betrachtung der Regelmäßigkeit der Datenerfassung bei der Rückkopplung zwei verschiedene Typen definieren. Man unterscheidet in konstante und bedarfsgesteuerte Rück-kopplung. Die konstante Rückkopplung besteht aus zeitlich festen oder durch äußeren Takt vorgegebenen Abständen der Datenübertragung nach bestimm-ten Schemata, wie etwa die konstante Informationsübertragung von der Pro-duktion im Rahmen der Maschinen- und Betriebsdatenerfassung.

Sofern es nicht erforderlich ist, Infor-mationen kontinuierlich zur Verfügung zu stellen, sondern es genügt, beim Auftreten bestimmter Ausnahmefälle eine Rückkopplungsnachricht an einen Bereich zu senden, in der ein bestimm-tes Ereignis dokumentiert wird, so

Produktionsplanung

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spricht man von einer bedarfsgesteuer-ten Rückkopplung. Die bedarfsgesteu-erte Rückkopplung ist im Gegensatz zur konstanten Rückkopplung flexibler, er-fordert jedoch einen höheren Aufwand bei der Erfassung und Verwaltung der Rückkopplungsnachrichten.

Integrierter Lösungsansatz

Basierend auf einem gemeinsamen Fabrikdatenmodell analysiert und optimiert simultan das Modul Scheduler aus der FACTORYTALK® Suite die benötigten Ressourcen und findet die jeweils beste Planungsreihenfolge. Es werden die vorhandenen realen Pro-duktionsbedingungen sowie manuelle Einschränkungen berücksichtigt.

Die Plantafel ist die zentrale Ober-flächenkomponente eines Ablaufpla-nungssystems. Alle wichtigen Daten werden in einem Gantt-Diagramm graphisch aufbereitet, wodurch dem Planer die Möglichkeit geboten wird, einen schnellen Überblick über alle bereits verplanten, sowie alle noch ein-zuplanenden Produktionsaufträge zu gewinnen. In Bild 2 ist beispielhaft ein Gantt-Diagramm dargestellt, welches die zeitliche Belegung mehrerer Ma-schinen darstellt.

Somit ist es nun möglich, einen schnellen Überblick über belegte und noch verfügbare Ressourcen zu ge-

winnen. Es lassen sich jedoch noch weitere Informationen im Diagramm darstellen. So kann z. B. die farbliche Gestaltung der Balken die Zusammen-gehörigkeiten der einzelnen Schritte verdeutlichen. Eine weitere Möglich-keit ist die Unterteilung nach Priorität oder Status eines Schrittes.

Die Plantafel besitzt neben den oben aufgeführten darstellenden Funktionen auch die Möglichkeit zur Interaktion mit dem Benutzer. Dieser kann einzelne Produktionsschritte mit der Maus im Diagramm verschieben. Dabei überprüft anschließend das Programm, ob alle ge-gebenen Bedingungen wie benötigter Maschinentyp oder ausreichende freie Kapazität erfüllt sind.

Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit versteht sich als ein Beitrag zur Diskussion von Anforderungen bezüglich integrier-ter Manufacturing Execution Systems. Der hierbei aufgezeigte Lösungsan-satz ist modularer Teil eines offenen Lösungskonzeptes basierend auf der integrierten Produktionsmanagement und Performance Suite FACTORYTALK® aus dem Hause Rockwell Automation. Datenkonsistenz, Schnittstellen und freier Informationsaustausch werden dabei als zentraler Kern sowohl für die Feinplanung von Fertigungsaufträgen

als auch nachfolgender Prozessoptimie-rungen angesehen.

Literatur

[1] MESA: MESA´s next generation colla-borative MES Model. Chandler : MESA International, White Paper No. 8, Mai 2004

[2] IEC 62264-1:2003: Enterprise-control system integration, Part 1: Models and terminology. Genf : ISO copyright office, 2003

[3] IEC 62264-2:2004: Enterprise-control system integration, Part 2: Model object attributes. Genf : ISO copyright office, 2004

[4] ANSI/ISA-95.00.03-2005 Enterpri-se-Control System Integration, Part 3: Models of Manufacturing Operations Management. Research Triangle Park : Instrumentation, Systems and Automa-tion Society, 2005

[5] ISA Draft 95.00.04: Enterprise-Control System Integration Part 4: Object Mo-dels and Attributes of Manufacturing Operations Management. Research Tri-angle Park : Instrumentation, Systems and Automation Society, 2005

[6] ISA Draft 95.00.05: Enterprise-Control System Integration, Part 5: Business to Manufacturing Transactions. Research Triangle Park : Instrumentation, Systems and Automation Society, 2005

[7] SCHEDLER, Dietmar; SCHULZ, Thomas: Datenmodellierung eines Manufacturing Execution Systems mit Hilfe integrier-ter Toolsets für ein fischverarbeitendes Unternehmen. In: Tagungsband IT & Automation 2000. Berlin : VDE-Verlag, 2000, S. 267-276.

[8] SCHULZ, Thomas: Vorteile und Einsatz-felder integrierter Toolsets zur Model-lierung von Manufacturing Execution Systems (MES). In: Scientific Reports - Wissenschaftliche Berichte. Nr. 5: IWKM 2000 - Band A: Automatisierungstech-nik. Mittweida : Wissenschaftliche Zeit-schrift der Hochschule Mittweida, 2000, S. 65-72.

[9] BAKER, Kenneth R.: Introduction to Sequencing and Scheduling. New York : Wiley, 1974

[10] CONWAY, Richard W.; MAXWELL, Wil-liam L.; MILLER, Louis W.: Theory of Scheduling. Reading : Addison-Wesley, 1967

[11] FANDEL, Günter; STAMMEN-HEGENER, Cathrin: Entwicklung eines Modells zur simultanen Losgrößen- und Reihenfol-geplanung bei einstufiger Mehrprodukt-fertigung. In: Hermann, Jahnke [Hrsg.]: Betriebswirtschaftslehre und betriebliche Praxis : Festschrift für Horst Seelbach zum 65. Geburtstag. Wiesbaden : Deut-scher Univ.-Verl., 2003, S. 25-47

[12] QUADT, Daniel: Lot-Sizing and Schedu-ling for Flexible Flow Lines. In: Lecture Notes in Economics and Mathematical Systems. Berlin : Springer, Vol. 546, XVIII, 2004, S. 227-230

Bild 2: Beispiel einer Plantafel.

Th. Schulz u.a.: Feinplanung von Fertigungsaufträgen

55© GITO-Verlag

Schlüsselwörter:MES, PPS, Feinplanung, Optimierung

Detailed planning of production orders

Optimization as a core function of Ma-nufacturing Execution Systems

The philosophy of Manufacturing Exe-cution of system, as consistent extensi-on of the CIM concept, looks now alrea-dy on long history in the production of goods back. Planning and optimization of production were established thereby to a firm component. This article is to point a contribution out concerning the integration of these topics within Ma-nufacturing Execution Systems.

Keywords: MES, MRP, Scheduling, Optimizing

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