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Produktionsplanung und Prozessoptimierung als integrativer Bestandteil von Manufacturing Execution Systems

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Die Grundidee von Manufacturing Execution Systems als konsequente Erweiterung des CIM Gedankens blicken nun schon auf lange Historie in der Produktion von Gütern zurück. Planung und Optimierung der Produktion etablierten sich dabei zu einem festen Bestandteil. Dieser Artikel soll einen Beitrag bezüglich der Integration dieser Themen innerhalb von Manufacturing Execution Systems aufzeigen.

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  1. 1. SCHULZ, Thomas: Produktionsplanung und Prozessoptimierung als integrativer Bestandteil von Manufac- turing Execution Systems. In: 4th International Symposium on AUTOMATIC CONTROL. Wismar : Hochschule Wismar, 2005. Produktionsplanung und Prozessoptimierung als integrativer Bestandteil von Manufacturing Execution Systems Dipl.-Ing. Thomas Schulz Rockwell Automation, Hamburg Abstract Die Grundidee von Manufacturing Execution Systems als konsequente Erweite- rung des CIM Gedankens blicken nun schon auf lange Historie in der Produkti- on von Gütern zurück. Planung und Optimierung der Produktion etablierten sich dabei zu einem festen Bestandteil. Dieser Artikel soll einen Beitrag bezüglich der Integration dieser Themen innerhalb von Manufacturing Execution Systems aufzeigen. 1 Ausgangssituation Die Verkürzung der Durchlaufzeit bei gleichzeitiger Erhöhung des Produktviel- falt gehört dabei zu den größten Herausforderungen der fertigenden Industrie. Mit Manufacturing Execution Systems können Unternehmen ihre Produktion schnell und flexibel an veränderte Markt- und Nachfragebedingungen anpas- sen. Gleichzeitig sollen Lagerbestände im Fertigungsbereich und im Fertigteil- warenlager minimiert und dadurch Produktionskosten signifikant gesenkt wer- den. Grundlegende Informationen sowie aktuelle Entwicklungen beschreiben dazu die Publikationen [MESA 2004], [IEC 62264-1], [IEC 62264-2], [ISA 95.00.03], [ISA 95.00.04] und [ISA 95.00.05]. Wie in [Schedler 2000] und [Schulz 2000] referiert ist die Integration aller an der Fertigung beteiligten Systeme und Prozesse auf einer Plattform eine zwingen- de Voraussetzung. Fertigungsprozesse, die über Insellösungen gesteuert wer- den sollen sind nach wie vor eines der größten Hemmnisse für Manufacturing Execution Systems. Mit Insellösungen sind Unternehmen nicht in der Lage, die tatsächlichen Produktions- und Lieferprozesse umfassend und in Echtzeit ab- zubilden. Damit fehlt die transparente, durchgängige 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. 2 Planungsmodelle Zentrale Aufgabe der Disposition ist es, die Verfügbarkeit von Material und Ka- pazitäten sicherzustellen. Die Disposition soll also für den internen Gebrauch
  2. 2. und für den Vertrieb die erforderlichen Materialbedarfe termingerecht bereitstel- len, entweder durch Beschaffung oder durch Eigenproduktion. Ergänzend be- rechnet die Disposition auch die Einsatzplanung der Ressourcen. Die Heraus- forderung für die Disposition besteht dabei darin, den optimalen Weg zwischen bestmöglicher Lieferbereitschaft und Minimierung der Kosten und der Kapital- bindung 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 Umgestaltung von Fertigungssystemen mit ihren organisatorischen Ansätze und Grenzen und Potenzialabschätzungen. In einem Produktionsprozess ist ein Auftrag ein zu fertigendes Produkt, an das bestimmte Anforderungen hinsichtlich der Funktion, der Qualität oder des Aus- sehens gestellt werden. Manchmal werden mehrere gleiche oder ähnliche Auf- träge entweder aus produktionstechnischen Gründen oder zur Verringerung der Komplexität beim Planen zusammengefasst. Zur Erledigung eines Auftrages müssen bestimmte Operationen unter Verwendung von Ressourcen durchge- führt werden. Sind zur Erfüllung eines Auftrages mehrere Operationen notwendig, können sie zu einem Prozessplan zusammengefasst werden. Dieser enthält eine Be- schreibung der Ressourcen, die für die einzelnen Operationen benötigt werden und möglicherweise eine zeitliche Reihenfolge der Operationen. Wenn die Art der Operationen erst noch geplant werden muss, wird von einer Prozesspla- nung gesprochen. Wenn nur noch geplant wird, welche Maschine für eine Ope- ration des Prozessplanes benutzt werden sollen, wird auch vom Routing ge- sprochen. 3 Scheduling von Produktionsprozessen Unter dem Scheduling von Produktionsprozessen wird eine Tätigkeit verstan- den, bei der ausgehend von einer Menge von Aufträgen ein zeitlicher Plan auf- gestellt wird, der festhält, wann, bzw. in welcher Reihenfolge die Aufträge fertig gestellt werden und die dafür benötigten Operationen durchgeführt werden. Die Aufgaben der Feinplanung lassen sich basierend auf den Informationen in [Baker 1974] und [Conway 1967] in vier Kategorien einteilen: - Mengenprobleme Welche Los- oder Chargengröße der End- Zwischen- und Vorprodukte werden im Planungszeitraum benötigt? - Terminprobleme (Scheduling) Zu welchen Zeitpunkt soll die Fertigung der einzelnen Aufträge durchgeführt werden? - Zuordnungsprobleme Auf welchen Betriebsmittel mit welchem Werkzeug von welchem Personal soll die Fertigung erfolgen? - Reihenfolgeprobleme (Sequencing)
  3. 3. In welcher Reihenfolge sollen die Fertigungsaufträge abgearbeitet werden? 4 Optimierung als Evaluierung der Planung Neben der Suche nach zulässigen Plänen wird beim Scheduling deswegen häufig noch die Optimierung der erzeugten Pläne anhand von weichen Ein- schränkungen gewünscht. Das Kriterium dafür kann durch quantifizierbare Funktionen vorgegeben werden oder durch eine explizite Darstellung von Prä- ferenzen zwischen Planalternativen. In vielen praktischen Anwendungen verzichtet man von vornherein auf optimale Lösungen, stattdessen gibt man sich mit guten zulässigen Lösungen zufrieden. Oft wissen selbst die Experten des Unternehmens nicht, was die optimale Lö- sung ist, sondern sie können nur sagen, ob eine Lösung besser ist als eine an- dere. Außerdem gibt es dann meist eine Reihe von gleich bewerteten Lösun- gen. Durch regelmäßige Störungen bzw. Abweichungen vom geplanten Verlauf in der Produktion wäre die theoretisch optimale Lösung nur von kurzer Gültig- keit und müsste nach nur minimalen Veränderungen im Produktionsprozess neu berechnet werden. Ein wichtiges Evaluierungskriterium kann auch die Robustheit eines Planes ge- genüber Störungen und Abweichungen 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 [Fandel 2003] und [Quadt 2004]. 5 Informationsrückkopplung Das Scheduling von Produktionsprozessen liegt in einem Unternehmen unter- halb der Ebene der Produktionsplanung. Ein ERP-System generiert meist eine Auftragsliste aufgrund von geschätzten Kapazitäten und Lieferzeiten, ohne dass eine mögliche Reihung der Aufträge bekannt ist (Vergleiche Abbildung 1). Die Menge einzuplanender Auftrag kann aber auch von einem weiterverarbei- tenden Betrieb kommen, der als Auftraggeber fungiert. Unter Berücksichtigung von Auftragspräferenzen und von technischen Einschränkungen in der Produk- tion müssen dann eine Planung der Reihenfolge und möglicherweise eine Fest- legung von Zeiten für Operationen auf Maschinen geschehen. Es lassen sich durch die Betrachtung der Regelmäßigkeit der Datenerfassung bei der Rückkopplung zwei verschiedene Typen definieren. Man unterscheidet in konstante und bedarfsgesteuerte Rückkopplung. Die konstante Rückkopp- lung besteht aus zeitlich festen oder durch äußeren Takt vorgegebenen Ab- ständen der Datenübertragung nach bestimmten Schemata, wie etwa die kon- stante Informationsübetragung von der Produktion im Rahmen der Maschinen- und Betriebsdatenerfassung.
  4. 4. Abbildung 1: Informationsrückkopplung Ist es nicht erforderlich, Informationen kontinuierlich zur Verfügung zu stellen, sondern genügt es, beim Auftreten bestimmter Ausnahmefälle eine Rückkopp- lungsnachricht an einen Bereich zu senden, in der ein bestimmtes Ereignis do- kumentiert wird, so spricht man von einer bedarfsgesteuerten Rückkopplung. Die bedarfsgesteuerte Rückkopplung ist im Gegensatz zur konstanten Rück- kopplung flexibler, erfordert jedoch einen höheren Aufwand bei der Erfassung und Verwaltung der Rückkopplungsnachrichten. 6 Integrierter Lösungsansatz Basierend auf einem gemeinsamen Fabrikdatenmodell analysiert und optimiert simultan das Modul Scheduler aus der BizWare-Suite die benötigten Ressour- cen und findet die jeweils beste Planungsreihenfolge. Es werden die vorhande- nen realen Produktionsbedingungen sowie manuelle Einschränkungen berück- sichtigt. Die Plantafel ist die zentrale Oberflächenkomponente eines Ablaufplanungs- systems. 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 einzuplanenden Produk- tionsaufträge zu gewinnen. In Abbildung 2 ist beispielhaft ein Gantt-Diagramm dargestellt, welches die zeitliche Belegung mehrerer Maschinen darstellt. Somit ist es nun möglich, einen schnellen Überblick über belegte und noch ver- fügbare Ressourcen zu gewinnen. Es lassen sich jedoch noch weitere Informa- tionen im Diagramm darstellen. So kann man z. B. durch die farbliche Gestal- tung der Balken Zusammengehörigkeiten der einzelnen Schritte verdeutlichen. Eine weitere Möglichkeit ist die Unterteilung nach Priorität oder Status eines Schrittes.
  5. 5. Abbildung 2: Beispiel einer Plantafel 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 gegebenen Bedingungen wie benötigter Maschinentyp oder ausreichende freie Kapazität erfüllt sind. 7 Zusammenfassung Die vorliegende Arbeit hat einige Herausforderungen bezüglich integrierter Ma- nufacturing Execution Systems diskutiert. Der vorgestellte Lösungsansatz ist modularer Teil eines offenen Lösungskonzeptes. Die Informationsrückkopplung wurde als zentraler Kern sowohl für die Feinplanung von Fertigungsaufträgen als auch nachfolgender Prozessoptimierungen herausgearbeitet. Literatur Baker 1974 BAKER, Kenneth R.: Introduction to Sequencing and Schedul- ing. New York : Wiley, 1974 Conway 1967 CONWAY, Richard W.; MAXWELL, William L.; MILLER, Louis W.: Theory of Scheduling. Reading : Addison-Wesley, 1967 Quadt 2004 QUADT, Daniel: Lot-Sizing and Scheduling for Flexible Flow Lines. In: Lecture Notes in Economics and Mathematical Sys- tems. Berlin : Springer, Vol. 546, XVIII, 2004, S. 227-230 Fandel 2003 FANDEL, Günter; STAMMEN-HEGENER, Cathrin: Entwick- lung eines Modells zur simultanen Losgrößen- und Reihenfol- geplanung bei einstufiger Mehrproduktfertigung. In: Hermann, Jahnke [Hrsg.]: Betriebswirtschaftslehre und betriebliche Pra-
  6. 6. xis : Festschrift für Horst Seelbach zum 65. Geburtstag. Wies- baden : Deutscher Univ.-Verl., 2003, S. 25-47 Schedler 2000 SCHEDLER , Dietmar; SCHULZ, Thomas: Datenmodellierung eines Manufacturing Execution Systems mit Hilfe integrierter Toolsets für ein fischverarbeitendes Unternehmen. In: Ta- gungsband IT & Automation 2000. Berlin : VDE-Verlag, 2000, S. 267-276. Schulz 2000 SCHULZ, Thomas: Vorteile und Einsatzfelder integrierter Toolsets zur Modellierung von Manufacturing Execution Sys- tems (MES). In: Scientific Reports - Wissenschaftliche Berich- te. Nr. 5: IWKM 2000 - Band A: Automatisierungstechnik. Mitt- weida : Wissenschaftliche Zeitschrift der Hochschule Mittwei- da, 2000, S. 65-72. MESA 2004 MESA: MESA´s next generation collaborative MES Model. Chandler : MESA International, White Paper No. 8, Mai 2004 IEC 62264-1 IEC 62264-1:2003: Enterprise-control system integration, Part 1: Models and terminology. Genf : ISO copyright office, 2003 IEC 62264-2 IEC 62264-2:2004: Enterprise-control system integration, Part 2: Model object attributes. Genf : ISO copyright office, 2004 ISA 95.00.03 ANSI/ISA-95.00.03-2005 Enterprise-Control System Integra- tion, Part 3: Models of Manufacturing Operations Manage- ment. Research Triangle Park : Instrumentation, Systems and Automation Society, 2005 ISA 95.00.04 ISA Draft 95.00.04: Enterprise-Control System Integration Part 4: Object Models and Attributes of Manufacturing Opera- tions Management. Research Triangle Park : Instrumentation, Systems and Automation Society, 2005 ISA 95.00.05 ISA Draft 95.00.05: Enterprise-Control System Integration, Part 5: Business to Manufacturing Transactions. Research Tri- angle Park : Instrumentation, Systems and Automation Soci- ety, 2005

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