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.
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.
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.
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.
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.
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6.
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