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 Prozessoptimierungals integrativer Bestandteil von Manufacturing Execution SystemsDipl.-Ing. Thomas SchulzRockwell Automation, HamburgAbstractDie Grundidee von Manufacturing Execution Systems als konsequente Erweite- rung des CIM Gedankens blicken nun schon auf lange Historie in der Produkti- on von Gtern zurck. Planung und Optimierung der Produktion etablierten sich dabei zu einem festen Bestandteil. Dieser Artikel soll einen Beitrag bezglich der Integration dieser Themen innerhalb von Manufacturing Execution Systems aufzeigen.1 AusgangssituationDie Verkrzung der Durchlaufzeit bei gleichzeitiger Erhhung des Produktviel- falt gehrt dabei zu den grten Herausforderungen der fertigenden Industrie. Mit Manufacturing Execution Systems knnen Unternehmen ihre Produktion schnell und flexibel an vernderte Markt- und Nachfragebedingungen anpas- sen. Gleichzeitig sollen Lagerbestnde 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 ber Insellsungen gesteuert wer- den sollen sind nach wie vor eines der grten Hemmnisse fr Manufacturing Execution Systems. Mit Insellsungen sind Unternehmen nicht in der Lage, die tatschlichen Produktions- und Lieferprozesse umfassend und in Echtzeit ab- zubilden. Damit fehlt die transparente, durchgngige Sicht auf die Fertigung, was die Mglichkeiten zur schnellen Reaktion stark einschrnkt. Dieses hat zur Folge, dass Unternehmen nur verzgert auf Nachfrage, Kundenanforderungen oder Lieferbedingungen reagieren knnen.2 PlanungsmodelleZentrale Aufgabe der Disposition ist es, die Verfgbarkeit von Material und Ka- pazitten sicherzustellen. Die Disposition soll also fr den internen Gebrauch

2. und fr den Vertrieb die erforderlichen Materialbedarfe termingerecht bereitstel- len, entweder durch Beschaffung oder durch Eigenproduktion. Ergnzend be- rechnet die Disposition auch die Einsatzplanung der Ressourcen. Die Heraus- forderung fr die Disposition besteht dabei darin, den optimalen Weg zwischen bestmglicher 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 Anstze und Grenzen und Potenzialabschtzungen.In einem Produktionsprozess ist ein Auftrag ein zu fertigendes Produkt, an das bestimmte Anforderungen hinsichtlich der Funktion, der Qualitt oder des Aus- sehens gestellt werden. Manchmal werden mehrere gleiche oder hnliche Auf- trge entweder aus produktionstechnischen Grnden oder zur Verringerung der Komplexitt beim Planen zusammengefasst. Zur Erledigung eines Auftrages mssen bestimmte Operationen unter Verwendung von Ressourcen durchge- fhrt werden.Sind zur Erfllung eines Auftrages mehrere Operationen notwendig, knnen sie zu einem Prozessplan zusammengefasst werden. Dieser enthlt eine Be- schreibung der Ressourcen, die fr die einzelnen Operationen bentigt werden und mglicherweise 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 fr eine Ope- ration des Prozessplanes benutzt werden sollen, wird auch vom Routing ge- sprochen.3 Scheduling von ProduktionsprozessenUnter dem Scheduling von Produktionsprozessen wird eine Ttigkeit verstan- den, bei der ausgehend von einer Menge von Auftrgen ein zeitlicher Plan auf- gestellt wird, der festhlt, wann, bzw. in welcher Reihenfolge die Auftrge fertig gestellt werden und die dafr bentigten Operationen durchgefhrt 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 Chargengre der End- Zwischen- und Vorprodukte werden im Planungszeitraum bentigt? - Terminprobleme (Scheduling) Zu welchen Zeitpunkt soll die Fertigung der einzelnen Auftrge durchgefhrt werden? - Zuordnungsprobleme Auf welchen Betriebsmittel mit welchem Werkzeug von welchem Personal soll die Fertigung erfolgen? - Reihenfolgeprobleme (Sequencing) 3. In welcher Reihenfolge sollen die Fertigungsauftrge abgearbeitet werden?4 Optimierung als Evaluierung der PlanungNeben der Suche nach zulssigen Plnen wird beim Scheduling deswegen hufig noch die Optimierung der erzeugten Plne anhand von weichen Ein- schrnkungen gewnscht. Das Kriterium dafr kann durch quantifizierbare Funktionen vorgegeben werden oder durch eine explizite Darstellung von Pr- ferenzen zwischen Planalternativen.In vielen praktischen Anwendungen verzichtet man von vornherein auf optimale Lsungen, stattdessen gibt man sich mit guten zulssigen Lsungen zufrieden. Oft wissen selbst die Experten des Unternehmens nicht, was die optimale L- sung ist, sondern sie knnen nur sagen, ob eine Lsung besser ist als eine an- dere. Auerdem gibt es dann meist eine Reihe von gleich bewerteten Lsun- gen. Durch regelmige Strungen bzw. Abweichungen vom geplanten Verlauf in der Produktion wre die theoretisch optimale Lsung nur von kurzer Gltig- keit und msste nach nur minimalen Vernderungen im Produktionsprozess neu berechnet werden.Ein wichtiges Evaluierungskriterium kann auch die Robustheit eines Planes ge- genber Strungen und Abweichungen im Produktionsprozess sein. Ein Plan sollte dann besser bewertet werden, wenn diese nderungen keine Umplanung erfordern, weil von einer Umplanung meist wieder viele andere Entscheidungen abhngen (Vergleiche hierzu [Fandel 2003] und [Quadt 2004].5 InformationsrckkopplungDas Scheduling von Produktionsprozessen liegt in einem Unternehmen unter- halb der Ebene der Produktionsplanung. Ein ERP-System generiert meist eine Auftragsliste aufgrund von geschtzten Kapazitten und Lieferzeiten, ohne dass eine mgliche Reihung der Auftrge bekannt ist (Vergleiche Abbildung 1). Die Menge einzuplanender Auftrag kann aber auch von einem weiterverarbei- tenden Betrieb kommen, der als Auftraggeber fungiert. Unter Bercksichtigung von Auftragsprferenzen und von technischen Einschrnkungen in der Produk- tion mssen dann eine Planung der Reihenfolge und mglicherweise eine Fest- legung von Zeiten fr Operationen auf Maschinen geschehen.Es lassen sich durch die Betrachtung der Regelmigkeit der Datenerfassung bei der Rckkopplung zwei verschiedene Typen definieren. Man unterscheidet in konstante und bedarfsgesteuerte Rckkopplung. Die konstante Rckkopp- lung besteht aus zeitlich festen oder durch ueren Takt vorgegebenen Ab- stnden der Datenbertragung nach bestimmten Schemata, wie etwa die kon- stante Informationsbetragung von der Produktion im Rahmen der Maschinen- und Betriebsdatenerfassung. 4. Abbildung 1: InformationsrckkopplungIst es nicht erforderlich, Informationen kontinuierlich zur Verfgung zu stellen, sondern gengt es, beim Auftreten bestimmter Ausnahmeflle eine Rckkopp- lungsnachricht an einen Bereich zu senden, in der ein bestimmtes Ereignis do- kumentiert wird, so spricht man von einer bedarfsgesteuerten Rckkopplung. Die bedarfsgesteuerte Rckkopplung ist im Gegensatz zur konstanten Rck- kopplung flexibler, erfordert jedoch einen hheren Aufwand bei der Erfassung und Verwaltung der Rckkopplungsnachrichten.6 Integrierter LsungsansatzBasierend auf einem gemeinsamen Fabrikdatenmodell analysiert und optimiert simultan das Modul Scheduler aus der BizWare-Suite die bentigten Ressour- cen und findet die jeweils beste Planungsreihenfolge. Es werden die vorhande- nen realen Produktionsbedingungen sowie manuelle Einschrnkungen berck- sichtigt.Die Plantafel ist die zentrale Oberflchenkomponente eines Ablaufplanungs- systems. Alle wichtigen Daten werden in einem Gantt-Diagramm graphisch aufbereitet, wodurch dem Planer die Mglichkeit geboten wird, einen schnellen berblick ber alle bereits verplanten, sowie alle noch einzuplanenden Produk- tionsauftrge zu gewinnen. In Abbildung 2 ist beispielhaft ein Gantt-Diagramm dargestellt, welches die zeitliche Belegung mehrerer Maschinen darstellt.Somit ist es nun mglich, einen schnellen berblick ber belegte und noch ver- fgbare 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 Zusammengehrigkeiten der einzelnen Schritte verdeutlichen. Eine weitere Mglichkeit ist die Unterteilung nach Prioritt oder Status eines Schrittes. 5. Abbildung 2: Beispiel einer PlantafelDie Plantafel besitzt neben den oben aufgefhrten darstellenden Funktionen auch die Mglichkeit zur Interaktion mit dem Benutzer. Dieser kann einzelne Produktionsschritte mit der Maus im Diagramm verschieben. Dabei berprft anschlieend das Programm, ob alle gegebenen Bedingungen wie bentigter Maschinentyp oder ausreichende freie Kapazitt erfllt sind.7 ZusammenfassungDie vorliegende Arbeit hat einige Herausforderungen bezglich integrierter Ma- nufacturing Execution Systems diskutiert. Der vorgestellte Lsungsansatz ist modularer Teil eines offenen Lsungskonzeptes. Die Informationsrckkopplung wurde als zentraler Kern sowohl fr die Feinplanung von Fertigungsauftrgen als auch nachfolgender Prozessoptimierungen herausgearbeitet.LiteraturBaker 1974BAKER, Kenneth R.: Introduction to Sequencing and Schedul- ing. New York : Wiley, 1974Conway 1967 CONWAY, Richard W.; MAXWELL, William L.; MILLER, Louis W.: Theory of Scheduling. Reading : Addison-Wesley, 1967Quadt 2004QUADT, 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. 227-230Fandel 2003 FANDEL, Gnter; STAMMEN-HEGENER, Cathrin: Entwick- lung eines Modells zur simultanen Losgren- und Reihenfol- geplanung bei einstufiger Mehrproduktfertigung. In: Hermann, Jahnke [Hrsg.]: Betriebswirtschaftslehre und betriebliche Pra- 6. xis : Festschrift fr Horst Seelbach zum 65. Geburtstag. Wies-baden : Deutscher Univ.-Verl., 2003, S. 25-47Schedler 2000 SCHEDLER , Dietmar; SCHULZ, Thomas: Datenmodellierung eines Manufacturing Execution Systems mit Hilfe integrierter Toolsets fr ein fischverarbeitendes Unternehmen. In: Ta- gungsband IT & Automation 2000. Berlin : VDE-Verlag, 2000, S. 267-276.Schulz 2000SCHULZ, Thomas: Vorteile und Einsatzfelder integrierterToolsets 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 2004MESA: MESAs next generation collaborative MES Model.Chandler : MESA International, White Paper No. 8, Mai 2004IEC 62264-1IEC 62264-1:2003: Enterprise-control system integration,Part 1: Models and terminology. Genf : ISO copyright office,2003IEC 62264-2IEC 62264-2:2004: Enterprise-control system integration,Part 2: Model object attributes. Genf : ISO copyright office,2004ISA 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 andAutomation Society, 2005ISA 95.00.04 ISA Draft 95.00.04: Enterprise-Control System IntegrationPart 4: Object Models and Attributes of Manufacturing Opera-tions Management. Research Triangle Park : Instrumentation,Systems and Automation Society, 2005ISA 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