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Teil 5: Das Herstellen einer im Kontext der Umwelt konsistenten Produktion – Bedarfsorientierter Anstoß der Produktion

Prof. Dr.-Ing. habil. Wilhelm DangelmaierModul W 2332SS 2015

Produktionsplanung und -steuerung

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Das Herstellen einer im Kontext der Umwelt konsistenten Produktion

Wirtschaftsinformatik, insb. CIM

Übersicht Bedarfsorientierte Produktion Verbrauchsorientierte Produktion

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Das Herstellen einer im Kontext der Umwelt konsistenten Produktion - Bedarfsorientierter Anstoß der Produktion


Produktionsplanung umfasst ... jene Phasen, in deren Mittelpunkt die systematische Suche und Festlegung der gegenwärtigen Handlungsmöglichkeiten steht, um die zukünftigen Zustände im Produktionsbereich festzulegen. Sie entspricht dem Willensbildungsprozess. Nicht jeder Plan ist gleich gut im Sinne einer mit der Planung erfolgten Zielsetzung. Entscheidend ist die Wahl des Planungsmodells und der darauf angewandten Verfahren. Nicht zuletzt ist diese Wahl bestimmt durch den Aufwand, der für die Planung getrieben werden kann oder soll. Daher sind im Folgenden zwei Ansätze angegeben, die mit unterschiedlichen Verfahren und nicht vergleichbarem Aufwand letztlich doch dasselbe Ziel verfolgen, nämlich konsistente Vorgaben für die zielkonforme Produktion zu ermitteln.

Bedarfsorientierte hierarchische Vorgehensweise - Manufacturing Ressource Planning (MRP)Insbesondere ältere marktgängige PPS-Systeme basieren auf einem schrittweise aufeinanderfolgenden („sukzessiven“) Ablauf der Teilplanungen.

Diese Sequenz von Teilplanungen ist durch eine fortschreitende Differenzierung und sachliche/zeitliche Detaillierung gekennzeichnet. Die üblicherweise rollierende Planung verwendet ausgehend von der Produktionsprogrammplanung bis zur Steuerungsebene immer kürzere Planungshorizonte.

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Das Herstellen einer im Kontext der Umwelt konsistenten Produktion - Bedarfsorientierte hierarchische Vorgehensweise / Manufacturing Ressource Planning (MRP)


Funktionsgruppen und Einzelfunktionen der Produktionsplanung und -steuerung

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Im Rahmen der Produktionsprogrammplanung sind - ausgehend von Absatzprognosen und/oder bereits eingegangenen Kundenaufträgen - die zu produzierenden Erzeugnisse nach Art, Menge und Termin im Planungszeitraum festzulegen. Damit wird gleichzeitig der Primärbedarf fixiert, der als Vorgabe in die Mengenplanung eingeht. Die Systemunterstützung durch PPS-Systeme beschränkt sich in vielen Fällen auf die Bereitstellung von Prognoseverfahren. Diese sind für eine erwartungsbezogene Programmbildung von Interesse. Optimierungsmodelle, die erlauben, Produktionsprogramme unter dem Gesichtspunkt von Kosten oder Deckungsbeiträgen zu ermitteln, fehlen in der Regel.

Für eine kundenauftragsbezogene Programmbildung ist im besonderen die Lieferterminbestimmung wesentlich, die unter Beachtung der aktuellen Kundenaufträge die Kapazitätssituation des Betriebes und die Materialdeckung in die Analyse einzubeziehen hat. Eine terminliche Vorlaufsteuerung für die auftragsabhängigen Arbeiten der Konstruktion und Arbeitsplanung ist im Rahmen einer kundenauftragsbezogenen Programmplanung vorzunehmen.

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Die Mengenplanung ermittelt die Verbrauchsfaktoren (Repetierfaktoren) nach Art, Menge und Termin, die zu fertigen bzw. zu beschaffen sind, um das geplante Produktionsprogramm durchzuführen (Materialbedarfsplanung). Dazu enthalten PPS-Systeme Programme der Stücklistenauflösung (Stücklisten und Rezepturen), die es ermöglichen, den Sekundär-Bedarf an Baugruppen, Teilen, Rohstoffen zu errechnen (Materialbedarfsplanung). Bei der Nettobedarfsermittlung werden die verfügbaren Lagerbestände der Komponenten (Lagerbestand, Bestellbestand, Werkstattbestand sowie Reservierungen) in der Rechnung berücksichtigt. Untrennbar mit diesen Aufgaben ist daher eine Bestandsführung verbunden. Diese erfasst und verbucht Lagerzugänge und -abgänge. Damit lassen sich buchmäßige Lagerbestandswerte feststellen und statistische Auswertungen über den vergangenen Verbrauch vornehmen. Im Rahmen der Nettobedarfsrechnung ist eine Losgrößen- bzw. Bestellgrößenrechnung vorgesehen. PPS-Systeme enthalten dazu einfache Verfahren, die erlauben, Rüst- und Lagerhaltungskosten alternativer Auftragsgrößen gegeneinander abzuwägen. Der Nettobedarf für jede Verbrauchsfaktorklasse wird durch eine zeitliche Vorlaufverschiebung auf Perioden zugeordnet. Damit wird der Produktionsbeginn je Produktionsstufe und gleichzeitig der Bruttobedarf für die vorhergehenden Produktionsstufen ausgelöst. Die Vorlaufzeitverschiebung basiert auf geplanten Durchlaufzeiten. Ergebnis dieses Schrittes sind terminierte Fertigungsaufträge bzw. Bestellaufträge für Einkaufsteile, die über einen bestimmten Zeitraum aus dem Nettobedarf abgeleitet werden. Es erfolgt keine Zuordnung zu Gebrauchsfaktoren.

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Die Termin- und Kapazitätsplanung ermittelt die Start- und Endtermine für die Vorgänge der geplanten Fertigungsaufträge. Basis stellen dabei die Rüst- und Bearbeitungszeiten je Einheit aus den Arbeitsplänen dar, sowie die in der Regel vergangenheitsbezogenen Übergangszeiten, die Warte-, Transportzeiten und dergleichen antizipieren sollen.

Die Termin- und Kapazitätsplanung erfolgt im Allgemeinen in zwei Schritten: Der erste Schritt der Terminplanung, die Durchlaufterminierung (Termingrobplanung) legt die Start- und Endtermine der Vorgänge unter Beachtung der technisch bedingten Arbeitsabläufe fest, ohne aber die Kapazitätsgrenzen zu berücksichtigen. Die Ablaufstruktur wird in der Durchlaufterminierung je Sekundarauftrag aus der Mengenplanung nur einmal instanziiert. Damit reduziert sich eine Bestandsaussage auf eine 0/1 - Aussage, nämlich ob der Vorgängervorgang beendet und der Nachfolgervorgang noch nicht begonnen worden ist. Die Kapazitätsbedarfsrechnung ermittelt aus den terminierten Vorgängen den Kapazitäts-bedarf auf den entsprechenden Gebrauchsfaktoren in den einzelnen Planperioden. Dazu werden die Kapazitätsbedarfe der einzelnen Vorgänge bspw. je Maschinengruppe und Periode summiert und dem entsprechenden Kapazitätsangebot gegenüberstellt. Resultat sind ggf. Über- und Unterdeckungen.

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Die Durchlaufterminierungslogik summiert die im Graphen des Produktionsablaufs enthaltenen Zeiten zur Gesamtdauer auf. Das so entstehende Termingerüst eines Sekundär-Auftrages wird nun auf die Zeitachse projiziert. Für die einzelnen Vorgänge kann je ein Start- und Endzeitpunkt bestimmt werden. Start- und Endtermine können entweder durch Rückwärtsabarbeitung oder durch Vorwärtsabarbeitung berechnet werden. Terminfenster, die als Spielraum in der Kapazitätsabstimmung genutzt werden können, entstehen durch die Hintereinanderschaltung von Rückwärts- und Vorwärtsabarbeitung der Ablauf-Struktur (Ermittlung frühester und spätester Termine). Kann die Zeitstrecke des zu terminierenden Auftrages nicht mit den gegebenen Daten (Starttermin oder Liefertermin) realisiert werden, müssen die Durchlaufzeiten reduziert werden. Im Rahmen der Durchlaufterminierung bestehen dann im wesentlichen zwei Möglichkeiten. Zum einen können die Liegezeiten reduziert werden und zum anderen kann durch Überlappung - vorzeitige Weitergabe von Teilauftragsmengen - eine Verringerung der Gesamtausführungszeit erzielt werden. Die Bildung von Teilmengen muss Restriktionen seitens der Produktionsaufgabe berücksichtigen, wenn technologische Restriktionen beispielsweise feste Transportlosgrößen erfordern.

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Der zweite Schritt ist die Kapazitätsterminierung. Diese hat die Aufgabe, Kapazitätsbedarf und -angebot aufeinander abzustimmen, sofern diese voneinander pro Betriebsmittelklasse (z.B. Fertigungslinie oder Maschinengruppe) und Periode abweichen.

Für die geplanten Fertigungsaufträge ist zu bestimmen, welche von diesen freigegeben werden. Freigabeverfahren betrachten mehrere Vorgänge je Betriebsmittel und Zeitabschnitt, wobei sie keine Aussage bezüglich einer Reihenfolge der freigegebenen Vorgänge geben. Die Verfahren überprüfen in einer auftragsorientierten Vorgehensweise, ob alle für den Vollzug eines Auftrags durchzuführenden Vorgänge einer Ablaufstruktur bei einem vorgegebenen Kapazitätsangebot eingelastet werden können. Bei positivem Ergebnis erfolgt eine Freigabe der Aufträge, ohne jedoch die Reihenfolge der konkreten Abarbeitung an den jeweiligen Gebrauchsfaktoren vorzugeben. Ein solches Verfahren würde für das dargestellte Beispiel überprüfen, ob für die zu den Aufträgen gehörigen Vorgänge genügend Kapazitätsangebot vorhanden ist. Danach würde eine Freigabe erfolgen. Die im Beispiel eingetragenen Ereignisse würden dann im Eintrittspunkt an den Verrichtungsknoten am Anfang des jeweiligen Zeitabschnitts in einem Punkt zusammenfallen.

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Die Auftragsfreigabe ist mit einer Verfügbarkeitskontrolle verbunden. Diese hat zu gewährleisten, dass für die freigegebenen Aufträge das erforderliche Personal, die Maschinen, die Werkzeuge und Vorrichtungen etc. bereitstehen. Im Rahmen einer automatisierten Fertigung ist auch die Verfügbarkeit von NC- und Roboter-Programmen sicherzustellen.

Reihenfolgeverfahren geben eine explizite Reihenfolge für die Ereignisse vor. Diese Verfahren umfassen die Anwendung von Algorithmen, die unter bestimmten Annahmen und der Vorgabe einer Zielfunktion eine optimale Belegung der Zeitereignislisten berechnen. So könnte beispielsweise eine Belegung auf der Lösung eines Job-Shop-Modells basieren, das eine beliebige Anzahl von Aufträgen, zwei Maschinen, eine beliebige Vorgangsdauer und als Zielfunktion eine minimale Gesamtdurchlaufzeit annimmt. Dazu lassen sich Leitstände verwenden. Die sich ergebenden Maschinenbelegungspläne und die benötigten Informationen (z. B. Fertigungsbelege) sind im Anschluss daran den operativen Produktionsstellen zu übermitteln und die Arbeit zu verteilen.

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Das Herstellen einer im Kontext der Umwelt konsistenten Produktion – Verbrauchsorientierter Anstoß der Produktion


Eine verbrauchsorientierte Vorgehensweise löst Aufträge aufgrund erfolgter Verbräuche und daraus abgeleiteter verfügbarer Bestände aus. Diese Auslösung ist losgelöst von einer Erzeugnisstruktur, in der die jeweiligen Verbrauchsfaktoren verwendet werden. Damit verbunden sind wesentliche organisatorische Festlegungen wie die feste Zuordnung von Produkt und Gebrauchsfaktor oder die Zuordnung von Verbrauchsfaktor und Lagerplatz. Die Produktion wird als Reaktion auf Bestandsentnahmen mit begrenzten Auftragsmengen angestoßen. Neben dem Abgangs- und dem Bestandsrisiko müssen auch die Zugangsrisiken, verursacht u. a. durch die Bestandsverfügbarkeit der Gebrauchsfaktoren abgedeckt werden. Sind diese Risiken begrenzt, so kann auf diese Art mit einem Minimum an organisatorischen Aufwand produziert werden.

Isolierte Verbrauchsfaktorknoten als Graph des Produktionsablaufs

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Eine spezielle Form eines verbrauchsorientierten Vorgehens ist das KANBAN-System. Ziel des KANBAN-Systems ist die „Just-in-time“-Produktion. Dabei soll nur die benötigte Menge gefertigt werden und die Steuerung durch Selbstregulierung erfolgen. Hilfsmittel dazu ist ein Beleg, der jeweils einem Behälter und damit einem Transportlos zugeordnete „KANBAN“. Als Signalgeber der KANBAN Materialbestellungen, Fertigungsaufträge, Montageaufträge und Transporte aus (Holprinzip; interdependente selbststeuernde Regelkreise).

Mögliche Informationen auf einer KANBAN-Karte sind z. B. Sachnummer, Benennung, Skizze, Verwendung, Bedarfsmenge, Lieferzeit, Verpackungsart, Zieladresse, Herkunftsadresse, Arbeitsplandaten, Teilefamiliennummer, Behälterart, Menge pro Behälter, Anzahl der Karten im Umlauf, Barcode usw.

Schematische Darstellung einerKANBAN-Karte

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Beispiele zweier KANBAN-Karten

Besonders ist darauf hinzuweisen, dass bei diesen Beispielen zwei- bzw. dreimal je Tag bereitgestellt wird. Ziel ist hier, dass bspw. vor einer Schicht alle Materialien bereitgestellt sind und nicht während der Schicht nach Material gesucht, transportiert usw. werden muss, sondern ausschließlich produziert wird. Transportlos ist dann z. B. das Fertigungslos einer Schicht, das ggf. aus mehreren Behältern bestehen kann.

KANBAN-Karte - 2 Lieferungen/Tag

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KANBAN-Karte - 4 Lieferungen/Tag

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Die hier festzustellende Übereinstimmung von Bestellpunkt und -zyklus adressiert die Hauptvoraussetzung für eine verbrauchsorientierte Vorgehensweise: Eine qualitativ und quantitativ konstante Produktion. Häufigere Änderungen in Produktionsablauf und -mengen würden einerseits eine nicht praktikable ständige Neuauslegung der Regelkreise bedingen und andererseits durch Überschreiten der Bestellpunktmengen die Lieferfähigkeit gefährden. Eine Glättung der Nachfrage durch Standardisierung und Teilefamilienbildung ist daher Bestandteil der KANBAN-Konzepts.Die weitgehende Entsprechung vonMenge und Zeit bei einer weitgehend konstanten Produktionsgeschwindig-keit führt zu einem zyklischen Vorgehen.

Arbeitsweise des KANBAN-Systems bei tage-/schichtweiser Bereitstellung

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Lean Factory – die Gruppe für schlanke Prozessketten

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Gegenüberstellung von Zwei-Karten-, Ein-Karten- und Signal-Karten-KANBAN-System

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Im Zwei-Karten-System wird zwischen zwei KANBANs unterschieden:

a. Aufgabe des Transport-KANBAN ist das Auslösen des Behältertransportes zwischen zwei Arbeitssystemen. Sein Weg ist der Kreislauf zwischen dem Produktelager von Arbeitssystem n-1 und dem Verbrauchsfaktorvorrat von Arbeitssystem n.

b. Die Aufgabe des Produktions-KANBAN ist das Auslösen von Fertigungsaufträgen. Sein Weg ist der Kreislauf zwischen Arbeitssystem und Produktelager n.

Nicht dargestellt ist der Rücktransport der leeren Paletten.

Materialfluss und Zirkulation der KANBAN-Karten

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Sehr nahe einer konventionellen verbrauchsorientierten Mengenplanung, bei der Fertigungslos und Transportlos nicht mehr übereinstimmen, kommt das Arbeiten mit dem Signal-KANBAN. Mehrere KANBANs werden zu einer Bestellung mit einer bestimmten Bestellmenge zusammengefasst.

Arbeiten mit Signal-KANBAN

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Mit der Bestimmung der KANBAN-Anzahl wird der maximale Bestand einer Verbrauchsfaktorklasse auf der betreffenden Produktionsstufe festgelegt. Die Anzahl der KANBANs bestimmt sich mit

y Anzahl der KANBANs für eine bestimmte VerbrauchsfaktorklasseDurchschnittlicher Bedarf für diese Verbrauchsfaktorklasse pro ZeitabschnittWiederbeschaffungszeit in Zeitabschnitten

a Kapazität eines Behälters für diese VerbrauchsfaktorklasseSF Sicherheitsfaktorzu Der Bedarf wird auf Grundlage des mittelfristigen Absatz- und Produktionsprogramms ermittelt. Nach einer Umformung entspricht diese Formel der Bestimmungsgleichung für den Meldebestand bei der verbrauchsgesteuerten Disposition (Bestellpunktverfahren):

Der Bestand entspricht somit dem geplanten Verbrauch während der Wiederbeschaffungszeit zuzüglich eines Sicherheitsbestands. Die Anzahl der KANBANs muss einen ausreichenden Bestand sicherstellen, so dass der Produktionsfluss ohne Unterbrechungen gewährleistet ist.

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Wirtschaftsinformatik, insb. CIM21


Beispiel für eine Anwendung des KANBAN-Systems (Ein-Karten-KANBAN/Signal-KANBAN); (nach Beschaffungspraxis)

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