Produktionsplanung und -steuerung Selbstorganisierende Produktionssteuerung reagiert flexibel auf ungeplante Ereignisse

Komponenten kommunizieren direkt untereinander, Störungen und Eilaufträge erfordern keine Neuplanung. Aufträge und Ressourcen werden nicht von einer Zentrale "fremdbestimmt" ...

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Der effektive und effiziente Umgang selbstorganisierter Produktionssysteme mit nicht vorhersehbaren Erreignissen kann künftig dafür sorgen, dass Störungen ebenso wie Eilaufträge lediglich als lokal auftretende Veränderungen wahrgenommenwerden. Deshalb wird keine zeitraubende und schnell veraltende Neuplanung erforderlich sein. Der immer stärker werdende Kostendruck erzeigt bei den Unternehmen der Fertigungsindustrie die Notwendigkeit, ihre Produktion effizienter zu gestalten. Der Erfolg hängt von der Fähigkeit ab, bei steigendem Auftragsbestand mit kleineren Losgrößen kurze Durchlaufzeiten und hohe Termintreue zu erreichen. Durch diese kundenseitigen Forderungen, verbunden mit den alltäglichen Änderungen und Störungen im Fertigungsablauf, verschärft sich die Aufgabenstellung für die Arbeitsvorbereitung und Disposition. Trotz der konsequenten Planung der Produktionsabläufe durch den Einsatz von Produktionsplanungs- und Steuerungssystemen (PPS-Systeme) ergeben sich schwerwiegende Hindernisse bei der Umsetzung der Planungsergebnisse in der Fertigung:

• Auf der Grundlage längst überholter Kapazitätsmeldungen werden utopische Terminzusagen gemacht.

• Die Einplanung von Aufträgen ohne Beachtung der aktuellen Ressourcenauslastung führt zu Auslastungsschwankungen.

• Auf Unregelmäßigkeiten und Störungen wie Maschinenausfälle, Ausschuss, schwankende Prozesszeiten kann nicht schnell genug reagiert werden.

Da der Erfolg der Produktionsplanung mit der Durchsetzung des Plans im Produktionsbetrieb steht und fällt, haben sich außer den PPS-Systemen sogenannte ME-Systeme (Manufacturing-Execution-Systeme) etabliert (Bild 1). ME-Systeme haben das ganzheitliche Fertigungsmanagement zum Ziel. Eine wesentliche Aufgabe stellt dabei die konsequente Optimierung der gesamten Wertschöpfungskette dar, weshalb die Feinplanung und -steuerung der Fertigungsprozesse an Bedeutung gewinnt. Durch die Feinplanung können die heute wesentlichen Zielkriterien wie Termineinhaltung, Durchlaufzeiten und Bestände optimiert werden. Dies setzt voraus, dass die erzeugten Prozesspläne ständig an Störungen und Abweichungen in der Produktion angepasst und im realen Fabrikbetrieb umgesetzt werden (Bild 2).

Realitätsnahes Abbilddes Fertigungsprozesses

Hinter den ME-Systemen verbirgt sich der Grundgedanke, einen geschlossenen Regelkreis zwischen Planung und Produktion aufzubauen. Die konsequente Erfassung der Produktionsdaten mit BDE-/MDE-Systemen (Betriebs-/Maschinendatenerfassung) sorgt dafür, dass immer ein realitätsnahes Abbild des Fertigungsprozesses vorliegt. Eine erneute Planung setzt somit auf dem aktuellen Fertigungszustand und -fortschritt auf. Neben der BDE/MDE stellen nach Mesa Traceability Qualitäts- und Personalmanagement sowie Leistungsanalyse weitere wichtige Funktionen von ME-Systemen dar.

Obwohl ME-Systeme eine feingranulare Kapazitätsbelegungsplanung ermöglichen, stellen sie in hochdynamischen Umgebungen selbst wieder einen entscheidenden Engpass dar. In der Regel kommen ME-Systeme zum Einsatz, die zentral für die gesamte Produktion oder verteilt für Produktionsbereiche einen Plan für eine oder mehrere Schichten im Voraus erstellen. Solche Pläne sind meist in dem Moment wieder veraltet, in dem sie erstellt werden: Während der aufwändigen Planerstellung auftretende Störungen oder neu hinzugekommene Eilaufträge konnten nicht rechtzeitig berücksichtigt werden. In der Folge divergieren Pläne und Produktionsabläufe, die Produktivität sinkt. Gängige Praxis bei ME-Systemen sind deshalb häufig nächtliche Planungsläufe. Dabei werden Ereignisse wie Störungen und Eilaufträge verarbeitet. Dem Grundgedanken geschlossener Regelkreise zwischen Planung und Produktion wird dadurch nicht ausreichend entsprochen.

Eine Steuerungslösung, die auf rein lokalen Koordinationsformen beruht, schafft Abhilfe: die selbstorganisierende Produktion. Aufträge und Ressourcen werden nicht länger von einer zentralen Instanz „fremdbestimmt“, sondern übernehmen die Initiative und erhalten Entscheidungsfreiheit und Entscheidungsgewalt, eigene Ziele zu verfolgen. Unvorhersehbare Ereignisse wie Störungen und Eilaufträge können so nahtlos in die Entscheidungsfindung integriert werden. Zudem ist keine vollständige Umplanung eines Fertigungsbereichs erforderlich, Veränderungen gibt es in erster Linie am Ort des Auftretens einer Ausnahmesituation.

Entscheidend für diesen neuen Ansatz der Produktionssteuerung ist, dass globale Ziele wie hohe Termintreue aller Aufträge oder insgesamt niedrige Rüstkosten nicht explizit im System verankert sind oder gar von einer zentralen Stelle aus überwacht werden. Aufträge und Ressourcen verfolgen vordergründig nur eigene Ziele: Ein Auftrag will lediglich seinen eigenen Termin halten, also seine nächste Operation zeitnah und kostengünstig produziert bekommen. Für eine Maschine steht im Vordergrund, rüstminimal und hoch ausgelastet zu laufen, Transporteinheiten vermeiden Leerfahrten und Umwege.

Vielzahl der Interaktionenist beherrschbar

Abläufe und Strukturen eines selbstorganisierenden Produktionssystems entstehen allein aus dem intensiven Zusammenwirken der Akteure. Zwar entsteht durch die Vielzahl der Interaktionen ein hoher Komplexitätsgrad, jedoch bleiben die Interaktionen aufgrund ihrer lokalen Konzentration beherrschbar. Entscheidend ist, dass Interaktionen für sich genommen sehr einfach konstruiert sind und ein nur nach lokalen Konsequenzen beurteiltes Verhalten der Akteure nach sich ziehen.

Um auf diese Weise die Produktion voranzutreiben, kommunizieren beispielsweise Aufträge mit Maschinen, die ihre nächste Operation bearbeiten können, oder mit Transporteinheiten, die das Werkstück an den Ort der nächsten Bearbeitung bringen sollen. Dabei können sowohl Aufträge als auch Ressourcen eine Auswahl unter den jeweiligen Bewerbern treffen und Maschinen etwa Aufträge zunächst ablehnen, die eine teure Umrüstung erforderlich machen.

Beim Entwurf der Interaktionsmechanismen ist zu beachten, dass einerseits die gewünschten Abläufe eintreten, aber andererseits auch für einzelne Beteiligte unattraktiv erscheinende Aktionen wie das Bearbeiten einer rüstaufwändigen Operation nicht dauerhaft unterlassen werden. Ziel ist, eine Steuerung zu etablieren, die robust und flexibel auf unplanbar eintretende Ereignisse reagieren kann. dabei bedient man sich zum einen erfolgreicher Vorbilder der Natur und zum anderen erprobter Marktmechanismen wie der Auktion.

Sozial lebenden und Staaten bildenden Insekten wie Ameisen, Wespen und Termiten fehlt eine zentrale Steuerung ihres Staates. Die Millionen Arbeiter einer Ameisenkolonie organisieren ihre Arbeitsteilung selbständig ohne hierarchische Kontrollorgane. So etablieren Ameisen bei der Futtersuche kürzeste Wege zwischen Futterquelle und Nest allein dadurch, dass sie auf ihrem Weg Pheromone ablegen und mit hoher Wahrscheinlichkeit der intensivsten Pheromonspur folgen. Dadurch, dass Ameisen auf kürzeren Wegen häufiger pendeln, verstärkt sich dieser Effekt, bis fast alle Ameisen den kürzesten Weg benutzen.

Dieses Beispiel lässt sich in abgewandelter Form für die Wegewahl von Aufträgen in der selbstorganisierenden Produktionssteuerung nutzen (Bild 3). Jeder Auftrag muss entscheiden, auf welcher Maschine er seine nächste Operation bearbeiten lässt. Dabei orientiert er sich an „Pheromonen“, die gleichartige Aufträge auf ihrem Weg durch die Produktion an Maschinen hinterlegt haben. Um keine einseitige Spezialisierung der Maschinen zu bilden, können Aufträge „Wartepheromone“ ablegen, deren Konzentration sich nach der Anzahl und Bearbeitungsdauer bereits wartender Aufträge richtet. Über vergleichbare Mechanismen können sich gleichartige Aufträge zu Verbünden zusammenfinden, um derart rüstminimal attraktiver für eine Maschine zu sein und somit die eigene Termineinhaltung zu optimieren.

Auch das arbeitsteilige Verhalten von Wespen hat Einzug in die Produktionssteuerung gefunden: Maschinen stellen „Wespennester“ dar, die von ihren Wespen versorgt werden. Routing-Wespen bringen Aufträge zu den Maschinen und Scheduling-Wespen organisieren die Bearbeitungsreihenfolge auf einer Maschine. Dies entspricht der Futterbeschaffung und der Nestpflege bei Wespen in der Natur.

Eine Auktion ist eine Form der Preisermittlung, bei der Käufer und Verkäufer auf der Basis von Geboten Preise für Güter bestimmen. Geht man in einem Produktionssystem davon aus, dass die Auktionsteilnehmer ehrliche Gebote abgeben, kann man mit verdeckten Auktionen, bei denen jeder Bieter nur ein Gebot abgibt, den Kommunikationsaufwand minimieren. Dabei können sowohl Aufträge für ihre Operationen um Ressourcen bieten oder umgekehrt Maschinen sich um Aufträge bewerben. Um die zu bietenden Beträge zu ermitteln, erzielt man mit der schlichten Formel „Zeit ist Geld“ bereits viel versprechende Resultate, weil eine betriebswirtschaftlich relevante Kostenermittlung heute in den meisten Fällen nicht möglich ist. Aufträge erhalten Budgets äquivalent zu ihrer Gesamtbearbeitungsdauer und tendieren dazu, für schnellere (oder qualitativ hochwertigere) Maschinen mehr zu bieten als für langsamere. Aufträge verfolgen das Ziel, nicht in Verzug zu geraten, werden aber durch die Budgetierung auch dazu angehalten, nicht weit vor Termin fertig zu werden. Bei Simulationsuntersuchungen hat sich gezeigt, dass die Termintreue auch auf der globalen Ebene in einem praxisrelevanten Rahmen liegt.

Selbstorganisierende Systeme an der Schwelle zur Marktreife

Für Eilaufträge ist die Tauschbörse ein innovativer Ansatz, der über Auktionen gelöst wurde. Jeder Auftrag muss sich nach der Fertigstellung einer Operation wieder um das entstandene Zwischenprodukt bewerben. Auf diese Weise können Eilaufträge ein weiter fortgeschrittenes Zwischenprodukt erwerben und gleich mehrere Operationen zeitlich überspringen.

Heute stehen selbstorganisierende Systeme noch vor der Schwelle zur allgemeinen Marktreife, jedoch können sie in spezialisierten Anwendungen bereits Erfolge verzeichnen. Am Fraunhofer-Institut für Informations- und Datenverarbeitung werden derzeit umfangreiche Simulationsstudien mit selbstorganisierenden Verfahren durchgeführt. Das zugrunde liegende Fertigungsmodell entstammt einem großen Maschinenbauunternehmen aus der Automobilzulieferindustrie.

Selbstorganisierende Produktionssysteme sind zukunftsweisend in Umgebungen, die ein hohes Maß an Dynamik aufweisen und nach Robustheit und Flexibilität in der Produktionssteuerung verlangen (Tabelle). Der effektive und effiziente Umgang mit nicht vorhersehbaren Ereignissen sorgt dafür, dass Störungen ebenso wie Eilaufträge lediglich als lokal auftretende Veränderungen wahrgenommen werden. Somit wird nicht länger eine zeitraubende und schnell veraltende Neuplanung erforderlich. Ein selbstorganisierendes System gründet diese Stärken auf rein lokalen Interaktionen, die ein Gesamtsystem bilden, in dem zwar alle Beteiligte eigene Ziele verfolgen, diese jedoch zum Erreichen der globalen Ziele in der Produktion durchsetzen. MM

Dipl.-Inform. Thomas Kresken ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Informations- und Datenverarbeitung (IITB) in Karlsruhe; Dr.-Ing. Michael Baumann leitet den Bereich Fertigungsleitsysteme am Institut. Weitere Informationen: Thomas Kresken, IITB, 76131 Karlsruhe, Tel. (07 21) 60 91-4 70, thomas.kresken@iitb.fraunhofer.de

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