Adaptive Steuerung flexibler Werkstattfertigungssysteme

Die effiziente Nutzung der verwendeten Ressourcen stellt eine wesentliche Grundlage für den wirtschaftlichen Erfolg einer Unternehmung dar. Unabhängig davon ob, es sich um eine anonyme Massenproduktion oder eine kundenbezogene Einzelfertigung handelt, ist die Situation in heutigen Produktionsunternehmen stark durch einen steigenden Konkurrenzdruck und hohe Qualitätsansprüche der Kunden gekennzeichnet. Weiterhin verlangt der Kunde nach individuell auf ihn zugeschnittenen Produkten, die zudem noch bezahlbar sein sollen. Der Wahl eines geeigneten Produktionssystems kommt somit eine sehr starke Bedeutung zu. Analog zur Entwicklung im Bereich der Computerhardware (Ausgehend von Großrechnern über Personal Computern bis hin zu vernetzten bzw. verteilten Systemen) geht auch hier der Trend weg von der reinen Großserienproduktion hin zu „kleineren“ Standorten, die sich auf einzelne Module oder Baugruppen spezialisieren und in Zusammenarbeit mit anderen Unternehmen in einem Produktionsnetzwerk das Produkt hervorbringen. Die räumliche Trennung von einzelnen Produktionsstandorten setzt eine effiziente Leistungserbringung im Sinne einer JiT-Produktion bzw. -Lieferung¹ voraus, so dass die im Netz verbundenen Unternehmen hohen Ansprüchen bezüglich Pünktlichkeit und Flexibilität genügen müssen. Um diese Anforderungen erfüllen zu können, verzichten die Unternehmen vielfach weitgehend auf Puffer und Ausweichmöglichkeiten. Damit steigt jedoch die Störanfälligkeit der Produktion. Um stärkere Beeinträchtigungen der Produktion zu vermeiden oder zumindest zu vermindern, versucht man, situationsbezogene und vorausschauende Produktionssteuerungsregeln, d.h. eine adaptive Produktionssteuerung, zu entwickeln und einzusetzen.

In diesem Kapitel wird zunächst die Produktion als ein Transformationsprozess bzw. als ein Input/Output-System definiert und aus Sicht der Betriebswirtschaft beschrieben. Dabei wird u.a. auf die unterschiedlichen Zielgrößen unternehmerischen Handelns und der zu Grunde gelegten Planungsmodelle eingegangen. Im weiteren Verlauf werden dann in Abschnitt 2.3 die wesentlichen, in der Produktion anzutreffenden Fertigungssysteme klassifiziert. Dabei wird insbesondere die in dieser Arbeit schwerpunktmäßig betrachtete Werkstattfertigung in ihren wesentlichen Merkmalen charakterisiert und von den anderen Fertigungssystemen abgegrenzt. Die Werkstattfertigung wird dabei als zentrales Fertigungssystem betrachtet, da eine hohe Variantenvielfalt der zu produzierenden Produktarten auf Grund von Kundenwünschen unterstellt wird. Es werden weiterhin nur kleinere Produktionemengen in einer Einzelfertigung bis hin zu Kleinserien produziert und innerhalb des Fertigungssystems werden je Produktart verschiedene Arbeitsgangfolgen unterstellt. Um das für eine adaptive Steuerung notwendige Reaktionspotential auf Störungen zu schaffen werden in diesem Abschnitt auch Merkmale von flexiblen Fertigungssystemen betrachtet, die später auch in die Entwicklung des neuen Modells in Kapitel 4 eingehen. Im Abschnitt 2.4 werden dann die Begriffe Planung und Steuerung definiert, voneinander abgegrenzt und die wesentlichen zu lösenden Aufgaben charakterisiert und beschrieben. Dabei wird hier ein Schwerpunkt auf das in der Werkstattfertigung zu lösende Problem der Ablaufplanung und dessen genauere Darstellung gerichtet. Seinen Abschluss findet dieses Kapitel in der verteifenden Darstellung des Störungsmanagements als Teilaufgabe der Produktionsplanung und -steuerung.

Bei der Produktionsplanung (Scheduling) im Allgemeinen handelt es sich nach Baker¹ um die Allokation von Ressourcen zur Ausführung einer Menge von Arbeitsgängen über den gesamten Planungszeitraum hinweg. Diezur Produktion notwendigen Prozesse unterliegen aber sich ständig ändernden Bedingungen und es kann somit nur ein unvollständiges und unsicheres Wissen unterstellt werden. Aus dieser Situation heraus erweist sich eine einmalige Planung der Prozesse als wenig sinnvoll. Es erfordert vielmehr eine dynamisches, situationsbezogenes Handeln während der Ausführung der Prozesse². Eine Neuplanung (Rescheduling) ist ein dynamischer Ansatz zur Reaktion auf Störungen, der periodisch zur Planung von Aktivitäten für den nächsten Planungszeitraum basierend auf dem aktuellen Zustand des Systems ausgeführt wird³.

In diesem Kapitel wird nun ein neues Modell zur Steuerung von Werkstattfertigungssystemen vorgestellt. Es wird zunächst ausgehend vom Output (Produktionsprogramm) über den Input (Aufträge) und den Troughput (Produktionsstruktur) die wesentlichen Annahmen des Modells vorgestellt und darauf aufbauend die Variablen, Nebenbedingungen und eine kostenorientierte Zielfunktion definiert.

Die in diesem Kapitel entwickelte Abbildung des Fertigungsablaufes besteht im wesentlichen aus drei Komponenten. Auf der einen Seite befindet sich eine ereignisorientierte Simulation der Fertigung basierend auf einem Produktionsplan und auf der anderen Seite steht das Verfahren zur Steuerung bzw. Optimierung von Produktionsplänen¹. Den dritten Bestandteil bildet das zugrundeliegende Modell zur Beschreibung der Datenbasis des Produktionssystems und des aktuellen Status von Maschinen und Aufträgen. Zur Steuerung des Produktionsablaufs kommt ein zur echtzeitnahen Steuerung von Speditionsnetzwerken entwickeltes und hier leicht vereinfachtes Konzept zum Einsatz². Die grundlegenden Eigenschaften und Abläufe des genutzten Konzeptes zur Kopplung der drei Komponenten werden im folgenden Kapitel beschrieben. Darauf aufbauend folgt eine kurze Beschreibung der ereignisorientierten Simulation des Produktionssystems und der drei eingesetzten Varianten zur Steuerung des Produktionsprozesses.

In den vorangegangenen Kapiteln wurde zunächst ein formales Modell zur Beschreibung des Fertigungssystems und des zu lösenden Optimierungsproblems aufgestellt und diesses Modell in ein Konzept zur adaptiven Steuerung des Fertigungssystems integriert. Die verschiedenen vorgestellten Ansätze zur Steuerung basieren neben dem Modell auf Algorithmen zur Erzeugung von zulässigen Produktionsplänen und deren Optimierung. Die Berechnung einer zulässigen Lösung sollte in sehr kurzer Zeit möglich sein um die im Konzept verankerte „Nullzeit“-Annahme zur Erzeugung eines zulässigen Plans erfüllen zu können. Hierzu wird in diesem Kapitel ein Eröffnungsverfahren entwickelt, das mit Hilfe einer Prioritätsregel eine Startlösung berechnet. Die Erfüllbarkeit der geforderten Annahme bezüglich der Laufzeit wird dann später im Kapitel über die Analyse der Algorithmen überprüft. Die so ermittelte Startlösung ist zwar zulässig, weist aber ggf. eine extrem schlechte Lösungsqualität im Sinne der vom Modell geforderten gesamten Produktionskosten auf. Um diese Startlösungen verbessern zu können werden in einem weiteren Schritt für jede Klasse von Variablen des Modells eigenständige Verfahren entwickelt, die in einem übergeordneten Algorithmus zusammen gefasst werden. Da den Verbesserungsverfahren durch das Steuerungskonzept nur ein begrenzter Zeitraum zur Verfügung steht, müssen die Optimierungsverfahren möglichst schnell sehr effiziente Produktionspläne erzeugen können. Es wird demnach eine hohe Verbesserungsrate bezogen auf den Zeitraum der Optimierung gefordert. Diese zeitliche Einschränkung der Optimierungsdauer bei der gleichzeitig sehr komplexen Problemstellung macht den Einsatz von Exakten Verfahren nahezu unmöglich.

In den vorangegangenen Kapiteln wurden ein Reihe von Verfahren zur Steuerung von Werkstattfertigungssystemen vorgestellt, die nun auf ihre Stärken und Schwächen im praktischen Einsatz zu untersuchen sind. Zunächst werden die einzelnen Eröffnungs-und Verbesserungsverfahren im sequentiellen und parallelen Fall einzeln untersucht um festzustellen welche Verfahren sich im Hinblick auf die Güte der berechneten Lösung und der dafür benötigten Zeit besonders für den Einsatz in einem echtzeitnahen Steuerungskonzept eignen. Die Verfahren werden weiterhin auf einem parallelen System getestet um zu analysieren, ob und inwieweit sich der Einsatz eines solchen Systems zur Steuerung unter Echtzeitbedingungen eignet.

Die bei der Planung und Steuerung von Produktionssystemen zu lösenden Aufgaben stellen durch zahlreiche Interdependenzen verknüpfte, komplexe Optimierungsaufgaben dar. Um unter dem Gesichtspunkt einer effizienten Leistungserbringung bei einer JiT-Produktion bzw. Lieferung trotz störanfälliger Prozesse einen hohen Grad an Pünktlichkeit und Flexibilität zu erzielen, wurde in dieser Arbeit eine situationsbezogene, adaptive Steuerung für Werkstattfertigungssysteme entwickelt und in einem simulierten Produktionsprozess getestet. Hierzu wurden zunächst in einem neuen Modell zur Steuerung einer Werkstattfertigung weitreichende Erweiterungen bekannter Modelle zur Steuerung vorgenommen. Neben der Integration von dynamischen Aspekten des Produktionsablaufes wurde mit der Verknüpfung von operativer Planung und Produktionssteuerung über die Integration von Aspekten der Losgrößenplanung und der Nutzung paralleler Maschinen nicht nur die Flexibilität des betrachteten Fertigungssystems erhöht, sondern auch eine der wichtigsten Interdependenzen betriebswirtschaftlicher Planungsmodelle mit berücksichtigt. Die Integration dieser Steuerungsparameter hat ein realitätsnahes aber auch extrem komplexes kombinatorisches Entscheidungsmodell zur Folge.