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Forschungsprojekt SmartPlan – Erste Ergebnisse sind vielversprechend

Kooperation zwischen InQu Informatics und der TU Dresden: Vordenker im Bereich der Planung von Fertigungsabläufen.

Die stetige Optimierung und eine ganzheitliche Planung von Fertigungsabläufen sind zentrale Wettbewerbsfaktoren. Steigende Kundenanforderungen wie permanente Produktinnovationen, die hohe Variantenvielfalt, kleine Losgrößen und kurze Produktlebenszyklen führten in den vergangenen Jahren zu immer komplexeren Aufgaben für die Ablaufplanung in produzierenden Unternehmen. Die optimale Nutzung der zur Verfügung stehenden Ressourcen bei konstant hoher Qualität, Wirtschaftlichkeit und Termintreue gehört hierbei zu den wichtigsten Zielgrößen.

Problemstellung und Ist-Zustand

Insbesondere die flexible Produktion erfordert eine zuverlässige Terminplanung - möglichst auf der Ebene der Fertigungslose. Etablierte Planungsinstrumente stoßen allerdings gerade bei komplexen Fertigungsabläufen mit wechselnden Zielstellungen (bspw. Verkürzung von Durchlaufzeiten, frühzeitige Identifizierung von Engpässen, Erhöhung der Auslastungen) an ihre Grenzen. Oft sind traditionelle mathematische Modelle und zur Verfügung stehende Rechenleistungen mit den in der Praxis üblichen Anzahlen von Losen und Maschinen überfordert. Die Erweiterung und Neuentwicklung von Planungsinstrumenten ist deshalb ein gemeinsames Ziel von Wissenschaft, Forschung und MES-Anbietern.

Komplexe Produktionssysteme steuern

An einer vielversprechenden Lösung dieser Problematik arbeiten bereits seit Anfang des Jahres 2010 die TU Dresden (IAVT) und der MES-Anbieter InQu Informatics GmbH Dresden. Ziel der Forschungskooperation unter dem Titel „SmartPlan“ ist die Entwicklung von neuen Methoden für eine flexible, zielabhängige Planung von Fertigungsabläufen in besonders komplexen Systemen.
Die beiden Kooperationspartner ergänzen sich hierbei sehr gut. So besitzt die InQu Informatics GmbH langjährige Erfahrungen bei der Entwicklung und beim Einsatz von Software zur Planung und Steuerung von Fertigungsprozessen. Die Defizite vorhandener Werkzeuge sowie die besonderen Anforderungen der Kunden hinsichtlich Konflikte bei der Ressourcenbelegung, Einlastung kurzfristiger Kundenaufträge oder aktueller betrieblicher Erfordernisse wie Warten und Rüsten sind hinreichend bekannt. Demgegenüber beschäftigt sich das IAVT bereits seit langem mit der Modellierung und Simulation von Fertigungsprozessen.

Herausforderungen in der Ablaufplanung

Ein kurzer Exkurs in die Theorie soll helfen, den innovativen Charakter von SmartPlan heraus zustellen, denn in der Ablaufplanung konkurrieren verschiedene Grundansätze. Diese lassen sich durch Vor- und Nachteile voneinander abgrenzen:

Die sogenannte regelbasierte Planung (Dispatching) beruht ausschließlich auf Daten aus dem vergangenen Fertigungsablauf, eine Vorausschau ist nur durch Simulation möglich. Die Methode ist schnell, eignet sich daher für die Prozesssteuerung, allerdings weniger für die Optimierung.
Beim Scheduling wird der Fertigungsablauf dagegen in seiner Gesamtheit geplant, d.h., es werden sowohl Daten aus der Vergangenheit als auch aus der Zukunft einbezogen (Ressourcen, anstehende Fertigungsaufträge, Rüst- und Wartungszeiten etc.). Der Zeit- und Rechenaufwand steigt jedoch mit der Komplexität der Prozessketten enorm. Durch eine vorgelagerte Kapazitätsplanung lassen sich jedoch die Freiheitsgrade im System (Alternativen eines Arbeitsganges) derart einschränken, dass Scheduling-Methoden, sei es auf Basis mathematischer Algorithmen oder durch Simulation, auch für die Ablaufsteuerung effektiv eingesetzt werden können. Eine Optimierung hinsichtlich verschiedener Zielstellungen ist vergleichsweise schnell und flexibel möglich. Darüber hinaus können dem Anwender verschiedene Lösungen bereitgestellt werden, zwischen denen dann eine Entscheidung möglich ist.

Die meisten etablierten Systeme versorgen den Nutzer zwar mit einem Planungsergebnis, geben aber wenig oder gar keine Auskunft über mögliche Optionen. Der SmartPlan-Ansatz kombiniert die Vorteile beider Vorgehensweisen zu einem neuen Verfahren und soll dem Nutzer verschiedene Lösungen für ein Ziel bereitstellen. Bisher gibt es keine Planungssoftware, bei der die Kapazitätsplanung und Scheduling-Methoden auf diese Weise sinnvoll kombiniert werden.

Gezielte Analyse senkt Rechenaufwand

Im Rahmen des gemeinsamen Projektes werden simulationsgestützte Planungsmethoden mit modernen, mathematischen Verfahren, die sich vor allem auf die Engpässe eines Systems konzentrieren, verbunden. Ein wichtiger Ansatz der neuen Methode ist die Zerlegung des Gesamtsystems in kleinere, beherrschbare Einheiten, so genannte disjunkte Maschinengruppen. Der Rechenaufwand wird reduziert, indem nur Teilsysteme betrachtet werden, deren Auswirkungen auf das Gesamtergebnis relevant sind. So können Freiheitsgrade der Simulation auf sinnvolle Weise eingeschränkt und die Modellierung komplizierter, zeitintensiver Regeln vermieden bzw. in ihrer Komplexität reduziert werden. Die Simulationszeit kann dadurch deutlich gesenkt werden.
Das IAVT arbeitet derzeit an der Entwicklung der Methodik und begleitet das Projekt wissenschaftlich. Die InQu Informatics GmbH stellt ein konzeptionelles Modell für die Planungsproblematik sowie eine Testumgebung zur Überprüfung der neuen Methoden zur Verfügung und realisiert alle erforderlichen Datenschnittstellen.
Anfang September wurde die Auswertung erster Benchmarks abgeschlossen. Im Fokus stand zunächst die Optimierung der Zykluszeit (Zeit, in der ein gesamtes Produktionsprogramm einer Anlage einmal durchgelaufen ist) in Abhängigkeit u.a. der Produkt- und Maschinenanzahl. Die ersten Ergebnisse bestätigen die Annahmen des SmartPlan-Ansatzes:
Die neue Methode führt zu einer errechneten Verbesserung der Zykluszeit um 15%. Es wurden weit über 3200 Benchmarks durchgeführt und im Durchschnitt konnte eine Verbesserung um 7,5% in der Praxis nachgewiesen werden.
Als nächster Entwicklungsschritt soll das Optimierungspotential von produktabhängigen Rüstvorgängen untersucht werden. Hier versprechen sich die Projektpartner neben der Reduzierung der Zykluszeit auch erhebliche Personal- und Materialeinsparungen.
Die Tests erfolgen zunächst im Rahmen von Offline-Analysen an realen Kundendaten. Nachdem das Optimierungspotential ermittelt wurde, werden die Erkenntnisse des Forschungsprojektes darüber hinaus in die ständige Weiterentwicklung der InQu.MES Suite einfließen und noch im Jahr 2012 zur Marktreife gelangen.

: 3D-Plot der erreichten Ergebnissen in Abhängigkeit von der Maschinenanzahl m und der Produktanzahl n. Das Ergebnis zeigt, dass sich die Zykluszeit tendenziell mit steigender Produkt- und Maschinenanzahl verbessert. Jedoch hat sich bei den Benchmarks gezeigt, dass eine große Maschinenanzahl (m=20), gepaart mit einer kleinen Produktanzahl (n=10), ebenfalls ein großes Optimierungspotential besitzt.

Verbesserungspotenzial für Produktionsabläufe

Das Forschungsvorhaben SmartPlan leistet einen wichtigen Beitrag zur Anpassung der Fertigungsplanung an Produktionsabläufe, die zunehmend komplexer werden. Durch die Verringerung von Stillstandszeiten und eine verbesserte Maschinenanlaufstrategie, kann die Produktivität gesteigert und Energie eingespart werden. Eine verbesserte Termineinhaltung wirkt sich unmittelbar auf die logistische Planung aus, reduziert Transportkosten und stärkt das Kundenvertrauen. Nicht zuletzt trägt eine exakte Ablaufplanung dazu bei, unnötige Umrüstungen von Maschinen und Anlagen oder das Halten von zeitweise nicht benötigten Anlagen im Standby-Betrieb zu vermeiden.

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