200701j rzw cimdata Entscheidungsunterstützung APS

In vielen, wenn nicht allen Fertigungsunternehmen ist die Planung der Arbeitsschritte innerhalb der Produktion ohne ein leistungsstarkes APS (Advanced Planning System) heute nicht mehr denkbar. Dabei stehen zwei Kerngedanken im Mittelpunkt: zum einen das APS als Werkzeug für die interaktive Entscheidungsunterstützung, zum anderen der Einsatz von Optimierungsmethoden. Die im Folgenden beschriebenen Konzepte stellen die Basis von cdAPS der r.z.w. cimdata AG für mittelständische Fertigungsbetriebe dar.

in APS als ein Werkzeug für die grafisch-interaktive Feinplanung von Fertigungsaufträgen und den dazu notwendigen Ressourcen unterstützt den Anwender bei der terminlichen und kapazitiven Einplanung von Fertigungsaufträgen, Baugruppen und Arbeitsgängen bis hin zur automatischen Planung mit Optimierung. Gleichzeitig lassen sich darüber Daten zu Ressourcenauslastung, Terminverletzungen und Ist-Zuständen in der Produktion visualisieren. cdAPS, als Umsetzung dieser Konzepte, ist ein ausgereiftes Werkzeug für die grafisch-interaktive Feinplanung und sehr eng angebunden an das Enterprise Resource Planning (ERP)-System cd2000 – es kann aber auch mit anderen ERP-Systemen betrieben werden.

Innerhalb von cdAPS erfolgt die Visualisierung der Planungssituation, die wichtig ist für den Aufbau interaktiver Szenarien, durch Gantt-Diagramme. Die Planungssituation kann hierbei in unterschiedlicher Detaillierung und Auswahl sowie in unterschiedlichen Sichten gleichzeitig in mehreren Fensterteilen dargestellt werden. Gantt-Diagramme für Fertigungsaufträge visualisieren die eingeplanten Aufträge, Fertigungsauftrags-Positionen, Baugruppen, Arbeitsgänge und Splittsätze von Arbeitsgängen in ihrer hierarchischen Struktur und in ihrer zeitlichen Einordnung. Die Gantt-Diagramme für Ressourcen – hier: Arbeitsplätze (Maschinen) und Werkzeuge – zeigen für die einzelnen Ressourcen die eingeplanten Arbeitsgänge in ihrer zeitlichen Ausdehnung; im Hintergrund sind jeweils die entsprechenden Zeitmodelle aufgeführt. Im Histogramm wiederum ist die kapazitive Auslastung einer Ressource über die Zeit dargestellt. Die Abbildung des Kapazitätsangebots findet dabei als Linie, die des -bedarfs als Säule statt, Kapazitätsüberlastungen hingegen werden rot angezeigt.

Jedes Diagramm besteht aus einem Tabellenteil und dem eigentlichen Diagramm, in denen parallel die Arbeitsgänge, Bauteile, Auftragspositionen, Aufträge als Balken beschrieben werden. Im unteren Teil der Maske kann auch wahlweise ein Multihistogramm zur Kapazitätsübersicht aller Ressourcen oder ein Daten-Explorer angezeigt werden.

Der Benutzer erhält alle planungsrelevanten Informationen in umfassender und kompakter Form. So wird bei den Balken in den Diagrammen die Information durch Unterteilung, Farbgebung, Schraffur, Beschriftung und Tooltips übermittelt; der Balken eines Arbeitsganges zum Beispiel kann dabei vertikal in Teile für die Rüstzeit, für den eigentlichen Arbeitsgang und für die Pufferzeit untergliedert sein. Die Farbe des Hauptteils beschreibt die Zugehörigkeit zum Auftrag, in der Diagrammzeile ist außerdem der früheste Starttermin markiert. Jeder Anwender kann die Anzeigemöglichkeiten so einstellen, dass nur die für ihn wichtigen Daten visualisiert werden – damit ist eine Überladung der Oberfläche mit Informationen ausgeschlossen. Die Nachfolgebeziehungen zwischen den Arbeitsgängen oder Baugruppen lassen sich in den Diagrammen durch Verbindungspfeile zwischen den Balken darstellen.

Ampeln visualisieren die Einhaltung kapazitiver Restriktionen, d.h. die Einhaltung der Kapazitätsangebote auf den Arbeitsplätzen und Werkzeugen durch die Kapazitäten, die für die eingeplanten Arbeitsgänge notwendig sind. Hierfür gibt es eine Ampel für die Kapazitäten aller Arbeitsplätze mit untergeordneten Ampeln für jeden Arbeitsplatz und entsprechende Signalsysteme für die Werkzeuge. Darüber hinaus können im Datenexplorer die in das APS eingelesenen Daten in einer komprimierten und übersichtlichen Tabellendarstellung angezeigt werden.

Nach dem Start werden alle ausgewählten Aufträge entsprechend des aktuellen Planungszustandes angezeigt. Dieser kann aus einer vorigen Feinplanungssitzung resultieren oder aus der Grobplanung des ERP übernommen worden sein. Es besteht immer die Möglichkeit, während der Feinplanung per Hand Parameter zu ändern – dies reicht von Einstellungen zur Konfliktlösung und der Anzeige bis hin zu Änderungen an den Zeitmodellen der einzelnen Ressourcen.

Bei der manuellen Planung stehen in cdAPS die folgenden Planänderungsaktionen zur Verfügung, die zum Teil grafisch-interaktiv oder über Menü gestartet werden:

· Zeitliches Verschieben eines Arbeitsganges, einer Baugruppe oder eines ganzen Fertigungsauftrages,

· Verkürzen oder Strecken eines Arbeitsganges (und damit Änderung der Stückzeit),

· Änderung der Zuordnung der Arbeitsgänge zu den Maschinen (auch Fremdarbeitsplätze) und Werkzeugen.

Beim Verändern eines Arbeitsganges wird die Belegung der benötigten Ressourcen neu ermittelt und aktualisiert angezeigt. Es gibt für alle Veränderungen UnDo- und ReDo-Mechanismen, mit praktisch beliebig vielen Schritten. Das gilt auch für die unten beschriebenen Aktionen der Planungsunterstützung und der automatischen Planung: Damit kann der Anwender umfangreiche Planungsszenarien bequem durchspielen.

· Konfliktlösung: Eine Änderung an einem Arbeitsgang macht im Normalfall Verschiebungen an den vorangehenden und den nachfolgenden Arbeitsgängen notwenig oder möglich. Diese Folgeänderungen werden entsprechend der gewünschten Terminierungsart (Vorwärts-, Mittelpunkt- oder Rückwärtsterminierung) automatisch durch cdAPS ausgeführt. (Dieser Automatismus ist ab- und zuschaltbar.)

· Andocken an Start- oder Endterminen: Beim Verschieben von Arbeitsgängen kann an einen vorhergehenden oder nachfolgenden Arbeitsgang angedockt werden, unter Ausnutzung der eventuell vorhandenen Belegungslücken.

· Automatische Einplanung auf Einzelarbeitsplätzen: In der Grobplanung wird einem Arbeitsgang oft nur ein sogenannter Sammelarbeitsplatz zugewiesen. Die Konkretisierung der Ressourcenzuteilung kann automatisch erfolgen.

· Ausrichten auf aktuelles Datum: Alle oder ausgewählte Arbeitsgänge können automatisch an einen veränderten Starttermin angepasst werden.

· Rüstzeitminimierung: Arbeitsgänge mit gleichem Werkzeug können automatisch auf einen Arbeitsplatz gelegt werden, um Rüstzeit zu sparen. Eine Suchfunktion ermöglicht es, solche Arbeitsgänge zu finden.

· Suchfunktionen: Eine Suche kann nach verschiedenen Kriterien wie Artikelnummer, Arbeitsplatz, Auftragsnummer, Werkzeug u.ä. erfolgen. Die gefundenen Arbeitsgänge werden markiert. Für die markierten Arbeitsgänge können dann die oben genannten Funktionen ausgeführt werden.

Die Planungsunterstützung ermöglicht eine halbautomatische, interaktive Planung.

Vor jedem APS steht auch die Aufgabe, vollautomatisch Pläne zu erzeugen und dann zu optimieren. Die Fertigungsplanung gehört zu den NP-schweren Scheduling-Problemen und ist darüber hinaus mit einer Vielzahl von Nebenbedingungen verbunden. Das bedeutet in der Praxis, dass die Verwendung von problemvereinfachenden Szenarios und Heuristiken notwendig ist, um die Lösungszeit praktikabel zu halten. Für die automatische Erzeugung von zulässigen Plänen sind in cdAPS Prioritätsregel basierte Verfahren enthalten. Sie beruhen darauf, dass zunächst eine Ordnung der Arbeitsgänge erzeugt wird, die verträglich ist mit den Nachfolgebeziehungen zwischen den Arbeitsgängen. Im zweiten Schritt werden den Arbeitsgängen dann Zeiten und Ressourcen zugeordnet

Die mathematische Optimierung stellt eine Vielzahl von Möglichkeiten für die Suche nach verbesserten Lösungen zur Verfügung, die in den letzten Jahren durch Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) ergänzt wurden. Zunächst fanden genetische Algorithmen und lokale Suche als Meta-Heuristiken im APS Verwendung. Beide Ansätze sind aber in der komplexen Welt der Fertigungsplanung mit großen Problemen behaftet. So ist es schwierig, einen Rekombinationsoperator für genetische Algorithmen zu finden, bei dem die Lösungen der Nachkommengeneration zulässig sind. Lokale Suchalgorithmen wie Tabu-Suche oder Simulated Annealing sind sehr zeitaufwendig, da meist mehrere Zielfunktionen optimiert und deshalb die Nachbarschaft nicht eingeschränkt werden kann. Daher waren andere Vorgehensweisen gesucht.

Die Konzepte der Ant Colony Optimization (ACO) bieten sich als ein neuer Ansatz an. Die ACO interpretiert die Ordnung der Arbeitsgänge als Weg einer Ameise. Ein Weg wird schrittweise dadurch erzeugt, dass die möglichen Nachfolger zufällig einen auswählen. Die Auswahlwahrscheinlichkeit richtet sich dabei nach einer Matrix über den Arbeitsgängen. Zunächst sind alle Möglichkeiten gleich wahrscheinlich. In jedem Optimierungszyklus wird eine große Anzahl von Wegen erzeugt und die besten ausgewählt. Die Wahrscheinlichkeiten der Teile dieser besten Wege werden in der Matrix erhöht. Auf diese Weise lassen sich nachweisbar schnell nahezu optimale Pläne finden – in der KI-Sprache ausgedrückt: Das APS kann in kurzer Zeit einen guten Plan lernen. Die ACO hat zusätzlich den Vorteil, dass die Wahrscheinlichkeitsmatrix bei veränderten Ausgangsdaten (neue Aufträge, verspätete Arbeitsgänge, ausgefallene Maschinen) wieder verwendet werden kann und somit das in der Praxis oft auftretende Rescheduling unterstützt.

Da in einem Optimierungslauf viele Lösungen erzeugt werden, kann der cdAPS-Anwender auch interaktiv aus den besten Lösungen auswählen und so seine Erfahrung und Intuition einfließen lassen; dieses Szenario wird interaktive Entscheidungsunterstützung genannt. Dadurch finden auch im unterliegenden ERP-System und damit im Ausgangsmodell nicht vorhandene Nebenbedingungen Berücksichtigung. Bei der Evaluierung der Lösungen spielt neben den Zielfunktionswerten als den relevanten Güteparametern für den Plan auch die Visualisierung des Planes eine wesentliche Rolle. Falls kein zufriedenstellender Plan gefunden wurde, kann der Planer Ausgangsparameter und Nebenbedingungen ändern. So lassen sich in der grafischen Oberfläche leicht erkennbare Engpassressourcen durch Einfügen zusätzlicher Schichten, die Vergabe von Arbeitsgängen oder Aufträgen an Zulieferfirmen und das Splitten von Arbeitsgängen entlasten. Nach einem weiteren Optimierungslauf kann der Anwender die neuen Lösungen evaluieren und so schnell zu optimalen Lösungen kommen. Durch diese Vorgehensweise hat der Planer auch bei einer automatischen Planung die volle Kontrolle und Einflussmöglichkeiten bei den wichtigen Entscheidungen der Planerzeugung. Er wird aber gleichzeitig von planerischer Routinetätigkeit entlastet und erhält einen optimierten Fertigungsplan.

Intuitive Bedienbarkeit, Flexibilität, Transparenz und deutlich gesenkte Kosten durch optimierte Planung, bessere Ressourcenauslastung und schnellere Reaktionsmöglichkeiten auf Ausfälle – ein intelligentes Planungstool ist für Fertigungsunternehmen unverzichtbar, heute und auch in Zukunft. Dies haben nicht zuletzt die positiven Erfahrungen der Anwender von cdAPS gezeigt, die sich zum Einsatz der vor drei Jahren erstmals präsentierten Lösung entschlossen haben.

Dr. rer. nat. André Henning ist Leiter der cdAPS-Entwicklung und Produktmanager für cdAPS

Dr. rer.nat. Hans-Rainer Beick leitet das Projekt Optimierungs-Erweiterung von cdAPS

Ergänzendes zur r.z.w. cimdata AG

Das Software- und Beratungsunternehmen r.z.w. cimdata AG mit Sitz in Weimar, Gunzenhausen und Wilhelmshaven sowie bundesweiten Tochtergesellschaften und Niederlassungen beschäftigt heute mehr als 100 Mitarbeiter. Zum Kerngeschäft gehört die Entwicklung der internetfähigen und geschäftsprozessorientierten Lösungen cd2000 und if2000. Die Enterprise Resource Planning (ERP)-Software cd2000 mit Einsatzschwerpunkt in der mittelständischen Fertigungsindustrie und if2000, ein Client/Server-Produkt für das Rechnungswesen und Controlling, das zu den modernsten Lösungen dieser Art am Markt gehört, zählen gemeinsam mehr als 600 Installationen und sind von IBM als ISV (Independent Software Vendor)-Advantage-Lösungen eingestuft. Darüber hinaus bietet r.z.w. cimdata mit cdAPS (Advanced Planning and Scheduling) ein branchenunabhängig einsetzbares Tool zur grafisch-interaktiven Fertigungsplanung von Fertigungsaufträgen und den dazu notwendigen Ressourcen. Das Software- und Beratungshaus betreut weltweit insgesamt mehr als 650 Kunden. Seine Erfahrung und Qualität sind seit 1994 nach DIN EN ISO 9001:2000 zertifiziert. Weitere Informationen sind unter http://www.rzw.de erhältlich.

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