Wissenschaftlicher Newsticker Januar 2018
Die Strukturgüte von Produktionssystemen: Ein Bewertungsmodell für die Passfähigkeit von Produktionsstrukturen
Januar 2018 Das Strukturieren als wesentliche Aktivität bei der Konfiguration von Produktionssystemen determiniert maßgeblich die Ausführungskosten von Produktionsabläufen. Dabei ist die Strukturfestlegung mithin eine langfristige Prinzipienentscheidung, deren zugrundeliegenden Vorgaben jedoch durch die zunehmende Individualisierung der Kundenbedürfnisse häufig konterkariert werden. Führt diese Individualisierung zu einer signifikanten Verschiebung der Art und Menge des Produktionsprogramms, entsteht ein latenter Veränderungsdruck für die installierte Produktionsstruktur. In Anwendung der Strukturgüte als objektiv fassbare Maßzahl wurde nunmehr am IAF eine Bewertungs- und Entscheidungsprozedur entwickelt, mit der die Passfähigkeit von Produktionsstrukturen bei sich stetig ändernden Markterfordernissen bestimmt werden kann.
Zur integrierten Bewertung der zeitlichen als auch der räumlichen Strukturaspekte von Produktionssystemen stellt die Strukturgüte SQ (engl. Structural Quality) einen geeigneten Beurteilungsmaßstab dar. Ob nun in der Planungsphase oder gleichwohl in der Betriebs- und Optimierungsphase kann eine derartige Überprüfung der Passfähigkeit von Produktionsstrukturen zur vorliegenden Produktionsaufgabe zum Einsatz kommen. Handelt es sich bei der betrachteten Produktionsstruktur um ein Planungskonstrukt, erfolgt eine antizipierende Strukturbewertung, wogegen im laufenden Betrieb mithin eine aktive Strukturüberwachung möglich wird.
GRUNDÜBERLEGUNGEN
Betrachtungsgegenstand unserer regelkreisbasierten Prozedur ist ein Produktionssystem mit einer geplanten oder bereits installierten Produktionsstruktur (vgl. Abb. xy). Typischerweise werden im Systembetrieb relevante Leistungskennzahlen erfasst, die zudem als hinreichend notwendige Eingangsgrößen für eine gesamtplanerische Konfiguration bzw. Anpassungen von Produktionsstrukturen dienen.
Gemeinhin ausgelöst durch eine signifikante Änderung im vorliegenden Produktionsprogramm erfolgt die SQ-basierte Strukturbewertung nach einem sukzessiven Vorgehen, aus dem notwendige Anpassungsmaßnahmen für die Produktionsstruktur abgeleitet werden können.
MODELLBETRACHTUNG
Im Sinne eines Reglersystems läuft im methodischen Kern dem Konfigurator eine zweistufige Bewertungs- und Entscheidungsprozedur ab.
Anhand vorselektierter Strukturindikatoren erfolgt zunächst eine Grobanalyse (das ENTDECKEN & ERKENNEN) hinsichtlich der räumlichen als auch zeitlichen Strukturkomponenten. Dabei erlangt der Planer einen ersten Eindruck möglicher Auswirkungen eines sich verändernden Produktionsprogramms auf die untersuchte Produktionsstruktur.
Liegen die Indikatorwerte dabei jenseits der festgelegten Grenzwerte, erfolgt die detaillierte Strukturbewertung durch Ermittlung der Strukturgüte SQ (das ENSCHEIDEN & HANDELN). Anhand dieser SQ-Bestimmung kann der Planer schließlich entscheiden, welche detaillierten Veränderungsmaßnahmen gegebenenfalls zu erarbeiten sind.
Ausgelegt wurde das Modell als ereignisgesteuerte Prozedur, ausgelöst durch ein sich veränderndes Produktionsprogramm. Neben den Indikatoren als Vorschaltelemente dient hierbei die Strukturgüte SQ als zentrales Entscheidungskriterium, mit dem der Planer die Veränderungsnotwendigkeit der Produktionsstruktur abwägen kann. Da aber Strukturfestlegungen mithin langfristige Prinzipienentscheidungen sind, empfiehlt sich zusätzlich eine periodische Überprüfung der funktionalen Struktur; d.h. die grundsätzliche Systemzusammensetzung entsprechend der notwendigen Ressourcenelemente. Dann agiert das Modell als zeitdiskrete Anwendung.
ANWENDUNGSSZENARIO
Betrachtet wird ein Produktionssystem, das gemäß dem Produktionsprogramm PP_0 strukturiert ist; aktuell als Werkstattstruktur mit einer ConWiP-Steuerung.
Im betrachteten Szenario kommt es nun zu einer Veränderung des Produktionsprogramms hin zu PP_1. Inwiefern diese Veränderung eine strukturelle Anpassung bedingt, ist nun mit unserer Bewertungs- und Entscheidungsprozedur bestimmbar.
Im Rahmen der Grobanalyse nutzen wir den Linearitätsgrad und den normierten Kooperationsgrad als räumliche Strukturindikatoren. Dabei berücksichtigt sich der Linearitätsgrad die Anzahl vorhandener Rückflüsse entgegen der einer vorherrschenden Abarbeitungsfolge, während sich der normierte Kooperationsgrad über die Anzahl der zwischen den Arbeitsstationen vorherrschenden Materialflussbeziehungen bestimmt.
Zur Indikation des zeitlichen Strukturaspekts bedienen wir uns der durchschnittlichen Systembelastung und deren arbeitssystembezogener Streuung. Die aggregierte Betrachtung der Belastungssituation je Auftrag kombiniert mit der mittleren Zeitspanne zwischen den jeweiligen Kundenaufträgen beschreibt hierbei die Systembelastung. Einhergehend mit dem Variationskoeffizient werden somit die Belastungsschwankungen im Produktionssystem verdeutlicht.
Nachfolgend die vorliegende Situation gemäß des Anwendungsszenarios:
Da die Grobanalyse ein signifikantes Änderungspotenzial der Produktionsstruktur ausweist, folgt die detaillierte Strukturbewertung in Form der SQ-Bestimmung:
Im Ergebnis dieser Bewertungsprozedur empfiehlt sich die Entscheidung zu einer Strukturanpassung; weg von der Werkstatstruktur hin zu einer Reihenstruktur unter Beibehaltung der ConWiP-Steuerung.
FAZIT
Dem Planer wird mit dem entwickelten Bewertungs- und Entscheidungsprozedur ein Werkzeug zur iterativen Strukturüberprüfung und -anpassung zur Verfügung gestellt.
In aller Regel wird die Leistungsfähigkeit eines zu konfigurierenden Produktionssystems nur über die dynamische Analyse des Systemverhaltens offensichtlich; somit sind rechnergestützte Simulationsstudien unumgänglich.
Überdies nutzen wir hierzu unser kürzlich in Betrieb genommenes Laborsystem zur „Realsimulation“: Der Fischertechnik-Versuchsstand „Smart Factory“. Auf Basis einer Kombination von physischen und softwaretechnischen Anlagenkomponenten wird hierbei das Verhalten von Produktionssystemen für verschiedenste Systemzustände abgebildet.
Ansprechpartner: Dr.-Ing. Ulf Bergmann,
Links/Literatur:
Heinicke, Matthias [VerfasserIn]; Kühnle, Hermann [GutachterIn]: Resilienzorientierte Beurteilung von Produktionsstrukturen. Dissertation, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Fakultät für Maschinenbau, 2017
Bergmann, Ulf; Heinicke, Matthias: Approach for the Evaluation of Production Structures. In: Advances in Production Management Systems. The Path to Intelligent, Collaborative and Sustainable Manufacturing: IFIP WG 5.7 International Conference, APMS 2017, Hamburg, Germany, September 3-7, 2017, Proceedings, Part I - Cham: Springer International Publishing, S. 174-183; http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-66926-7_21 ; [Konferenz: APMS 2017] LINK