standorte, der Produktionsorganisation und der Konzepte zur operativen Produktionsplanung und -steuerung. In der nachgelagerten taktischen Produktionsplanung wird über die Breite und Tiefe des Produktionsprogramms sowie über die Ausstattung mit Personal und Betriebsmitteln entschieden [Gün97: 27ff.). Aufbauend auf den Entscheidungen der strategischen und taktischen Produktionsplanung legt die operative Produktionsplanung und -steuerung das kurzfristige Absatz- und Produktionsprogramm mit den dazu benötigten Mengen an Baugruppen, Einzelteilen und Rohstoffen sowie den zeitlichen und räumlichen Vollzug des Produktionsprozesses fest. Eng damit verbunden ist die Ableitung der erforderlichen Beschaffungsmengen von den Zulieferern. Die operative Produktionsplanung und -steuerung (PPS) ist Gegenstand der weiteren Ausführungen. Nach einer kurzen Einführung in die einzelnen Teilaufgaben der operativen PPS und der Prinzipien der hierarchischen Planung (Abschn. A 4.2.2) werden die Schwächen und die Ursachen der derzeitigen, in der betrieblichen Praxis weit verbreiteten PPS-Systeme gezeigt (Abschn. A 4.2.3). Im Mittelpunkt der Ausführungen (Abschn. A 4.2.4) steht das von Drexl u. a. 1994 vorgestellte Konzept eines kapazitätsorientierten PPS-Systems, das aufbauend auf den Grundprinzipien der hierarchischen Planung eine verbesserte Planungsgüte gegenüber herkömmlichen PPS-Systemen verspricht [Dre94]. Insbesondere wird auf die jüngsten Forschungsarbeiten zur Weiterentwicklung dieses Konzepts eingegangen. Eine Zusammenfassung der Erkenntnisse und einen Ausblick auf zukünftige Entwicklungen enthält Abschn. A 4.2.5. A 4.2.2 Begriffe und grundlegende Probleme Ausgehend von einem gegebenen Produktprogramm, den verfügbaren Betriebsmitteln und Arbeitskräften sowie den bestehenden Rahmenvereinbarungen mit Zulieferern, bleiben für die operative PPS folgende Teilaufgaben: Festlegung der Absatzmengen der Produkte, Kapazitätsabgleich bei saisonal schwankenden Absatzmengen, Ableitung der benötigten Mengen an Baugruppen, Einzelteilen und Rohstoffen mit den zugehörigen Produktions- und Beschaffungsaufträgen, Angabe der Reihenfolge und der zeitlichen Lage der Produktionsaufträge auf den einzelnen Ressourcen. Die Festlegung der Absatzmengen der (End-) Produkte über einen mittelfristigen Zeitraum (z. B. ein Jahr) erfolgt in enger Abstimmung mit den Absatzmöglichkeiten auf den Absatzmärkten, den Produktionskapazitäten in den Produktionsstandorten und den möglichen (gegebenen) Rahmenvereinbarungen mit Zulieferern. Bei saisonal schwankendem Bedarf wird es i. d. R. nicht möglich sein, die Bedarfsspitzen mit den gegebenen Betriebsmitteln bedarfssynchron zu produzieren. Bei lagerfähigen Produkten ist daher ein Kapazitätsabgleich durch Vorverlagerung der Produktion in bedarfsschwache Perioden vorzunehmen. Weiterhin erlauben Jahresarbeitszeitkonzepte des Personals eine Anpassung des Kapazitätsangebots an den Kapazitätsbedarf. Ferner können alternative Produktionswege (-segmente) zu einem Kapazitätsabgleich genutzt werden. Aus den geplanten Produktionsmengen der (End-) Produkte lassen sich mit Hilfe von Stücklisten die benötigten Mengen an Baugruppen, Einzelteilen und Rohstoffen ableiten. Im Weiteren wird ein Endprodukt, Baugruppe, Einzelteil oder Rohstoff mit dem Oberbegriff Produkt bezeichnet. Üblicherweise werden mehrere zeitlich aufeinander folgende Bedarfe eines Teiles zu einer Losgröße (kurz: Los) zusammengefasst, um unter Inkaufnahme von Lagerkosten die mit einer Losauflage verbundenen fixen Rüstzeitverluste auf den Ressourcen und die direkten Rüstkosten (z. B. Anlaufverluste) im Planungszeitraum zu reduzieren. Schließlich ist noch die Reihenfolge und zeitliche Lage der Lose nunmehr als Produktionsaufträge bezeichnet auf den einzelnen Ressourcen detailliert zu planen. Die Interdependenzen zwischen den genannten 4 Planungsaufgaben sind vielfältig. So ist z. B. die Kenntnis der Kosten der Produktion eines (End-) Produkts d. h. die verwendeten Losgrößen und die eingesetzten Ressourcen für eine deckungsbeitragsmaximale Absatz- und Produktionsprogrammplanung notwendig. Die Kosten der Produktion sind jedoch erst mit der tatsächlichen Belegung der Ressourcen mit den Produktionsaufträgen bekannt. Ähnliches gilt für die Durchlaufzeit eines (End-) Produkts. Sie ist erst ermittelbar, nachdem die Losgrößenbildung abgeschlossen ist und deren zeitliche Lage auf den benötigten Ressourcen feststeht. Eine isolierte Durchlaufzeitbestimmung für einen Kundenauftrag ist i. Allg. nicht möglich, da häufig mehrere Produktionsaufträge zeitgleich um die Belegung einer Ressource konkurrieren (Ressourcenkonkur- A 4-15
übergeordnete Planungsebene (A) untergeordnete Planungsebene (B) Vorgaben Rückkopplungen Planungsaufgaben Bild A 4.2-1 Aufbau eines hierarchischen Planungssystems renz). Ferner ist zu beachten, dass größere Lose tendenziell zu längeren Wartezeiten vor den Ressourcen führen und mithin längere Durchlaufzeiten nach sich ziehen [Kar87]. Auf Grund der vielfältigen Interdependenzen der geschilderten Planungsaufgaben könnte man versucht sein, die Planungsaufgaben simultan zu lösen (Simultanplanung). Derartige Bestrebungen [Din63] blieben jedoch erfolglos. So haben sich das hohe Datenerhebungs und -verarbeitungsvolumen, die Unsicherheit der verwendeten Daten (z. B. Absatzprognosen, Ausschuss, Maschinenstörungen), die unzureichende Verankerung in der Aufbauorganisation eines Unternehmens und das Unvermögen, das dezentral vorhandene (Experten-) Wissen einzubeziehen, als hinderlich erwiesen. Als Ausweg bietet sich eine Zerlegung der operativen PPS an. Die Grundidee der hierarchischen Planung besteht in der hierarchischen Zerlegung der gesamten Planungsaufgabe in leichter lösbare Teilaufgaben, die über Koordinationsmechanismen miteinander verknüpft eine zulässige und möglichst gute Lösung der gesamten Planungsaufgaben ermöglichen [Sta88: 2]. Eine hierarchische Zerlegung liegt dann vor, wenn zwischen den einzelnen Planungsebenen eine eindeutige Beziehung der Unter- und Überordnung existiert [Rie79]. Eine Planungsebene A ist einer Planungsebene B übergeordnet, wenn die Planungsebene B Vorgaben von der Planungsebene A erhält (Bild A 4.2-1). Es werden primale Vorgaben (z. B. Produktionsmengen mit Bereitstellungsterminen) und duale Vorgaben (z. B. Preise für die Inanspruchnahme einer Ressourceneinheit) unterschieden. Primale Vorgaben engen den Entscheidungsspielraum der untergeordneten Planungsebene ein, während duale Vorgaben lediglich auf die Bewertung der Entscheidungsalternativen Einfluss nehmen. Zu jeder Planungsebene gehört ein Entscheidungsmodell, das neben den Entscheidungsvariablen auch eine Antizipationsfunktion [Sch94] für jede direkt untergeordnete Planungsebene enthält. Mit dieser wird die Reaktion einer untergeordneten Planungsebene auf mögliche Vorgaben abgeschätzt. So möchte man z. B. vorab prüfen, ob eine untergeordnete Planungsebene mit den (Produktionsmengen-) Vorgaben einen zulässigen Plan erstellen kann. Übergeordnete Planungsebenen zeichnen sich durch einen höheren Aggregationsgrad, einen längeren Planungszeitraum und eine größere Tragweite der zu treffenden Entscheidungen für das Unternehmen aus. Die Aggregation von Daten (z. B. zu einer Bedarfsprognose für einen Produkttyp) führt i. d. R. auch zu einer Reduktion der Unsicherheit. Allerdings ist mit der Aggregation auch ein Informationsverlust verbunden, so dass eine gute oder zumindest zulässige Lösung der gesamten Planungsaufgabe nicht immer sichergestellt werden kann. Zur Verringerung des Planungsumfangs und des Datenvolumens kommen 3 Arten der Aggregation in Betracht: eine Aggregation der Zeit zu Perioden (z. B. Tag, Woche), eine Aggregation gleichartiger Ressourcen zu Ressourcengruppen und eine Aggregation von gleichartigen Produkten mit einem gemeinsamen Rüstvorgang zu einer Produktfamilie und solchen mit gleichem saisonalen Absatzverlauf zu einem Produkttyp. Die Umsetzung der Vorgaben in einen detaillierten Plan durch eine untergeordnete Planungsebene wird als Disaggregation bezeichnet. Die Rückmeldung der geplanten Entscheidungen an die übergeordnete Planungsebene wird Rückkopplung genannt. Rückkopplungen dienen der besseren Abstimmung der Pläne und sind insbesondere dann wichtig, wenn Vorgaben nicht eingehalten werden können. Aus Zeit- und Aufwandsgründen können nur wenige Abstimmungsrunden (Vorgaben Rückkopplung) in einem Planungszeitpunkt durchgeführt werden. Die Grundprinzipien der hierarchischen Planung gehen auf Hax und Meal zurück [Hax75] und wurden seither vielfach verfeinert und in die betriebliche Praxis umgesetzt (vgl. [Ste94; Sta96] und die dort angegebene Literatur). Während das kapazitätsorientierte PPS-System (Abschn. A 4.2.4) auf den beschriebenen Elementen eines hierarchischen Planungssystems aufbaut, basieren herkömmliche PPS-Systeme auf dem Sukzessivplanungskonzept. A 4-16 Informations- und Planungssysteme in der Logistik
A 4.2.3 Sukzessivplanungskonzept herkömmlicher PPS-Systeme Produktionsplanungs- und -steuerungssysteme (PPS-Systeme) sind computergestützte Systeme zur operativen Planung, Steuerung und Kontrolle des Produktionsgeschehens bei vorgegebenen Produktionskapazitäten [Dre94]. Die Aufgaben der operativen PPS werden in den derzeit in der betrieblichen Praxis eingesetzten herkömmlichen PPS-Systemen (engl.: Manufacturing Resources Planning (MRP II)) in 4 Planungsebenen (Module) zerlegt und sukzessiv abgearbeitet (Sukzessivplanungskonzept (Bild A 4.2-2). An oberster Stelle steht die Hauptproduktionsprogramm-Planung (engl.: Master Production Scheduling (MPS)). Hier werden auf der Grundlage vorliegender Kundenaufträge und kurzfristiger Absatzprognosen die Produktionsmengen der Produkttypen periodengenau festgelegt. Die Länge des Planungszeitraums richtet sich nach der Verfügbarkeit verlässlicher Bedarfsprognosen und der beobachteten Dauer eines Saisonzyklus (häufig ein Jahr), eingeteilt in Wochen- oder Monatsperioden. Einzelne PPS-Systeme bieten zur Planungsunterstützung das Rough Cut Capacity Planning an [Gün97: 154ff.]. Hierbei wird der Kapazitätsbedarf des Absatzprogramms in den einzelnen Perioden auf der Grundlage von Grobplanungsprofilen durch Multiplikation mit den angestrebten Absatzmengen unter Verwendung starrer Vorlaufzeiten berechnet. Das Grobplanungsprofil eines Produkttyps (auch globaler Belastungsfaktor genannt) enthält die aggregierten Produktionskoeffizienten für eine Einheit eines Produkttyps. Die Aggregation der Produktionskoeffizienten kann z. B. als gewichtete Summe der Produktionskoeffizienten der zugehörigen Endprodukte berechnet werden. Als Gewichtungsfaktor eines Endprodukts bietet sich z. B. der Absatzanteil an dem Gesamtabsatz des Produkttyps an. Der so berechnete Kapazitätsbedarf wird den Kapazitätsverfügbarkeiten der potenziellen Engpassressourcen gegenübergestellt und ein manueller Kapazitätsabgleich vorgenommen. Das Rough Cut Capacity Planning wird in der betrieblichen Praxis selten eingesetzt, da eine Entscheidungsunterstützung zur Durchführung eines Kapazitätsabgleichs (z. B. die Behebung von Kapazitätsengpässen) fehlt. Dies führt dazu, dass der Produktionsplan meist dem Absatzplan gleichgesetzt wird. Aus den geplanten Produktionsmengen der Produkttypen werden anschließend durch Disaggregation mit Hilfe der Absatzanteile die Produktionsmengen (Primärbedarfe) der Endprodukte periodengenau berechnet. Die Primärbedarfe bilden den Ausgangspunkt für das 2. Modul, die Mengenplanung (engl.: Material Requirements Planning (MRP)). Mit Hilfe von Stücklisten und gegebenen Vorlaufzeiten werden die Bedarfe (Sekundärbedarfe) der abhängigen Baugruppen, Teile und Rohstoffe periodengenau z. T. auch schon zeitgenau ermittelt. Lagerbestände und die bereits erteilten, noch offenen Produktions- und Beschaffungsaufträge werden in die Nettobedarfsrechnung einbezogen. Die Bedarfsauflösung erfolgt meist mit Hilfe des Dispositionsstufenverfahrens [Tem99: 124ff). Inputdaten Module Aggregationen Kundenaufträge Stücklisten Arbeitspläne Hauptproduktionsprogrammplanung Mengenplanung Terminplanung Primärbedarfe Losgrößen Produktionsaufträge Produkttyp Endprodukte, Baugruppen, Teile Arbeitsgang, Betriebsmittelgruppen Produktionssteuerung Bild A 4.2-2 Sukzessivplanungskonzept herkömmlicher PPS-Systeme A 4-17
Innerhalb dieses Verfahrens kommen einfache, einstufige Losgrößenheuristiken (z. B. Lot-for- Lot, Richtlosgröße, gleitende wirtschaftliche Losgröße, Silver-Meal-Heuristik) zur Anwendung. Nach Abschluss der Mengenplanung stehen alle Produktions- und Beschaffungsaufträge sowie ihre Bereitstellungszeitpunkte fest. Das 3. Modul, die Terminplanung (engl.: Capacity Requirements Planning (CRP)), dient dem Kapazitätsabgleich. Mit Hilfe der Arbeitspläne werden die zu den Produktionsaufträgen gehörenden Arbeitsgänge und die sich daraus ergebenden Kapazitätsbedarfe einschließlich der frühesten und spätesten Start- und Endtermine ermittelt (Durchlaufterminierung) und den Kapazitätsverfügbarkeiten gegenübergestellt. Bei der Durchlaufterminierung wird von unbeschränkten Kapazitäten der Ressourcengruppen ausgegangen. Auch hier ist keine Entscheidungsunterstützung für den Kapazitätsabgleich vorgesehen. In der betrieblichen Praxis wird daher wenn überhaupt nur eine Anpassung der Kapazitätsverfügbarkeit an die berechnete Kapazitätsbelastung vorgenommen (z. B. durch Überstunden), da bei einer Anpassung der Kapazitätsbelastung (z. B. durch zeitliche Verschiebungen von Produktionsaufträgen) an die Kapazitätsverfügbarkeit häufig komplexe Interdependenzen zu anderen Produktionsaufträgen zu beachten sind. Das 4. Modul, die Produktionssteuerung, hat die Aufgabe, die Produktionsaufträge auf den dazu benötigten Ressourcen zeitgenau einzulasten. Der Planungszeitraum ist relativ kurz und umfasst z. B. nur die Produktionsaufträge, die innerhalb der nächsten 1 bis 2 Wochen begonnen werden müssen. Vor einer Einlastung eines Produktionsauftrags ist die Verfügbarkeit der Vormaterialen durch Reservierung von Lagerbeständen oder durch Lieferzusagen sicherzustellen (Freigabe). Für die freigegebenen Produktionsaufträge werden dann die jeweiligen Start- und Endtermine und damit die Belegung der Ressourcen (Auftragsfolge) festgelegt. Sofern die Produktionssteuerung computergestützt erfolgt, geschieht dies heute i. d. R. dezentral mit Hilfe von Fertigungsleitständen, wobei überwiegend einfache Prioritätsregeln zur Anwendung kommen [Sta99]. Die Kritik an den herkömmlichen PPS-Systemen ist nicht neu [Max82; Sch83; Fle88]. In der betrieblichen Praxis werden die zu langen Durchlaufzeiten der Aufträge, häufige Terminüberschreitungen und hohe Lagerbestände beklagt. Die Ursachen lassen sich auf die folgenden konzeptionellen Mängel zurückführen: Kapazitätsaspekte werden wenn überhaupt zu spät berücksichtigt. Wird eine Ressourcenkonkurrenz aber erst im Rahmen der Produktionssteuerung erkannt, ist es für geeignete Maßnahmen des Kapazitätsabgleichs meist zu spät, so dass nur noch Terminverschiebungen und -überschreitungen in Betracht kommen. Die in der Mengenplanung berechneten (groben) Starttermine der Produktionsaufträge werden unter Verwendung von gegebenen Vorlaufzeiten bestimmt. Diese beinhalten neben den reinen Bearbeitungs- und Transportzeiten auch Schätzungen der Wartezeiten vor den benötigten Ressourcen. Zusätzlich werden oft noch Sicherheitszeiten vorgesehen, um Terminüberschreitungen zu vermeiden. Dies führt zu einer verfrühten Freigabe der Produktionsaufträge und damit zu unangemessen langen Plan-Durchlaufzeiten sowie entsprechend hohen Zwischenlagerbeständen (Durchlaufzeitsyndrom [Gla92: 144]). Das Dilemma besteht darin, dass sich die tatsächlichen Wartezeiten erst aus dem Ergebnis der (Termin-) Planung ergeben, diese aber auf Grund der gewählten Zerlegung der operativen PPS zum Zeitpunkt der Mengenplanung noch nicht bekannt sind. Kosten werden in keinem Modul hinreichend berücksichtigt. Lediglich in der Mengenplanung kommen einfache Losgrößenheuristiken zum Einsatz, die einen Ausgleich zwischen den bei einer Losauflage anfallenden fixen Rüstkosten und den Lagerkosten anstreben. Neben der Bewertung der Lagerbestände mit einem Lagerkostensatz bereitet insbesondere auch die Bewertung der Rüstzeitverluste Probleme [Hel98: 147ff.]. Maschinenstundensätze, die üblicherweise auch Abschreibungen auf die ursprüngliche Investitionsausgabe der Ressource beinhalten, sind für eine zielgerichtete Ressourceneinsatzplanung ungeeignet. Andererseits bereitet die Bestimmung von Opportunitätskosten als Preis für eine alternative Verwendung einer Kapazitätseinheit Probleme, da diese nicht vorab angebbar sind, sondern erst mit dem Ergebnis der Planung zur Verfügung stehen. Eine Entscheidungsunterstützung durch problemadäquate, leistungsfähige Planungsverfahren fehlt völlig. Einfache Prioritätsregeln (wie die im Rahmen der Produktionssteuerung verwendete kürzeste Operationszeit-, Kunden- oder Lieferterminregel [Gla92: 369ff.) können die Wartezeiten und damit die Durchlaufzeiten nicht drastisch reduzieren, da sie nur dann wir- A 4-18 Informations- und Planungssysteme in der Logistik
ken, wenn eine Auswahl aus mehreren wartenden Aufträgen vorzunehmen ist. Auf Grund der großen Verbreitung herkömmlicher PPS-Systeme erscheint es sinnvoll zu überlegen, wie die Ergebnisse der Planung durch Modifikationen innerhalb der Module und eine problemadäquate Entscheidungsunterstützung verbessert werden können (s. [Dre94] und die dort angegebene Literatur). Bleibt man jedoch bei der Zerlegung der gesamten Planungsaufgabe in die beschriebenen 4 Module, sind lediglich marginale Verbesserungen der Planungsgüte denkbar. Auch erscheint es nicht sinnvoll, eine einheitliche Planungsphilosophie für alle denkbaren Produktionstypen anzubieten. Daher wird hier das von Drexl u. a. (1994) vorgeschlagene kapazitätsorientierte PPS-System weiter behandelt. A 4.2.4 Hierarchisches, kapazitätsorientiertes PPS-System A 4.2.4.1 Konzeptionelle Leitlinien Zusätzlich zu den genannten Grundprinzipien der hierarchischen Planung sehen Drexl u. a. (1994) die folgenden Leitlinien für die Systemarchitektur eines kapazitätsorientierten PPS-Systems (KPPS) vor: Es wird von einem Produktionssystem ausgegangen, das aus vernetzten Produktionssegmenten besteht. Jedes Produktionssegment stellt einen eigenständigen (dezentralen) Steuerbereich dar. Die in einem Werk vorhandenen Produktionssegmente lassen sich unterschiedlichen Organisationstypen zuordnen (z. B. Werkstatt-, Fließoder Zentrenproduktion). Für jeden Organisationstyp werden segmentspezifische Planungsund Steuerungsinstrumente zur Verfügung gestellt. Eine zentrale, übergeordnete Gesamtplanungsebene koordiniert die Planungen der dezentralen Produktionssegmente eines Werkes oder Unternehmens. Auf jeder Planungsebene werden die Produktionskapazitäten problemadäquat berücksichtigt. Der Aggregationsgrad nimmt von der übergeordneten Gesamtplanungsebene bis hin zur segmentspezifischen Produktionssteuerung immer mehr ab, während sich der betrachtete Produktionsausschnitt einengt und der Planungszeitraum kürzer wird. Die computergestützt erzeugten Pläne stellen lediglich Grundvorschläge dar, die der Planer auf Grund seines Expertenwissens interaktiv modifizieren kann. Der Unsicherheit der Daten wird durch angemessene Sicherheitsbestände und eine rollende Planung begegnet. Die Systemarchitektur muss offen sein für verschiedenste weitere Organisationstypen von Produktionssegmenten und der jeweils benötigten Entscheidungsunterstützung. Auch bereits integrierte Planungs- und Steuerungskonzepte müssen neueren Entwicklungen anpassbar sein. Mit diesen Leitlinien unterscheidet sich das KPPS- System erheblich von den herkömmlichen starren PPS-Systemen und deren segmentunabhängigen Planungs- und Steuerungsfunktionen. Die detaillierte Ausgestaltung des KPPS-Systems ist Gegenstand der weiteren Ausführungen. A 4.2.4.2 Aufbau der Planungspyramide Das Konzept eines KPPS-Systems sieht vor, die Aufgaben der operativen PPS in mindestens 2 Planungsebenen zu zerlegen (Bild A 4.2-3): eine zentrale, unternehmensweite Koordinationsebene und eine dezentrale, segmentspezifische Planungsebene. Für die zentrale, unternehmensweite Koordinationsebene wird eine weitere Zerlegung in die aggregierte Gesamtplanung und die Hauptproduktionsprogramm-Planung vorgeschlagen [Dre94]. Die aggregierte Gesamtplanung (engl.: Aggregate Production Planning (APP)) ist üblicherweise in die Unternehmensgesamtplanung eingebettet und muss in enger Abstimmung mit dem Absatz-, Beschaffungs- und Personalbereich erfolgen. Sie umfasst das gesamte Produktionsprogramm und die jeweiligen Werke eines Unternehmens sowie deren logistische Verflechtungen. Ziel ist es, die erlös- und kostenwirksamen Entscheidungen eines Unternehmens aufeinander abzustimmen. Der Planung liegen mittelfristige Trendprognosen und erwartete langfristige Marktprognosen zugrunde. Zum Ausgleich von saisonalen Bedarfsschwankungen ist ein Planungszeitraum erforderlich, der mindestens der Länge eines Saisonzyklus entspricht (i. d. R. ein Jahr). Der Planungszeitraum wird z. B. in Monatsperioden oder Quartale eingeteilt. A 4-19
aggregierte Gesamtplanung kapazitiertes Hauptproduktionsprogramm zentrale, unternehmensweite Koordinationsebene(n) detaillierte Losgrößen- und Ressourceneinsatzplanung dezentrale, segmentspezifische Planungsebene(n) segmentspezifische Feinplanung und -steuerung vernetzte Produktionssegmente Baustellenproduktion Werkstattproduktion Zentrenproduktion Fließproduktion JIT-Produktion Real-Time-Steuerung Bild A 4.2-3 Aufbau eines kapazitätsorientierten PPS-Systems Neben dem Absatz- und Produktionsprogamm ist auch über die Entwicklung der Personalkapazität, über die zur Verfügung zu stellende Anlagenkapazität sowie über Rahmenvereinbarungen mit Zulieferern zu entscheiden. Die Kapazitäten werden nur grob (z. B. globale Werkkapazitäten) berücksichtigt. Die in den einzelnen Perioden zu produzierenden Mengen beziehen sich auf Produkttypen, ggf. auch auf Hauptvorprodukte, sofern diese eindeutig einem Werk zugeordnet werden können. Das Ergebnis der aggregierten Gesamtplanung sind werkbezogene Produktionsvorgaben für Produkttypen sowie die zu erwartenden Transportmengen zwischen den Werken. Die Hauptproduktionsprogramm-Planung dient als weitere zentrale Planungsebene der Koordination der segmentspezifischen Produktionsprogramme. Hier werden die werkbezogenen Produktionsvorgaben für Produkttypen in Produktionsvorgaben für die einzelnen Produktionssegmente eines Werkes unter Berücksichtigung der kurzfristigen Absatzprognosen und der vorhandenen Kundenaufträge disaggregiert und segmentspezifisch weiter detailliert. Es werden Hauptprodukte und ggf. die in den Produktionssegmenten herzustellenden Vorprodukte betrachtet. Hier interessieren nur die Arbeitsgänge von Vorprodukten, die auf potenziellen Engpassressourcengruppen durchzuführen sind. Der Planungszeitraum orientiert sich an der längsten Durchlaufzeit eines Kundenauftrags und wird z. B. in Wochenperioden unterteilt. Nach Abschluss der Hauptproduktionsprogramm-Planung sind die von den einzelnen Produktionssegmenten herzustellenden Produktionsmengen periodengenau bekannt. Aus ihnen lassen sich die kurzfristigen Beschaffungsmengen und damit die erforderlichen Rahmenverträge mit Zulieferern ableiten. Mit diesen Vorgaben wird eine mengen- und termintreue Erfüllung der Kundenaufträge und der angestrebten Absatzmengen sichergestellt. Eine Zerlegung der zentralen, unternehmensweiten Koordinationsebene in 2 Planungsebenen ist vorzusehen, sofern sehr viele Werke mit vielen potenziellen Engpassressourcen zu koordinieren sind und ein sehr umfangreiches Produktprogramm vorliegt. Anderenfalls ist eine simultane Planung der Koordinationsebene empfehlenswert, wobei jedoch zu beachten ist, dass nunmehr die detaillierten Produktionsprogramme der Produktionssegmente über alle Werke hinweg für die Dauer eines Saisonzyklus zu entwerfen und zu koordinieren sind. Die dezentrale, segmentspezifische Planungsebene enthält für jedes Produktionssegment die zur Entscheidungsunterstützung bestgeeigneten Modelle und Lösungsverfahren. Während für einige Organisationstypen eine weitere Zerlegung der segmentspezifischen Planung in die Ebenen detaillierte Losgrößen- und Ressourceneinsatzplanung sowie segmentspezifische Feinplanung A 4-20 Informations- und Planungssysteme in der Logistik
sinnvoll erscheint (z. B. für die Werkstattproduktion), erfordern andere Organisationstypen (z. B. die Fließproduktion) auf Grund der notwendigen hohen Auslastung der Ressourcen und einer starken Ressourcenkonkurrenz eine simultane Planung der Losgrößen und eine zeitgenaue Ressourcenbelegung. Die detaillierte Losgrößen- und Ressourceneinsatzplanung hat die Aufgabe, die Losgrößen unter Beachtung der in den einzelnen Perioden verfügbaren Kapazitäten festzulegen. Ziel ist es, die vorgegebenen Produktionsaufträge rechtzeitig und mit möglichst geringen variablen Produktionskosten herzustellen. Sind die benötigten Ressourcen eindeutig festgelegt, reduziert sich die Zielsetzung meist auf die Minimierung der Rüst- und Lagerkosten. Im Gegensatz zu herkömmlichen PPS-Systemen werden hier jedoch gleichzeitig die Interdependenzen der Losgrößen bei einer mehrstufigen Produktion und die begrenzten Kapazitätsverfügbarkeiten beachtet. Als Periode wird z. B. ein Tag oder eine Woche gewählt. Der Planungszeitraum beträgt etwa 4 bis 12 Wochen und orientiert sich an der erwarteten Durchlaufzeit der vorgegebenen Produktionsaufträge. Die Planung erfolgt arbeitsganggenau, wobei lediglich die Arbeitsgänge auf potenziellen Engpassressourcengruppen explizit zu beachten sind. Der Zeitbedarf für die anderen Arbeitsgänge lässt sich durch entsprechende Vorlaufzeiten hinreichend genau abbilden. Diese Vorlaufzeiten enthalten im Gegensatz zu den Vorlaufzeiten in herkömmlichen PPS-Systemen aber keine Wartezeiten, da diese auf Nicht-Engpassressourcen nicht ins Gewicht fallen. Als potenzielle Engpassressourcen kommen sowohl das Personal als auch technische Kapazitäten einzelner Arbeitsplätze oder Arbeitsplatzgruppen in Betracht sowie anderweitige Ressourcen wie Werkzeuge, Transportmittel und Handlingeinrichtungen. Die segmentspezifische Feinplanung ist die unterste Planungsebene eines KPPS-Systems. Sie dient der unmittelbaren Vorbereitung und Veranlassung der Arbeitsgänge, die zur Erledigung eines Produktionsauftrags erforderlich sind. Da bereits alle kostenwirksamen Entscheidungen auf den vorgelagerten Planungsebenen getroffen wurden, werden als Zielsetzungen hauptsächlich Zeitziele wie die Minimierung der Zykluszeit eines Auftragsbündels oder die Minimierung der Summe der (Eck-) Terminüberschreitungen verfolgt. Geplant wird mit dem höchsten Detaillierungsgrad, d. h. für jeden Arbeitsgang und jede Ressource auf einer kontinuierlichen Zeitachse. Mitunter umfasst die Feinplanung nur einzelne Teilbereiche des Produktionssegments. Die Feinplanung knüpft unmittelbar an die Systemsteuerung des Produktionsprozesses an. Ob die Arbeitsanweisungen und der Produktionsfortschritt über eine Schnittstelle zu den jeweiligen Prozessrechnern, über Bildschirmterminals oder in gedruckter Form übermittelt werden, hängt vom Automatisierungsgrad der Produktion im betrachteten Produktionssegment ab. Die detaillierte Ausgestaltung der geschilderten Planungsebenen sowie die zur Verfügung stehenden Modelle und Lösungsverfahren sind Gegenstand der folgenden Ausführungen. Sie beschränken sich im Weiteren auf die Produktionssegmente Werkstattproduktion, Fließproduktion und Baustellenproduktion, für deren operative PPS in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte erzielt wurden (für die Produktionssegmente Zentrenproduktion und JIT-Produktion s. [Dre94]). A 4.2.4.3 Modelle und Lösungsverfahren für ausgewählte Produktionssegmente Werkstattproduktion Die Werkstattproduktion zeichnet sich durch eine räumliche Konzentration der Betriebsmittel nach dem Verrichtungsprinzip (in sog. Werkstätten) aus. Dieser Organisationstyp ist häufig bei Kleinserienproduktion anzutreffen. Kennzeichnend sind eine mehrteilige Erzeugnisstruktur, die Notwendigkeit der Beachtung von Rüstaufwendungen bei einem Wechsel der Serien auf einem Betriebsmittel und eine Produktion auf Lager. Dabei ist es unerheblich, ob das Produktionssegment Werkstattproduktion direkt mit der Absatzseite verbunden ist oder ob es die aus der Auftragsmontage resultierenden Sekundärbedarfe erfüllen muss. Um den engen Interdependenzen zwischen der Sekundärbedarfsplanung, der Bestimmung der Produktionsaufträge, der Beschaffungslose und der Terminierung der Arbeitsgänge Rechnung zu tragen, wird hierfür eine simultane Losgrößen- und Ressourceneinsatzplanung vorgeschlagen. Da die Ressourcen in dieser Planungsebene noch zu Ressourcengruppen zusammengefasst sind und lediglich periodengenau geplant wird, ist als letzte Planungsebene noch eine segmentspezifische Feinplanung erforderlich. A 4-21
Losgrößen- und Ressourceneinsatzplanung. Für die Losgrößen- und Ressourceneinsatzplanung gelten folgende Prämissen (vgl. [Tem98: 201ff.]): Die von der Hauptproduktionsprogramm- Planung vorgegebenen Produktionsmengen schwanken im Zeitablauf (dynamischer, deterministischer Bedarf). Es gibt mehrere potenzielle Kapazitätsengpässe. Funktionsgleiche Ressourcen werden zu Ressourcengruppen zusammengefasst. Die Planung wird arbeitsganggenau vorgenommen. Die Einplanung von Fehlmengen ist nicht erlaubt. Rüstzeiten, direkte Rüstkosten und variable Produktionskosten werden explizit erfasst. Die Losgrößen sind beliebig teilbar. Die Zeitachse wird in (z. B. Tages- oder Wochen-) Perioden eingeteilt. Unter diesen Prämissen lässt sich die Losgrößenund Ressourceneinsatzplanung als Standardmodell der mehrstufigen, mehrperiodigen Losgrößenplanung angeben (engl.: Multi-Level Capacitated Lot-Sizing Problem (MLCLSP)): Modell Min ÂÂ( c ji jt + s jyjt ) u. d. N. j t (A4.2-1) I jt 1 + X jt =  rjkxkt + d jt + I jt (A 4.2-2) " j,t kœnj  a X R " j,t j ij jt it (A 4.2-3) X jt M jtyjt " j,t (A 4.2-4) I 0, X 0, Y Œ{ 0, 1} " j,t (A 4.2-5) jt jt jt mit den Indizes j,k Produkt im Bearbeitungszustand Arbeitsgang j, j =1,..., j i Ressourcengruppe i =1,..., i t Periode im Planungszeitraum t =1,..., t der Indexmenge N j Menge der direkten Nachfolger des Teiles j (Baukasten-Teileverwendungsnachweis) den Variablen I jt Lagerendbestand von Produkten im Bearbeitungszustand Arbeitsgang j am Ende der Periode t X jt Y jt Losgröße von Arbeitsgang j in Periode t 1, wenn in Periode t ein Los des Arbeitsgangs j produziert wird, 0 sonst und den Daten r jk Direktbedarfskoeffizient (Bedarf an Mengeneinheiten j je Mengeneinheit k) c j Lagerkostensatz für Arbeitsgang j während einer Periode d jt Primärbedarf eines Produkts im Bearbeitungszustand Arbeitsgang j am Ende der Periode t I j0 Lageranfangsbestand von Produkten im Bearbeitungszustand Arbeitsgang j M jt große Zahl (obere Schranke für eine Losgröße von j in Periode t) a ij Produktionskoeffizient des Arbeitsgangs j auf Ressourcengruppe i R it Kapazitätsverfügbarkeit der Ressourcengruppe i in Periode t S j Rüstkostensatz bei Auflage eines Loses des Arbeitsgangs j Das Ziel des Modells (A 4.2-1) besteht in der Minimierung der Rüst- und Lagerkosten im Planungszeitraum. Die Lagerbilanzgleichungen (A 4.2-2) stellen die Bedarfsdeckung im Planungszeitraum sicher und verknüpfen die Lagerendbestände. Neben den Primärbedarfen gehen auch die von den direkt folgenden Arbeitsgängen verursachten Sekundärbedarfe ein. Verletzungen der Kapazitätsverfügbarkeiten im Planungszeitraum werden verhindert; Gl. (A 4.2-3). Die Rüstbedingungen (A 4.2-4) stellen sich, dass bei Losproduktion eines Arbeitsganges in einer Periode auch der Rüstvorgang erfasst wird. Zu Erweiterungen des Modells (z. B. hinsichtlich Rüst- und Vorlaufzeiten s. [Tem99: 201ff]. Bezüglich der Lösbarkeit derartiger Modelle wurden in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte erzielt. Hervorzuheben sind 2 heuristische Lösungsverfahren. Die Heuristik von Tempelmeier und Derstroff basiert auf einer (internen) Zerlegung des Planungsproblems in einstufige, dynamische Losgrößenprobleme für jeden Arbeitsgang [Tem96]. Mit Hilfe von Lagrange-Multiplikatoren, welche die Opportunitätskosten der benötigten Ressourcengruppen und die Interdependenzen zu den vorgelagerten Arbeitsgängen widerspiegeln, werden diese Einzellösungen in einem sich anschließenden iterativen Verfahren modifiziert und zu einer zulässigen Gesamtlösung zusammengefügt. A 4-22 Informations- und Planungssysteme in der Logistik
Die Heuristik von Simpson und Erenguc verzichtet auf eine Zerlegung des Planungsproblems [Sim98]. Ausgehend von einer Lot-for-Lot-Lösung wird schrittweise die Vorteilhaftigkeit und Zulässigkeit der Zusammenfassung von Losen überprüft. Auf Grund des verwendeten Kriteriums zur Losbildung wird das Verfahren als mehrstufiges, globales Stück-Periodenausgleichsverfahren bezeichnet [Tem99: 257ff.]. Beschränkt man die Losgrößen- und Ressourceneinsatzplanung auf die auf potenziellen Enpassressourcen auszuführenden Arbeitsgänge, wird das Lösungsvermögen der genannten Heuristiken für eine simultane Losgrößen- und Ressourceneinsatzplanung bereits heute in vielen Fällen ausreichen (einen Anwendungsfall beschreiben Simpson und Erenguc [Sim o. J.], vgl. auch die Argumentation in [Tem98: 215ff.]). Bei der Implementation der Losgrößen- und Ressourceneinsatzplanung sind die zeitbezogenen Parameter der Planungszeitraum, die Periodenlänge, die Vorlaufzeiten und das Planungsintervall für eine rollende Planung problemadäquat festzulegen [Ges97: 98ff.]. Zu beachten ist einerseits, dass die Produktionsdauern der zu planenden Produktionsaufträge üblicherweise (sehr viel) kleiner sein sollten als die Periodenlänge. Anderenfalls würden im Modell zu viele Rüstvorgänge unterstellt, da nicht davon ausgegangen wird, dass Rüstzustände über Periodengrenzen hinweg beibehalten werden. Andererseits sollte die Periodenlänge auch nicht zu groß gewählt werden, damit die Plandurchlaufzeiten im Produktionssegment bei Vorgabe positiver Vorlaufzeiten gering bleiben. Um eine möglichst einfache Disaggregation des periodengenauen Losgrößen- und Ressourceneinsatzplans in einen zulässigen Ressourcenbelegungsplan zu erhalten, empfiehlt sich eine Vorlaufzeit von einer Periode. Die Disaggregation ist Gegenstand der segmentspezifischen Feinplanung. Segmentspezifische Feinplanung. In der segmentspezifischen Feinplanung werden die periodengenau terminierten, arbeitsgangbezogenen Produktionsaufträge den einzelnen Ressourcen zugeordnet. In herkömmlichen PPS-Systemen muss bei der zeitgenauen Einlastung der Aufträge auf die zeitlichen Beziehungen zu den Vorgänger- und Nachfolgerarbeitsgängen in der Erzeugnisstruktur geachtet werden. Hierauf kann an dieser Stelle verzichtet werden, da diese bereits in der übergeordneten Losgrößen- und Ressourceneinsatzplanung berücksichtigt wurden sofern eine Mindestvorlaufzeit von einer Periode vorgesehen wurde. Für die Feinplanung bedeutet dies eine wesentliche Vereinfachung, da lediglich darauf zu achten ist, dass die Start- und Endzeitpunkte der Produktionsaufträge innerhalb der hierfür vorgesehenen Periodengrenzen liegen [Ges97: 114ff.]. Bei der Disaggregation von Ressourcengruppen in Ressourcen kann es jedoch erforderlich sein, Produktionsaufträge zu splitten, wodurch bisher nicht geplante, zusätzliche Rüstaufwendungen entstehen. Ob eine Implementation der Feinplanung auf einem computergestützten Fertigungsleitstand notwendig ist, hängt sicherlich vom Umfang der Feinplanung und sonstiger Aufgaben (z. B. Auskunft und Überwachung) ab. Da die Produktionsaufträge bereits grob terminiert und kapazitätsseitig abgestimmt sind, kann die Zuordnung von Produktionsaufträgen zu Betriebsmitteln auch ggf. direkt in den einzelnen Werkstätten manuell vorgenommen werden. Die Einfachheit der Feinplanung wird allerdings mit dem einzuräumenden Zeitpuffer (Schlupf) erkauft, der mit einem beliebigen Verschieben eines Produktionsauftrags innerhalb einer Periode verbunden ist. Simulationsexperimente haben allerdings gezeigt, dass sich die arbeitsgangbezogenen Durchlaufzeiten gegenüber herkömmlichen PPS-Systemen drastisch reduzieren lassen [Tem98: 214ff.]. Fließproduktion Zu einem Produktionssegment Fließproduktion können mehrere Fließlinien gehören. In einer Fließlinie sind die Betriebsmittel meist direkt hintereinander nach dem Objektprinzip angeordnet. Mögliche Pufferplätze zwischen den Betriebsmitteln dienen nur dem Ausgleich geringfügiger Schwankungen der Bearbeitungszeiten. Für die operative PPS kann eine Fließlinie daher wie eine einzelne Maschine verplant werden. Zu unterscheiden sind Fließlinien, bei denen bei einem Wechsel von einem Produkt auf ein anderes Rüstaufwendungen entstehen, und solche, die keine nennenswerten Rüstaufwendungen verlangen. Als Station wird ein örtlich abgegrenzter Bereich an der Fließlinie bezeichnet, ausgestattet mit entsprechend qualifizierten Mitarbeitern und den erforderlichen Betriebsmitteln. In einer getakteten Fließlinie erhält jede Station für die Bearbeitung eines Produkts eine fest vorgegebene Zeitspanne, die Taktzeit. Die Durchlaufzeiten sind relativ gering (meist nur wenige Stunden). Das A 4-23