Kapazitätsplanung und dynamische Engpaßanalyse

Verwendung von Durchlaufdiagrammen und Arbeitssystemlayouts zur Engpaßanalyse diesen Text als PDF-Datei zum Download Einleitung Das Arbeitsplatz-Durchlaufdiagramm ist ein elegantes Werkzeug, um den dynamischen Verlauf der vergangenen und der künftigen Auftragsabwicklung an einen Arbeitsplatz oder an einer Arbeitsplatzgruppe darzustellen. Außerdem kann man mit Hilfe des Durchlaufdiagramms die Prozeßparameter der Arbeitssysteme (z.B. Kapazität, Auslastung und Plan-Durchlaufzeit) überprüfen und ggf. neu einstellen. Anhand eines Engpaßarbeitsplatzes werden Anwendungsfunktionen von Durchlaufdiagrammen erläutert (Bild 1). Im Beispiel handelt sich um ein Bearbeitungszentrum zur Bearbeitung von komplexen Gußteilen in einer klassischen Werkstattfertigung. Der Arbeitsplatz arbeitet im 3-Schicht-Betrieb.
Bild 1: Durchlaufdiagramm eines Arbeitsplatzes mit hohem Rückstandsniveau	Das Durchlaufdiagramm zeigt über der Zeitachse (X-Achse) den Bestand, die rückgemeldete Arbeit (Leistung) und der Kapazitätsbedarf auf Basis der Vorgabestunden laut Arbeitsplanung an. Die Anzeige der Leistung, des Kapazitätsbedarfs und der Kapazität erfolgt dabei als kumulativer Kurvenverlauf, um die dynamische Entwicklung der einzelnen Werte und der Abweichungen der Werte untereinander besser erkennen zu können. Die Leistungskurve in der Grafik zeigt beispielsweise einen gleichmäßigen Verlauf in den Monaten Februar, April und Mai, während im März keine Leistung verbucht wurde (Maschinenausfall durch Reparatur). Die Gesamtleistung in Höhe von zirka 1200 Vorgabestunden läßt auf einen 3-Schicht-Betrieb mit einer durchschnittlichen Leistung von etwa 20 Vorgabestunden je Arbeitstag schließen. Die Kapazitätsbedarfskurve verläuft insgesamt (bezogen auf den Zeitraum vom Februar bis zum Juli) etwas steiler als die Leistungskurve. Der aktuelle Rückstand zum Stichtag (2. Juni 2000) in Höhe von zirka 530 Stunden ergibt sich jedoch nicht aus dem generellen Steigungsunterschied zwischen dem Kapazitätsbedarf und der Leistung, sondern überwiegend aus dem Leistungsverlust durch die Maschinenreparatur im März. Die Rückstandselemente (rote Rechtecke) zeigen den aktuellen Rückstand für einzelne Arbeitsgänge an (Länge des Rechtecks). Die Höhe der Rechtecke entspricht der Vorgabezeit des rückständigen Arbeitsgangs am betrachteten Arbeitsplatz. Der größte Rückstand eines Arbeitsgangs beträgt an dem Beispielarbeitsplatz mehr als zwei Monate. Aus der Entwicklung des Bestandsverlaufs (Ist-Bestand) kann man erkennen, daß der Arbeitsplatz offensichtlich einen Engpaß darstellt, da die Bestandsreichweite (Quotient aus Arbeitsplatzbestand und mittlerer Kapazität) bereits seit Anfang April über 15 Arbeitstage beträgt. Der aktuelle Rückstand in Höhe von 530 Stunden entspricht einer Reichweite von mehr als fünf Wochen. Der künftige Rückstandsverlauf ergibt sich aus dem Abstand zwischen der Kapazitätskurve und dem Kapazitätsbedarf. Die Kapazitätskurve wurde dabei durch Extrapolation aus dem Leistungsverlauf der Vergangenheit ermittelt. Wenn die Kapazität nicht durch Sondermaßnahmen erhöht werden kann (z.B. Zusatzschichten an den Wochenenden) und die am Arbeitsplatz eingeplanten Aufträge nicht auf andere Maschinen verlagert werden können, dann wird der Rückstand bis Ende Juli gegenüber der aktuellen Situation weiter steigen.
Dieses Beispiel vermittelt einen ersten Eindruck von den Nutzungsmöglichkeiten von Durchlaufdiagrammen. Neben dem Arbeitsplatzdurchlaufdiagramm existieren weitere Formen des Durchlaufdiagramms, um z.B. den Auftragsdurchlauf in einer Fertigungsinsel oder den gesamten Produktdurchlauf durch ein Unternehmen abzubilden. Dynamische Einstellung der Kapazitätsdaten für Einzelarbeitsplätze, Technologie- und Personalgruppen Aus den Rückmeldungen der Vergangenheit (Leistung) und den im Unternehmen verwendeten Schichtmodellen wird der sogenannte Leistungsfaktor ermittelt. Der Leistungsfaktor ist der Quotient aus der rückgemeldeten Leistung (Vorgabestunden laut Arbeitsplanung) und der Laufzeit der Maschine. Über die in der Zukunft geplanten Schichtmodelle und den aus den Vergangenheit ermittelten Leistungsfaktor lassen sich damit realistische Kapazitätswerte für die Kapazitätsbedarfsanalyse und die Simulation des Auftragsdurchlaufs ermitteln. Der Bestandsverlauf am Arbeitsplatz wird benötigt, um Leerlaufverluste aufgrund von Arbeitsmangel bei der Berechnung des Leistungsfaktors berücksichtigen zu können.
Bild 2: Dynamische Kapazitätseinstellung der Arbeitsplätze	Bild 3: Anzeige der dynamischen Kapazität im Durchlaufdiagramm
Der Beispielarbeitsplatz (Bild 2 und Bild 3) wechselte im Auswertungszeitraum das Schichtmodell vom 3-Schicht-Betrieb (Januar) auf einen 1-Schicht-Betrieb (Februar) bzw. 1-Schicht-Betrieb mit Zusatzstunden. Im April konnte der Arbeitsplatz aufgrund von Auftragsmangel (Bestand = 0) befristet keine Leistung erbringen. Unter der Annahme, daß die Schichtmodelle der Vergangenheit korrekt angegeben wurden, ergibt sich für den Arbeitsplatz ein Leistungsfaktor (L-Faktor) von 1,1 (Bild 2). Bei einer Maschinenlaufzeit von 100 Stunden können demnach 110 Vorgabestunden abgearbeitet werden. Der Aufwand zur Ermittlung bzw. Einstellung des Leistungsfaktors in FAST/pro ist gering, da er unter Berücksichtigung von Leerlaufverlusten automatisch berechnet werden kann, wenn die Schichtmodelle der Vergangenheit an FAST/pro übergeben werden.
Einstellung der Arbeitssystem-Parameter für die Terminierung und die Auftragseinplanung Für die Terminierung und Einplanung von Aufträgen müssen in PPS-Systemen auf Arbeitssystem- und/oder Arbeitsgangebene verschiedene Parameter eingestellt werden. Von den heute angebotenen PPS-Systemen wird diese Parametereinstellung nicht unterstützt. Mit Hilfe der am Institut für Fabrikanlagen (IFA) der Universität Hannover entwickelten Betriebskennlinien-Methodik können in FAST/pro sinnvolle Ausgangswerte für die Terminierungsparameter an Engpaßarbeitsplätzen eingestellt werden. Aus den Vergangenheitswerten und den Daten des künftigen Auftragsbestandes werden sowohl der aktuelle Betriebspunkt eines Arbeitssystems als auch der Zielbereich für die künftige Planung ermittelt.
Bild 4: Produktionskennline (auch Betriebskennlinie) eines Engpaßarbeitsplatzes	Die hellgrüne Leistungskurve in der Betriebskennliniengrafik (Bild 4) zeigt den theoretischen Leistungsverlauf am Arbeitsplatz in Abhängigkeit vom mittleren Bestand. Die Leistungskurve erreicht ihren Maximalwert, wenn der mittlere Bestand über 140 Stunden liegt. Sie zeigt einen deutlichen Abfall, wenn der mittlere Bestand unterhalb von 60 Stunden liegt. Die blaue Durchlaufzeitkurve zeigt die proportionale Abhängigkeit der Durchlaufzeit von mittleren Bestand sowie die minimal erreichbare Durchlaufzeit, deren Höhe von der mittleren Auftragszeit der an dem Arbeitsplatz zu bearbeitenden Aufträge abhängt. Im Anwendungsbeispiel befindet sich der aktuelle Betriebspunkt des Engpaßarbeitsplatzes bei einem mittleren Bestand in Höhe von 315 Stunden, einer mittleren Tagesleistung von 22 Vorgabestunden im 3-Schicht-Betrieb und einer potentiellen Durchlaufzeit in Höhe von etwa 14 Arbeitstagen. Der Zielbereich der Plan-Übergangszeit für die künftige Auftragseinplanung sollte bei der gegebenen Auftragsstruktur zwischen drei und fünf Tagen liegen. Aufgrund der mittleren Auftragszeit liegt die minimal erreichbare Durchlaufzeit bei etwa zwei Tagen.

Bild 6: Engpaßarbeitsplatz mit Zuflußproblemen	Das Bearbeitungszentrum 05365 weist bei der Bewertung der Kapazitätssituation (Bedarfsgrad = 112 Prozent) trotz des bereits praktizierten 3-Schicht-Betriebes anscheinend kein besonderes Kapazitätsproblem auf, da die fehlende Kapazität z.B. durch zusätzliche Wochenendschichten ausgeglichen werden könnte. Betrachtet man jedoch die Plan-Zugangskurve (rot), die durch eine simulative Auftragseinplanung in FAST/pro ermittelt wurde, dann sieht man, daß in den nächsten zwei Wochen kein Auftragszufluß zu erwarten ist und daß damit die vorhandene Kapazität nicht genutzt werden kann. Der in der Simulation von FAST/pro ermittelte Plan-Abgang zeigt einen hohen Kapazitätsverlust durch Leerlauf. In der Praxis ist diese Situation insbesondere bei denjenigen Arbeitsplätzen problematisch, die bereits im 3-Schicht-Betrieb arbeiten. In dem Beispiel beträgt der aktuell zu erwartende Rückstand etwa vier Wochen (horizontaler Abstand zwischen dem Kapazitätsbedarf und dem Plan-Abgang). Eine Lösung des zuvor beschriebenen Problem kann darin bestehen, den bzw. die vorgelagerten Engpaßarbeitsplätze zu ermitteln und an diesen die Kapazitäten dynamisch so anzupassen, daß das Leerlaufproblem an dem betrachteten Arbeitsplatz behoben oder zumindest reduziert werden kann.
FAST/pro bietet für diese Fragestellung verschiedene Werkzeuge an, die das Auffinden von Zuflußengpässen unterstützen. Der Einsatz dieser Werkzeuge hängt u.a. von der jeweiligen Auftrags- und Fertigungsstruktur ab. Bild 7 zeigt die Materialflußbeziehungen aus den aktuell eingeplanten Aufträgen zwischen dem betrachteten Arbeitsplatz 05365/80 (rot markiert) sowie seinen direkten Vorgängern im Materialfluß bezogen auf die auftragsbezogenen Arbeitspläne.
Die Arbeitsplätze sind in der Grafik als Trichter dargestellt. Die Pfeilbreite der Materialflußbeziehungen entspricht dem Stundenvolumen, das an dem Zielarbeitsplatz abzuarbeiten ist. Die Materialflußbeziehungen zu den Nachfolgearbeitsplätzen wurden in der Grafik ausgeblendet. Aus der Grafik kann man einerseits erkennen, daß der Materialzufluß von acht direkten Vorgängerarbeitsplätzen erfolgt und daß der Arbeitsplatz 04303/76 den mit Abstand größten Anteil davon liefert. Betrachtet man diesen Arbeitsplatz näher, dann stellt man fest, daß er selbst ebenfalls im Materialfluß hinter einem Engpaß liegt und daß der Durchfluß zum Arbeitsplatz 05365/80 nur erhöht werden kann, wenn der weiter vorn im Fluß liegende Engpaß beseitigt wird. Hinweise auf diesem absoluten Engpaß liefern bereits die Prozeßparameter Bestand (blaue Trichterfüllung) und Rückstand (rote Säule im Trichter) bzw. Vorleistung (grüne Säule im Trichter) im Trichterlayout. Die Trichterhöhe wird für alle Arbeitssysteme auf einen einheitlichen Wert normiert. Im Beispiel entspricht die Trichterhöhe einer Reichweite von 5 Arbeitstagen. Der Arbeitsplatz 04302/75 weist demnach einen aktuellen Bestand, einen Rückstand sowie eine Vorleistung von jeweils etwa vier Arbeitstagen auf, während Arbeitsplatz 04303 einen Rückstand und Bestand von jeweils fast fünf Tagen hat. Arbeitsplatz 04301/74 zeigt sowohl bzgl. des Rückstandes als auch des direkten Arbeitsplatzbestandes einen mehrfachen Überlauf des Anzeigebereiches an. An diesem Arbeitsplatz hat sich demnach ein Auftragsbestand von mehr als 20 Tagen Bestandsreichweite und einer Rückstandsreichweite von mehr als drei Wochen angesammelt.	Bild 7: Anzeige der direkten Materialflußbeziehungen eines Arbeitsplatzes im Trichterlayout
Bild 8 zeigt alle Materialflüsse (Pfeilbreite = Anzahl der Arbeitsgänge) der offenen Aufträge, die künftig mit mindestens einem Arbeitsgang am Arbeitsplatz 05365/80 zu bearbeiten sind. Aus dieser Darstellung läßt sich leicht erkennen, daß der betrachtete Arbeitsplatz sowohl direkt als auch indirekt von den Arbeitsplätzen 04301, 04302 und 04303 beliefert wird und daß die meisten Arbeitsgänge an Arbeitsplatz 04301 bearbeitet werden müssen. Es ist deshalb notwendig, die Kapazitätsanpassung an diesen Arbeitsplätzen zu synchronisieren, um den drohenden Leerlauf am Arbeitsplatz 05365 zu verhindern. Da die Arbeitsplätze 04301 und 04303 bereits auf einen 3-Schicht-Betrieb eingestellt waren, wurden die Kapazitäten an diesen Arbeitsplätzen in der folgenden Simulation nur um maximal 20 Prozent erweitert. Die positiven Auswirkungen dieser Kapazitätsanpassung lassen sich sowohl im Durchlaufdiagramm des Arbeitsplatzes 05365 (Bild 9) als auch in den statistischen Auswertungen der voraussichtlichen Auftragstermineinhaltung des simulierten Auftragsdurchlaufs erkennen.	Bild 8: Materialfluß der offenen Aufträge, die künftig am Arbeitsplatz 05365/80 zu bearbeiten sind