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Ablaufplanung bei Massenproduktion
Inhaltsübersicht
I. Begriffliche Grundlagen und Ausgangsbedingungen
II. Planung bei manuellen Produktionsaufgaben
III. Planung bei Nutzung fest installierter (meist hochautomatisierter) Technologien
I. Begriffliche Grundlagen und Ausgangsbedingungen
Wird eine (i.d.R. stark nachgefragte) Erzeugnisart in einem Betrieb oder Betriebsteil längerfristig in ständiger Wiederholung hergestellt, so liegt Massenproduktion vor. Mehrere Massenerzeugnisarten (Sorten) können parallel auf verschiedenen Produktionssystemen oder als wechselnde Massenproduktion auf denselben Produktionseinrichtungen zeitlich nacheinander hergestellt werden. Im erstgenannten Fall wird auch von paralleler, im zweiten Fall von sukzessiver Sortenproduktion gesprochen. Wechselnde Massenproduktion kann ebenfalls in Form einer Großserienfertigung vorliegen. Eine Großserie wird durch eine andere ersetzt, wenn das Erzeugnis dem aktuellen Stand der Technik oder veränderten Nachfragewünschen angepasst wird.
Produktionsbezogene Ablaufplanung bedeutet Planung des Produktionsvollzugs. Im Vordergrund steht die Vorgabe der Arbeitsweise einzusetzender Arbeitssysteme (Bearbeitungsstationen). Dies sind elementare Produktionsfaktorkombinationen (Produktionsanlagen, Mitarbeiter), die bestimmte Produktionsaufgaben übernehmen. Die Ablaufplanung stützt sich auf die Ergebnisse der Produktionsprogrammplanung, bei der im Planungszeitraum zu produzierende Produktarten und -mengen in Ausrichtung auf unternehmensbezogene Ziele festgelegt werden. Bei reiner Massenproduktion, bei paralleler Sortenfertigung und bei Großserienproduktion reduziert sich die Programmplanung auf die Fixierung der jeweiligen Erzeugnismenge. Bei sukzessiver Sortenfertigung resultieren hintereinander zu produzierende Mengen aus der zielgerechten Aufteilung realisierbarer Produktionszeiten auf die Produktarten sowie zusätzlich aus der sortenspezifischen Losgröße, die i.d.R. unter Kostengesichtspunkten (Lagerkosten, Umrüstkosten) bestimmt wird.
Reine Formen der Massen- und Großserienproduktion i.S. der Herstellung durchgängig einheitlicher Produktausgestaltungen sind heute meist abgelöst durch Ausprägungen der Variantenfertigung, bei der bestimmte Eigenschaften eines einheitlichen Grunderzeugnisses variiert werden können. Die (kostengünstige) Produktion großer Stückzahlen wird hier mit einem wirtschaftlich vertretbaren Ausmaß an Flexibilität ausgestattet, um in bestimmten Bandbreiten marktgeforderte Individualisierungen der Erzeugnisse zu ermöglichen.
Für die Produktion großer Erzeugnismengen bietet sich im Hinblick auf die Gestaltung der Organisation für den Produktionsvollzug eine Strukturierung nach dem Ablauf der Erzeugnisfertigung (Prozessfolgeprinzip) an. Die Bearbeitungsstationen (Arbeitssysteme) werden entsprechend der Folge der an einer Produkteinheit zu vollziehenden Teilvorgänge angeordnet (Prinzip der Fließfertigung). Produktbezogene Transportwege, -zeiten und -kosten werden gering gehalten. Hinsichtlich der Ausgestaltung ist zwischen Fließfertigung mit zeitlich ungebundenen und zeitlich gebundenen Arbeitssystemen zu unterscheiden. Zeitliche Bindung liegt vor, wenn die Bearbeitungsgegenstände kontinuierlich oder in einheitlichem zeitlichem Rhythmus von Arbeitssystem zu Arbeitssystem für die Durchführung von Produktionsprozessen weitergegeben werden. Die Bewältigung der Aufgaben hat in konstanten Zeitintervallen – den Taktzeiten – zu erfolgen. Wird die zeitliche Bindung aufgehoben (zeitlich ungebundene Fließfertigung), so entfällt die strenge Notwendigkeit zur zeitlich gleichmäßigen Weitergabe der Erzeugnisse bzw. -teile. Im Durchschnitt wird von einheitlichen Produktionsgeschwindigkeiten aller Arbeitssysteme ausgegangen. Bei stärkeren Abweichungen dienen Zwischenlager (Pufferlager) als Ausgleichsfunktion.
Für die Aufgaben der Ablaufplanung ist wesentlich, ob flexible Ausgestaltungsmöglichkeiten der Arbeitssysteme hinsichtlich Arbeitsteilungsgrad und Aufgabenumfang vorliegen oder ob die Bearbeitungsstationen fest installiert sind. Im erstgenannten Fall ist die Ausgestaltung der Fertigungsabläufe Bestandteil der (operativen) Ablaufplanung für kurz- bis mittelfristige Zeiträume, im zweiten Fall sind Möglichkeiten der Produktionsdurchführung durch die (strategische) Ausstattungsplanung langfristig fixiert.
II. Planung bei manuellen Produktionsaufgaben
1. Abgrenzung der Arbeitsaufgaben
Insbesondere bei der traditionellen Massenfertigung mit überwiegend manuellen Tätigkeiten besteht die wesentliche Aufgabe der Ablaufplanung in der Abgrenzung der Arbeitsaufgaben der einzusetzenden Arbeitssysteme. I.d.R. wird dabei die Forderung erhoben, die Arbeitsaufgaben zeitlich bestmöglich aufeinander abzustimmen, um auf diese Weise die Kapazität der Arbeitssysteme weitestgehend zu nutzen.
Bedeutende Ausgangsgröße ist die gewünschte Ausführungszeit für die abzugrenzenden Arbeitsaufgaben. Sie wird als Zyklusdauer bezeichnet und dient sowohl der Kennzeichnung der Bearbeitungsvorgabezeit bei zeitlich ungebundener Fließproduktion als auch der Taktzeit bei Fließbandfertigung. Wegen der (üblicherweise) gleichzeitigen Ausführung der einzelnen Arbeitsaufgaben an den in der Produktion befindlichen Erzeugnissen ist bei laufender Fertigung i.d.R. jeweils nach Beendigung der Zyklusdauer eine Produkteinheit fertiggestellt.
Die einzuhaltende Zyklusdauer wird durch das für den Planungszeitraum (z.B. Monat, Woche, Tag) geplante Produktionsprogramm der Massenproduktion (= gewünschte Erzeugnismenge) und innerhalb dieses Zeitraumes realisierbare Betriebszeit bestimmt:
Diese Zeitspanne bildet die Obergrenze für die zeitliche Dauer der Arbeitsaufgaben der einzusetzenden Arbeitssysteme. Weil mit der Reduzierung von Leerzeiten in vielen Fällen Kosteneinsparungen einhergehen, bemüht sich die Ablaufplanung bei der Abgrenzung der Arbeitsaufgaben regelmäßig um die Minimierung der Leerzeiten aller Arbeitssysteme. Zugleich wird damit auch die Anzahl einzusetzender Bearbeitungsstationen minimiert.
Für die Zusammenstellung der Arbeitsaufgaben wird der gesamte Produktionsprozess zur Herstellung einer Produkteinheit in Teilvorgänge zerlegt, die jeweils kleinste mögliche Arbeitsaufgaben darstellen können. Sie werden als Basisprozesse oder Arbeitselemente bezeichnet.
Basisprozesse können unter Beachtung ihrer Ausführungszeiten zu Arbeitsaufgaben kombiniert werden. Dabei darf die Summe der Basisprozesszeiten die Zyklusdauer nicht überschreiten. Zusätzlich sind Reihenfolgevorschriften für die Kombination der Arbeitselemente einzuhalten. Z.B. können bei der Montage von Elektrogeräten Lötvorgänge erst nach Ausführung bestimmter Verkabelungen vollzogen werden. Jedoch verbleiben für einen großen Teil der Basisprozesse Freiheitsgrade hinsichtlich ihrer Platzierung in Arbeitsaufgaben.
Aus den alternativen Ablaufgestaltungsmöglichkeiten resultiert ein kombinatorisches Problem zur Abstimmung von Fließfertigungen. Formal ergibt sich folgende Planungsaufgabe: Die für die Produktion einer Erzeugniseinheit anfallenden Basisprozesse i (i = 1, 2, ?, n) mit ihren spezifischen Ausführungszeiten ti sind insgesamt m = n Arbeitssystemen bei einer vorgegebenen Zyklusdauer c so zuzuordnen, dass die Leerzeit L aller Bearbeitungsstationen als Differenz zwischen gesamter Durchlaufzeit einer Produkteinheit und der Summe aller Basisprozesszeiten ein Minimum wird (Kern, W. 1992).
Für die Lösung dieser Ablaufplanungsaufgabe sind spezifische Verfahren entwickelt worden. Dabei ist zwischen exakten (analytischen) und heuristischen Vorgehensweisen zu unterscheiden.
Die exakten Planungsansätze stützen sich z.B. auf die lineare Programmierung, die dynamische Optimierung oder die begrenzte Enumeration. Sie liefern leerzeitminimale Lösungen. Da exakte Verfahren lediglich für einfache (wenig praxisrelevante) Problemstrukturen mit allenfalls 30 Basisprozessen nutzbar sind, kommt heuristischen Verfahren die größere Bedeutung zu; sie sind für umfassende Abstimmungsprobleme anwendbar. Es handelt sich dabei um bestimmte Vorgehensregeln, die sich im Hinblick auf das angestrebte Ziel als sinnvoll erwiesen haben. Die Arbeitsaufgaben werden unter Beachtung der Reihenfolgebedingungen für die Basisprozesse regelmäßig beginnend bei der ersten Station durch Arbeitselementkombinationen (z.B. nach abnehmenden Ausführungszeiten oder spezifischen Rangwerten unter Berücksichtigung noch folgender Basisprozesse) zusammengestellt (z.B. Moodie, C. L./Young, H. H. 1965; Helgeson, W. B./Birnie, D. P. 1961). Wenngleich nicht notwendig Optimallösungen erreicht werden, so haben zahlreiche Anwendungen der einzelnen Verfahren i.d.R. gute Lösungen bestätigt. Die Heuristiken sind meist EDV-gerecht konzipiert.
Ablaufveränderungen dienen der Anpassung der Produktionsbereiche an veränderte Absatzsituationen durch Variation der Zyklusdauer und der möglichst leerzeitgeringen Abgrenzung der Arbeitsaufgaben der Stationen. Alternative Zykluszeiten führen i.d.R. zu Ablaufplänen mit unterschiedlichen Graden der Arbeitsteilung. Durch zunehmende Arbeitszerlegung (Verringerung des Umfanges der Arbeitsaufgaben je Station) wird eine Erhöhung und durch zunehmende Arbeitszusammenfassung (Erweiterung des Umfanges der Arbeitsaufgaben je Station) eine Verringerung der Produktmenge innerhalb des Planungszeitraumes herbeigeführt.
Bisweilen ist für die Ablaufplanung bei Massenfertigung eine umgekehrte Fragestellung relevant: Mit den verfügbaren Arbeitssystemen soll die maximal erreichbare Produktmenge produziert werden. Dies ist z.B. dann von Bedeutung, wenn die Absatzmöglichkeiten für das Massenprodukt die Produktionsmöglichkeiten überschreiten und eine Kapazitätsausweitung aufgrund von Finanzrestriktionen nicht realisiert werden kann. Das daraus resultierende Ablaufplanungsproblem lässt sich analog zu dem bisher beschriebenen Vorgehen bewältigen. Man beginnt mit der Aufstellung eines Ablaufplanes für die bestenfalls realisierbare Zyklusdauer, die sich aus dem Quotienten
ergibt. Wenn die Stationenzahl des ermittelten Ablaufplanes nicht der vorhandenen Anzahl der Arbeitssysteme entspricht, wird die Zyklusdauer für weitere Ablaufpläne schrittweise geringfügig ausgedehnt, bis ein Resultat erreicht wird, das der vorhandenen Ausstattung gerade Rechnung trägt.
Im Hinblick auf parallele Sortenfertigung konzentrieren sich die beschriebenen Planungsaufgaben jeweils auf den zugeordneten Betriebsbereich. Bei sukzessiver Sortenfertigung erfolgt im Hinblick auf jeden Produktartenwechsel eine neue Ausgestaltung der Fließstrecke unter Berücksichtigung der Produktmenge. Bei der Produktion von (bei großer Stückzahl) realisierbaren Erzeugnisvarianten müssen die im Produktionsprogramm fixierten unterschiedlichen Produktausgestaltungen in die Abgrenzung der Stationsarbeitsaufgaben eingehen. Die zeitintensivste Variante innerhalb einer Arbeitsaufgabe bildet die Grundlage für die Zuordnung der Basisprozesse. Weniger zeitaufwendige Varianten führen zu nachteiligen Stationsleerzeiten, die für die erreichbare Produktionsflexibilität in Kauf genommen werden.
Einer Überprüfung bedarf die ablaufbezogene Zielsetzung der Minimierung von Leerzeiten aller Bearbeitungsstationen. Die Annahme, dass damit zugleich kostenminimale Lösungen verbunden sind, setzt voraus, dass Leerzeiten an allen Arbeitssystemen ein einheitliches kostenmäßiges Gewicht zukommt. Davon kann jedoch nicht grundsätzlich ausgegangen werden. Hinzuweisen ist in diesem Zusammenhang auf unterschiedliche Schwierigkeitsgrade der Arbeitsaufgaben, die den Einsatz unterschiedlich qualifizierter Mitarbeiter erfordern. Die damit verbundene Differenzierung in der Entlohnung führt zu einer differenzierten kostenbezogenen Gewichtung der Stationsleerzeiten. Kostengünstige Ablaufpläne erfordern neben dem Bestreben der Vermeidung von Leerzeiten die Zusammenfassung möglichst anforderungsgleicher Basisprozess zu Stationsarbeitsaufgaben. Spezifische Erweiterungen leerzeitorientierter Ablaufplanungsverfahren liegen vor (Steffen, R. 1976a; Rosenberg, O./Ziegler, H. 1983).
2. Berücksichtigung von Lernprozessen und Humanisierungsmaßnahmen
Ein bedeutsamer Einfluss auf die Ablaufplanung geht von den Lerneigenschaften des Personals aus. Vorgabezeiten für die Ausführung von Basisprozessen bzw. Arbeitsaufgaben beziehen sich i.d.R. auf voll eingearbeitetes Personal. Werden die Ablaufpläne aufgrund von Produktmengenvariationen oder durch Sortenwechsel verändert, so ergeben sich für die einzelnen Mitarbeiter meist neue bzw. teilweise anders geartete Arbeitsaufgaben, weil Basisprozesse in abweichender Form kombiniert werden.
Wesentlich ist, dass die vollständiger Übung entsprechende Zyklusdauer nicht von vornherein realisiert werden kann. Man muss daher im Rahmen der Ablaufplanung bei Produktionsbeginn mit hohen Zykluszeiten rechnen, die sich im Zeitablauf durch Einübung bei zunehmender Wiederholung der Arbeitsaufgaben reduzieren. Empirische Untersuchungen haben Übungsgesetzmäßigkeiten nachgewiesen, die bei der Erstellung von Ablaufplänen Berücksichtigung finden können (z.B. Baur, W. 1967; Steffen, R. 1973; Steffen, R. 1976).
Vielfach werden bei der Arbeitsgestaltung Maßnahmen zur Humanisierung in der Produktion aufgegriffen. Bedeutsam sind dabei Arbeitsstrukturierungen in Gestalt von Aufgabenerweiterungen, -bereicherungen, Arbeitswechsel (Job Enlargement, Job Enrichment, Job Rotation) sowie in Verbindung mit dem Einsatz teilautonomer Arbeitsgruppen. Mit dem Ziel des Abbaus von Monotonie bei stark arbeitsteiliger Massenproduktion werden Handlungsspielräume ansatzweise erweitert. Entsprechende Gesichtspunkte lassen sich in Ablaufplanungsverfahren integrieren (Storp, H. 1982; Steffen, R. 1978).
III. Planung bei Nutzung fest installierter (meist hochautomatisierter) Technologien
Sind Fließfertigungsbereiche technisch so ausgestaltet, dass manuelle Produktions- und Transportaufgaben (weitgehend) entfallen, so sind die Bildung von Bearbeitungsstationen und die Gestaltung des technischen Verbundes i.d.R. schon mit der Anlagenerrichtung und -installation verknüpft (Steffen, R. 1993). Diese Situation ist insb. bei hochautomatisierten computerintegrierten Technologien gegeben. Für eine (operative) kurz- und mittelfristige Ablaufplanung sind die Freiheitsgrade im Vergleich zu Fließstrecken mit manuellen Arbeitsaufgaben begrenzt. Überlegungen der wirtschaftlichen Gestaltung von Produktionsabläufen gehen bereits in die strategische Planung ein und werden in ausstattungsbezogenen Investitionsrechnungen berücksichtigt. Für reine Massenproduktion finden sich entsprechende Beispiele in der Mineralöl-, in der Nahrungsmittelindustrie sowie in der chemischen Industrie. Verbindungen der Bearbeitungsstationen erfolgen hier großenteils über Rohrleitungssysteme. In Montagefertigungsbereichen wird vielfach auf Variantenfertigung abgestellt, wobei einzelne Bearbeitungsstationen (meist ohne Umrüstzeitbedarf) unterschiedliche Ausgestaltungen der Produkte vornehmen können (z.B. Pkw ohne, mit manuell/elektrisch betriebenem Schiebedach). Angesprochen sind flexible Transferstraßen, bei denen ausgewählte Stationen mit einer bestimmten Flexibilität für unterschiedliche Bearbeitungen ausgestattet sind.
Für die wirtschaftliche Gestaltung der Produktionsabläufe ist die Harmonisierung der Kapazitäten (Steffen, R. 1980) von Bearbeitungsstationen und Transportsystemen im Rahmen der Fabrikplanung von grundlegender Bedeutung. Für Bereiche der Variantenfertigung ist dabei neben der quantitativen Kapazität (Stückzahl/Zeiteinheit bzw. Zeitspanne) die qualitative Kapazität (realisierbare unterschiedliche Produktionsvorgänge) einiger Bearbeitungsstationen zu beachten. Bei sukzessiver Sortenfertigung gilt dies i.d.R. für alle Bearbeitungsstationen, wobei mit einem Sortenwechsel Umrüstvorgänge verbunden sind, deren Zeitbedarf bei hochautomatisierten Technologien teilweise so gering ist, dass selbst die Losgröße 1 wirtschaftlich vertretbar ist.
In kurz- und mittelfristigen Zeiträumen über die Ablaufplanung vorzunehmende Änderungen der zu produzierenden Erzeugnismenge sind in den beschriebenen Bereichen über eine Variation des Arbeitsteilungsgrades nicht möglich. Sie werden hier über zeitliche Anpassungen (Überstunden, Kurzarbeit) bzw. in Verbindung mit quantitativen Anpassungen beim Aufsicht führenden Personal (Zusatzschichten, Mehrschichtbetrieb) herbeigeführt. Umfassende Bereiche der (operativen) Ablaufplanung werden in die Ausstattungs- und Layoutplanung vorverlagert.
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Zäpfel, G. : Ausgewählte fertigungswirtschaftliche Optimierungsprobleme von Fließfertigungssystemen, Berlin et al. 1975
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