Advanced Planning and Scheduling: Was ein Produktionsplan erfüllen muss

Vorausgesetzt wird, dass Sie Ihren Prozess kennen und noch nie eine Planungssoftware gekauft haben.

Restriktionen, die eine reale Linie erfüllen muss

Fangen Sie bei den Restriktionen an, denn die Software ist nur so interessant, wie sie diese abbilden kann. Eine Maschine fährt immer nur einen Auftrag, und die Zeit vom laufenden Auftrag zum nächsten hängt in der Regel davon ab, welche zwei Aufträge das sind. Von Hell nach Dunkel genügt ein Wischen; von Dunkel nach Hell sind Spülen und Reinigen fällig. Das ist der reihenfolgeabhängige Rüstvorgang: Die Rüstzeit ist keine Eigenschaft einer Operation, sondern eines Paares von Operationen auf einer bestimmten Ressource, denn derselbe Farbwechsel kostet auf einer großen Presse das eine und auf einer kleinen das andere, und auf manchen Linien hängt er zusätzlich vom Maschinenzustand ab. Es ist die Restriktion, die im führenden System am häufigsten fehlt — weshalb ein Plan aus dem ERP so oft wie eine sortierte Liste aussieht statt wie eine Reihenfolge.

Dann die Restriktionen, die nicht an einer einzelnen Maschine hängen und auf vielen Linien härter binden als die Rüstmatrix. Ein Werkzeug, eine Form oder ein Prüfstand kann nur an einem Ort gleichzeitig sein, also können zwei Zellen, die den Auftrag jede für sich fahren könnten, ihn nicht beide fahren. Ein qualifizierter Bediener ist ein ebenso knappes Objekt: drei Leute in der Schicht und einer mit Zertifikat für die Schweißklasse bedeutet, dass diese Klasse eine Kapazität von eins hat. Druckluft, ein Ofen oder ein Kran bindet über einen ganzen Bereich, also passen zwei Aufträge, die einzeln passen, zusammen womöglich nicht.

Materialverfügbarkeit ist harte Voraussetzung und weiche Eingangsgröße zugleich. Der Auftrag kann nicht starten, bevor die Komponente da ist, aber der Anliefertermin ist ein Versprechen eines Lieferanten mit eigener Zuverlässigkeit. Der Plan sollte deshalb zeigen, welche Aufträge an einer noch nicht eingetroffenen Lieferung hängen, damit dieses Risiko im Plan sichtbar ist — statt in einer Durchlaufzeit gemittelt und an dem Morgen entdeckt zu werden, an dem das Material ausbleibt.

Kalender tragen mehr, als die meisten erwarten. Schichtmodelle unterscheiden sich nach Bereich, nicht nach Werk: Die Wärmebehandlung läuft durch die Nacht, die Montage nicht, und ein Freitagsrüstvorgang, der vor Schichtende nicht fertig wird, wird zweimal gemacht. Wartungsfenster, Feiertage und der Betriebsurlaub sind Zeiträume, in denen eine Ressource zwar in der Anlagenliste steht, der Produktion aber nicht zur Verfügung steht.

Und es gibt Prozessregeln, die mit Kapazität nichts zu tun haben. Aushärten, Trocknen, Abkühlen und Quarantäne erzwingen Mindestwartezeiten zwischen Operationen, oft auch Maximalzeiten: mindestens vier Stunden aushärten, innerhalb von vierundzwanzig beschichten, den angemischten Klebstoff innerhalb der Topfzeit verarbeiten, das Teil waschen, bevor sich Flugrost bildet. Ein Scheduler, der Mindestwartezeiten versteht, Maximalzeiten aber nicht, erzeugt klaglos Pläne, die Material zu Ausschuss machen. Manche Operationspaare müssen unmittelbar aufeinanderfolgen, weil das Teil nicht halbfertig liegen bleiben darf; manche Chargen müssen auf eine Kesselgröße statt auf eine Bedarfsmenge gebaut werden.

Warum der MRP-Lauf Termine erzeugt, die niemand halten kann

MRP leistet etwas wirklich Nützliches, und das ist keine Feinplanung. Es löst Bedarfe über Stücklisten auf, verrechnet gegen Bestand und offene Aufträge, versetzt um eine feste Durchlaufzeit je Artikel und sagt Ihnen, was zu fertigen oder zu beschaffen ist und ungefähr wann zu starten. Um das über Tausende von Teilen zu schaffen, unterstellt es, dass Kapazität immer dann verfügbar ist, wenn die Rechnung sie verlangt.

Diese Annahme scheitert lautlos. Zwei Aufträge wollen beide um zehn Uhr auf die Presse, und MRP legt beide dorthin. Der Durchlaufzeit-Versatz ist eine einmal gesetzte Zahl, ein Mittelwert aus Liege-, Bearbeitungs- und Transportzeit unter Bedingungen, die nicht mehr gelten, und Rüstvorgänge fehlen entweder ganz oder stecken als pauschaler Zuschlag darin, der von der Reihenfolge nicht abhängt. Das Ergebnis ist rechnerisch konsistent und physisch unerreichbar, was schlimmer ist als schlicht falsch, weil es im System richtig aussieht.

Den Unterschied fängt der Shopfloor auf. Jemand sequenziert von Hand nach, meist gut, mit Wissen, das in ein oder zwei Köpfen steckt, und der Plan wird zur Empfehlung. Alles, was daraus abgeleitet ist, erbt den Fehler: zugesagte Liefertermine, Bestellzeitpunkte, Personaleinsatz, die Kapazitätszahl, die dem Vertrieb genannt wird. Reagiert ein Planer damit, dass er Durchlaufzeiten aufbläht, ist der Schutz real und die Kosten sind es auch, denn aufgeblähte Durchlaufzeit heißt zu früh freigegebene Arbeit, und daraus wird Umlaufbestand, der zwischen den Stationen steht.

Die Excel-Tabelle, die diese Termine ersetzt, ist eine echte Verbesserung mit einer Obergrenze. Sie funktioniert, weil der Planer die Rüstmatrix und die Werkzeugkonflikte im Kopf hat, und sie scheitert an der Skalierung, an seinem Urlaub und an der Frage, was kaputtgeht, wenn dieser Auftrag angenommen wird.

Was Planung mit endlicher Kapazität ändert

Planung mit endlicher Kapazität dreht die Frage um. Statt zu fragen, wann eine Operation starten müsste, wenn ihr nichts im Weg steht, legt sie Operationen auf Ressourcen, auf denen bereits Arbeit liegt — unter Beachtung von Rüstzeiten, Kalendern, Werkzeugen und Vorgängerbeziehungen — und meldet die Termine, die dabei herauskommen. Die Termine werden zum Ergebnis statt zur Vorgabe.

Die Folgen sind praktischer Natur. Die Reihenfolge auf jeder Ressource ist explizit, also lässt sich die Rüstmatrix ausnutzen: Wo Rüsten einen nennenswerten Anteil der verfügbaren Kapazität frisst, holt das Gruppieren verträglicher Produkte Rüststunden zurück, ganz ohne Investition. Ob das Ihre Situation ist, ist eine einzige Zahl, die Sie diese Woche messen können — und die Sie zuerst messen sollten, denn auf einer Linie mit Fünf-Minuten-Rüstvorgängen und einem Materialproblem holt die Reihenfolgebildung fast nichts zurück. Engpässe werden als Last sichtbar statt als Meinung. Weil der Plan restriktionsbasiert ist, zeigt ein zusätzlicher Auftrag, was er verdrängt — und genau das macht eine belastbare Lieferzusage möglich.

Auch die Freigabe ändert sich. Ein Plan mit unendlicher Kapazität gibt Arbeit so früh frei, wie die Versätze es zulassen; ein endlicher Plan gibt frei, wenn der Engpass sie aufnehmen kann, was den Umlaufbestand senkt und den Abstand zwischen dem Erzeugen und dem Entdecken eines Fehlers verkürzt. Nichts davon ist umsonst: Das Modell muss gepflegt werden und ist nur so ehrlich wie die Zeiten darin.

Planung, Feinplanung und Fertigungssteuerung sind drei verschiedene Aufgaben

Diese drei zu vermengen ist der häufigste Grund, warum ein Planungsprojekt etwas hervorbringt, das niemand nutzt. Planung arbeitet in Wochen und Monaten. Sie beantwortet, ob die Nachfrage in Summe machbar ist, ob im März eine zweite Schicht nötig wird, was Lieferanten zugesagt wird. Die Einheit ist eine Produktfamilie und eine Woche; mehr Genauigkeit wäre falsch, weil die Nachfrage auch nicht genau ist.

Feinplanung arbeitet in Stunden und Tagen. Sie beantwortet die Reihenfolge auf jeder Ressource für die nächsten Schichten, mit den Rüstvorgängen, die diese Reihenfolge mit sich bringt — und genau das ist mit APS im engeren Sinne gemeint.

Fertigungssteuerung arbeitet in Minuten. Sie beantwortet, was der Bediener an dieser Zelle als Nächstes anfängt, angesichts der Störung, des durchgefallenen Erstmusters, des Materials, das nicht kam. Sie gehört dorthin, wo der Bediener tatsächlich hinsieht — ein MES-Terminal, eine Arbeitsvorratsliste, eine an die Maschine geklebte Reihenfolge — und entscheidend ist, dass sie nah an der Arbeit sitzt und vom Plan abweichen darf, denn die Realität hat auch eine Stimme.

Der typische Fehler ist, ein Werkzeug auf der falschen Flughöhe einzusetzen: drei Wochen im Voraus minutengenau feinplanen oder Kapazität aus einer Arbeitsvorratsliste planen. Der andere ist, Abweichung auf der Steuerungsebene zu verbieten, was das System zum Hindernis macht und garantiert, dass es umgangen wird.

Welche Daten eine APS braucht: Arbeitspläne, Zykluszeiten, Rüstzeiten

Eine Planungs-Engine ist eine Rechnung über Ihre Stammdaten. Sind die Daten Dekoration, ist das Ergebnis Dekoration — und selbstbewusst dazu.

Arbeitspläne müssen abbilden, wie das Teil wirklich gefertigt wird, samt Alternativen. Kann ein Auftrag auf drei Maschinen laufen, nennt der Arbeitsplan aber nur eine, staut der Scheduler die Arbeit dort und meldet einen Engpass, den Sie gar nicht haben. Fehlt in einem Arbeitsplan eine Operation, die immer stattfindet — Entgraten, eine Prüfung, eine Abkühlzeit —, ist jeder Termin um genau so viel zu kurz.

Zykluszeiten müssen gemessen sein, nicht geerbt. Vorgabezeiten in den meisten ERP-Systemen wurden zum Go-live erfasst und spiegeln ein Werkzeug und einen Bediener wider, die es vielleicht nicht mehr gibt. Sie brauchen keine perfekten Zeiten, nur Zeiten, deren Fehler klein und unverzerrt ist: Ein Arbeitsplan, bei dem jede Operation um denselben Betrag optimistisch ist, summiert sich zu einem Plan, der bis zum Wochenende eine Schicht danebenliegt.

Rüstzeiten sind die Daten, die am häufigsten komplett fehlen — und die wertvollsten sind. Eine vollständige Matrix über alle Produktpaare ist selten pflegbar. Was funktioniert, ist, Produkte nach dem zu Familien zu gruppieren, was den Rüstvorgang tatsächlich treibt — Farbe, Material, Werkzeug, Temperatur, Breite — und Zeiten zwischen Familien zu definieren, mit Ausnahmen nur dort, wo sie zählen. Rechnen Sie damit, diese Familie-zu-Familie-Matrix je Ressourcengruppe zu halten statt einmal fürs ganze Werk, denn derselbe Übergang kostet auf zwei verschiedenen Maschinen selten dasselbe.

Der aktuelle Umlaufbestand ist der Teil, den man vergisst. Ein Plan für morgen startet aus dem Zustand des Shopfloors von heute Abend: was halbfertig ist, wo es liegt, was auf jeder Maschine aufgerüstet ist. Wird dieser Zustand zum Schichtende von einem Papierzettel abgetippt, optimiert der Scheduler eine Fabrik, die es vor Stunden gab.

Schlechte Daten melden sich selbst. Eine Ressource ist immer ausgelastet und alles andere steht still, was meist heißt, dass Arbeitspläne künstlich dorthin führen. Planer übersteuern jeden Tag dieselben Aufträge, was heißt, dass im Modell eine Restriktion fehlt. Aufträge werden im Block auf dieselbe Minute rückgemeldet, was heißt, dass die Rückmeldungen später nachgetippt werden und die Startzeiten Fiktion sind. Der Reflex ist, an der Engine zu schrauben; die Ursache sind fast immer die Stammdaten.

Wie man einen Produktionsplan beurteilt

Termintreue ist das Ergebnis, auf das es ankommt — gemessen gegen den Termin, den der Kunde bekommen hat, nicht gegen den zuletzt intern verschobenen, sonst verbessert sich die Zahl, während sich für den Kunden nichts ändert.

Die Rüststunden pro Woche insgesamt sind das sauberste Maß dafür, ob die Reihenfolgebildung wirklich etwas leistet, und sie lassen sich direkt in Kapazität umrechnen.

Umlaufbestand und Durchlaufzeit sagen, ob der Plan vernünftig freigibt. Ein Plan, der die Termintreue verbessert, indem er den Shopfloor mit frühen Freigaben flutet, hat das Problem nur in die Gänge verschoben.

Planungstreue — wie viel von dem, was für eine Schicht geplant war, tatsächlich gefahren wurde, und in der geplanten Reihenfolge — ist das ehrliche Maß dafür, ob der Plan glaubwürdig ist. Ein Plan mit hervorragenden theoretischen Kennzahlen, dem der Shopfloor schon vor der Mittagspause nicht mehr folgt, ist ein Dokument.

Die Auslastung ist die Falle. Jede Maschine außerhalb des Engpasses beschäftigt zu halten erzeugt Bestand, nicht Durchsatz, und eine überall bis an die Decke ausgelastete Linie hat nichts mehr übrig, um Schwankungen aufzufangen, also wachsen die Warteschlangen nichtlinear und die Durchlaufzeiten werden schlechter, während sich die Auslastungszahl verbessert. Beobachten Sie sie am Engpass und ignorieren Sie sie sonst weitgehend.

Umplanungsregeln und Planungsnervosität

Eine Engine, die in Sekunden neu plant, lädt zum ständigen Neuplanen ein. Widerstehen Sie. Ändert sich die Reihenfolge jedes Mal, wenn sich irgendetwas bewegt, lernt der Shopfloor, dass der Plan um acht nicht der Plan um zehn ist, und fährt wieder das, was sinnvoll erscheint. Diese Instabilität heißt Nervosität, und sie zerstört Vertrauen schneller, als ein mittelmäßiger Plan es tut.

Das brauchbare Muster ist ein eingefrorener Horizont plus eine Regel. Innerhalb des Fensters ändert sich die Reihenfolge nur bei echten Blockern, damit bereits begonnene Rüstvorgänge nicht umsonst waren; darüber hinaus ist Neuoptimierung erlaubt. Die Faustregel lautet, nicht häufiger neu zu planen, als das Einfrierfenster lang ist, und dieses Fenster aus zwei Dingen abzuleiten, die Sie im Bereich beobachten können: wie lange ein Rüstvorgang dauert und wie oft ein echter Blocker auftritt. Ein Zerspanungsbetrieb mit stundenlangen Aufträgen und an den meisten Tagen einem Werkzeugkonflikt friert ein paar Stunden ein und plant jede Schicht neu; ein Prozessbetrieb mit wochenlangen Kampagnen friert Tage ein. So oder so werden die geplanten Läufe durch ereignisgesteuerte ergänzt — für einen Maschinenausfall, eine ausbleibende Lieferung oder einen Eilauftrag.

Zwei Dinge machen die Regel wirksam. Die Ausnahmeliste muss explizit sein: Was zählt als Grund, das Einfrieren zu brechen, und wer darf es freigeben. Und wenn sich der Plan ändert, muss der Meister sehen können, warum — denn eine unerklärte Änderung liest sich wie eine unzuverlässige Software.

Wo APS neben ERP und MES sitzt, und wer was entscheidet

Das ERP besitzt die kaufmännische und materialwirtschaftliche Welt und ist die Quelle dafür, was bis wann zu fertigen ist. Die APS besitzt die Reihenfolge: Bedarf und Material kommen aus dem ERP, Restriktionen aus dem eigenen Modell, der Shopfloor-Zustand aus der Ausführung. Das MES besitzt die Ausführung und deren Aufzeichnung, und es ist zugleich der Sensor für die APS — ohne den der Scheduler für die Gegenwart blind ist.

Der Regelkreis schließt sich nur, wenn er in beide Richtungen läuft: APS zu MES ist der Plan, MES zu APS ist, was wirklich passiert ist. Eine tägliche Datei mit Rückmeldungen reicht, um morgen zu planen, und reicht nicht, um heute Nachmittag neu zu planen.

Die Verantwortlichkeiten gehören vor dem Go-live schriftlich festgelegt, denn die Streitpunkte sind vorhersehbar. Wer darf einen Liefertermin ändern. Wer pflegt Rüstmatrix und Zykluszeiten, in welchem Prüfrhythmus. Wer darf die Reihenfolge an der Zelle übersteuern, und wird die Übersteuerung aufgezeichnet. Welches System gilt, wenn ERP und Scheduler sich über den Bestand uneinig sind. Das implizit zu lassen ist der übliche Grund, warum eine technisch saubere Einführung stecken bleibt.

Eine Evaluierung, die Ihnen wirklich etwas sagt

Eine Anbieterdemo auf Anbieterdaten beweist nur, dass die Software läuft. Beurteilen Sie sie stattdessen an Ihrem Werk; die Übung ist günstig, wenn Sie sie eng schneiden.

Nehmen Sie einen Bereich mit echten Restriktionen — nennenswerte Rüstvorgänge, geteilte Werkzeuge, konkurrierende Aufträge — statt des ganzen Werks, und dazu einen vergangenen Zeitraum von vier bis acht Wochen, für den Sie wissen, was gefahren wurde und was zu spät war. Geben Sie dem Kandidaten die Stammdaten, die Sie heute haben, nicht eine für den Test bereinigte Fassung, denn der Zustand Ihrer Daten ist eines der Dinge, die Sie hier messen.

Lassen Sie ihn dann einen Plan für diesen Zeitraum nachbilden und vergleichen Sie. Bildet das Modell Ihre Restriktionen ab, oder müssen die unbequemen wegvereinfacht werden. Beherrscht es Maximalwartezeiten ebenso wie Mindestwartezeiten, wenn in Ihrem Prozess eine Haltbarkeit oder eine Topfzeit steckt. Wie viel Rüstzeit verbraucht seine Reihenfolge gegenüber dem, was Sie tatsächlich gebraucht haben, und was sagt es zu den Aufträgen, die Sie zu spät geliefert haben. Fahren Sie dann die Szenarien, auf die es ankommt: der Engpass zwei Tage aus, ein Eilauftrag mitten in der Woche, eine Lieferung eine Woche zu spät.

Setzen Sie dann einen Planer einen Nachmittag lang davor. Die Frage ist nicht, ob die Engine clever ist, sondern ob ein Mensch nachvollziehen kann, warum sie so entschieden hat, und die Entscheidung anpassen kann, ohne gegen das Werkzeug zu kämpfen; ein Scheduler, mit dem niemand diskutieren kann, ist ein Scheduler, den niemand nutzen wird. Fragen Sie, was die Pflege des Modells kostet, wenn sich ein Produkt, eine Maschine oder eine Rüstzeit ändert, und an wie vielen Stellen. Die meisten Pläne verfallen nicht, weil die Engine falsch lag, sondern weil sich nach Projektende niemand mehr für das Modell verantwortlich fühlte.

Wo Meta Smart Factory hineinpasst

Die APS- und MRP-Module von Meta Smart Factory leisten den Teil mit endlicher Kapazität, gegen ein Restriktionsmodell aus reihenfolgeabhängigen Rüstzeiten, geteilten Werkzeugen, Bedienerqualifikation und Schichtkalendern je Bereich, mit Szenarienläufen für die oben beschriebenen Störungen. Weil sie in derselben Plattform sitzen wie das MES-Modul, gibt es keine nächtliche Dateiübergabe zwischen Ausführung und Scheduler — der Shopfloor-Zustand ist also so aktuell, wie Ihre Rückmeldepunkte und die Meldedisziplin Ihrer Bediener es zulassen. Das ist eine Bedingung, kein Detail: Wenn die Hälfte der Rückmeldungen in der Pause erfasst wird und der manuelle Montageschritt keinen Scanpunkt hat, rettet Sie die Architektur nicht. Zu entscheiden, wo diese Punkte sitzen, ist Einführungsarbeit, kein Nebenprodukt davon. Die ERP-Schnittstelle für Aufträge, Stücklisten und Rückmeldungen gehört zur selben Aufgabe.

Die Teile, die darüber entscheiden, ob das alles funktioniert, können wir nicht liefern: gemessene Zykluszeiten, eine Rüstmatrix, für die jemand verantwortlich ist, Arbeitspläne, die zu der Art passen, wie das Teil wirklich gefertigt wird, und schriftlich festgelegte Umplanungsregeln. Wenn Sie hier am Anfang stehen, ist der sinnvolle erste Schritt keine Demo, sondern der oben beschriebene historische Vergleich, auf einem engpassbehafteten Bereich, mit Ihren Daten, so wie sie sind.