Produktionsplanung

Produktionsplanung

Eine gute Produktionsplanung ist eine wichtige Voraussetzung für die  Wettbewerbsfähigkeit, Produktivität und Ressourceneffizienz der produzierenden Industrie. Im Folgenden finden Sie einen kurzen Überblick über dieses Thema. 

Was ist eigent­lich Produktions­planung?

Die Produktionsplanung befasst sich mit der operativen, zeitlichen, mengenmäßigen und räumlichen Planung, Steuerung, Kontrolle und Verwaltung aller Vorgänge, die bei der Produktion von Waren und Gütern notwendig sind.
In der Prozessindustrie werden viele Anlagen in Chargenfahrweise betrieben, was bedeutet, dass die Produktion nicht kontinuierlich, sondern basierend auf Produktionsrezepten abläuft. Bei diesen Anlagen, die auch in OptiProd.NRW betrachtet werden, müssen die Verteilung der einzelnen Produktionsschritte auf die vorhandenen Anlagen und Apparate und die Reihenfolge der Abarbeitung der Chargen gut geplant werden, um die verfügbaren Ressourcen optimal einzusetzen und somit möglichst effizient und nachhaltig zu produzieren.
Der Einsatz der verfügbaren Produktionsanlagen, Ausgangsmaterialien, Mitarbeiter und anderer Ressourcen wird daher so geplant, dass alle Produktionsaufträge möglichst termingerecht und ressourceneffizient fertiggestellt werden oder, falls dies nicht möglich ist, die Produktionsverzögerungen zumindest minimal gehalten werden.
In der Praxis läuft die Produktionsplanung heute meist so ab, dass erfahrene Mitarbeiter auf Basis der aktuellen Auftragslage die Produktionspläne für die nächsten Tage oder Wochen erstellen, entweder komplett manuell oder mithilfe von Plänen, die aus einfachen virtuellen Modellen der Produktionsanlage generiert werden.
Die vollständig rechnergestützte Optimierung von Produktionsplänen ist heute allerdings noch nicht der Stand der Technik, wodurch in der Praxis viele Verbesserungspotentiale ungenutzt bleiben. Die folgende Abbildung zeigt einige der Herausforderungen, die sich in der industriellen Praxis ergeben:

Die Produktionsplanung befasst sich mit der operativen, zeitlichen, mengenmäßigen und räumlichen Planung, Steuerung, Kontrolle und Verwaltung aller Vorgänge, die bei der Produktion von Waren und Gütern notwendig sind.

In der Prozessindustrie werden viele Anlagen in Chargenfahrweise betrieben, was bedeutet, dass die Produktion nicht kontinuierlich, sondern basierend auf Produktionsrezepten abläuft. Bei diesen Anlagen, die auch in OptiProd.NRW betrachtet werden, müssen die Verteilung der einzelnen Produktionsschritte auf die vorhandenen Anlagen und Apparate und die Reihenfolge der Abarbeitung der Chargen gut geplant werden, um die verfügbaren Ressourcen optimal einzusetzen und somit möglichst effizient und nachhaltig zu produzieren.

Der Einsatz der verfügbaren Produktionsanlagen, Ausgangsmaterialien, Mitarbeiter und anderer Ressourcen wird daher so geplant, dass alle Produktionsaufträge möglichst termingerecht und ressourceneffizient fertiggestellt werden oder, falls dies nicht möglich ist, die Produktionsverzögerungen zumindest minimal gehalten werden.

In der Praxis läuft die Produktionsplanung heute meist so ab, dass erfahrene Mitarbeiter auf Basis der aktuellen Auftragslage die Produktionspläne für die nächsten Tage oder Wochen erstellen, entweder komplett manuell oder mithilfe von Plänen, die aus einfachen virtuellen Modellen der Produktionsanlage generiert werden.

Die vollständig rechnergestützte Optimierung von Produktionsplänen ist heute allerdings noch nicht der Stand der Technik, wodurch in der Praxis viele Verbesserungspotentiale ungenutzt bleiben. Die folgende Abbildung zeigt einige der Herausforderungen, die sich in der industriellen Praxis ergeben:

Was ist (und bringt) optimale Produktions­planung?

Für die Optimierung des Betriebs von Produktionsanlagen werden heutzutage bereits mathematische Modelle eingesetzt. So werden z. B. die Produktionsrezepte, das Anlagenlayout, die Eigenschaften der genutzten Apparate (wie Größe, Durchsatz, Betriebsgrenzen, etc.) und die Fahrweise anhand von Modellen entwickelt und optimiert. Für schon existierende Anlagen werden mathematische Modelle genutzt, um Engpässe („Bottlenecks“) zu identifizieren und zu beseitigen, um die bestmöglichen und preiswertesten Alternativen für Erweiterungen und Umbauten (z. B. zur Durchsatzerhöhung) zu ermitteln und um die Fahrweise im Sinne der Anlageneffizienz zu optimieren.
Die optimale Produktionsplanung hat höchste ökonomische und ökologische Relevanz  für die industrielle Chargenproduktion. Die folgende Abbildung stellt einige der Hauptvorteile der optimalen Produktionsplanung dar:

Für die Optimierung des Betriebs von Produktionsanlagen werden heutzutage bereits mathematische Modelle eingesetzt. So werden z. B. die Produktionsrezepte, das Anlagenlayout, die Eigenschaften der genutzten Apparate (wie Größe, Durchsatz, Betriebsgrenzen, etc.) und die Fahrweise anhand von Modellen entwickelt und optimiert. Für schon existierende Anlagen werden mathematische Modelle genutzt, um Engpässe („Bottlenecks“) zu identifizieren und zu beseitigen, um die bestmöglichen und preiswertesten Alternativen für Erweiterungen und Umbauten (z. B. zur Durchsatzerhöhung) zu ermitteln und um die Fahrweise im Sinne der Anlageneffizienz zu optimieren.

Die optimale Produktionsplanung hat höchste ökonomische und ökologische Relevanz  für die industrielle Chargenproduktion. Die folgende Abbildung stellt einige der Hauptvorteile der optimalen Produktionsplanung dar:
Die optimale Produktionsplanung wird daher schon seit Jahrzehnten intensiv erforscht, und heute sind verschiedene Ansätze verfügbar, die für Anlagen mittlerer Komplexität und vereinfachte Rezepte optimale Produktionspläne berechnen können.
Viele dieser Ansätze basieren auf der Abbildung der Problemstellung in einem Optimierungsmodell, das dann durch entsprechende Optimierungsansätze gelöst wird. Weit verbreitet ist die Lösung solcher Probleme durch gemischt-ganzzahlige lineare oder nichtlineare Programmierung (MI(N)LP), wofür das Problem in ein (nicht-)lineares System aus (Un-)Gleichungen transformiert werden muss. Andere Ansätze nutzen Constraint-Programmierung oder wandeln die Problemstellung in ein Netzwerk aus zeitbewerteten Automaten um, in dem dann durch Erreichbarkeitsanalyse die beste Lösung bestimmt wird.
Es besteht allerdings immer noch eine große Lücke zwischen den Fähigkeiten dieser Ansätze und den Anforderungen, die reale Produktionsanlagen stellen. 
So können die genutzten Optimierungsmodelle die Produktionsanlage und ihre Betriebsweise nur mit erheblichen Vereinfachungen abbilden, was dazu führt, dass die berechneten Produktionspläne nicht direkt auf die reale Anlage anwendbar sind. Dadurch ist nicht garantiert, dass die berechneten Produktionspläne für die echte Anlage optimal (oder auch nur gut) sind, und sie verlangen nach signifikanter manueller Nachbearbeitung. Ein wesentliches Problem ist zudem der Aufwand, der bei der Erstellung und kontinuierlichen Anpassung des Optimierungsmodells entsteht. Weiterhin sind die entsprechenden Werkzeuge oft akademischer Natur und nur schwer wartbar. Daher werden Methoden für die Optimierung der Produktionsplanung bisher nur selten im industriellen Umfeld eingesetzt.
Um diese Probleme zu umgehen, nutzen wir in OptiProd.NRW meta-heuristische Optimierungsansätze, insbesondere evolutionäre Algorithmen. Diese Methoden berechnen durch eine geführte stochastische Suche automatisch einen zwar nicht beweisbar optimalen, aber doch sehr guten Produktionsplan. Ein großer Vorteil dieser Ansätze ist, dass sie sich mit beliebig komplexen Modellen der Produktionsanlage koppeln lassen, die alle Gegebenheiten in der realen Anlage genau abbilden. In OptiProd.NRW werden dafür Materialflussmodelle der Firma INOSIM Software GmbH genutzt, die die betrachteten Produktionsanlagen mit größter Genauigkeit abbilden können und gegenüber dem Status Quo viele Vorteile bieten:
Die berechneten Produktionspläne sind somit direkt auf die echte Anlage übertragbar und erfordern keine manuelle Nacharbeit. 
Die in OptiProd.NRW gelösten Optimierungsprobleme liefern zwar sehr gute Lösungen, haben aber auch einige Nachteile:
  • Zum einen muss während der Optimierung eine große Zahl von Simulationen durchgeführt werden, was aufgrund der Komplexität der Modelle viel Zeit in Anspruch nehmen kann.
  • Zum anderen haben die betrachteten Optimierungsprobleme eine sehr hohe Anzahl an Freiheitsgraden, was es äußerst schwierig macht, in kurzer Zeit optimale oder auch nur sehr gute Lösungen zu finden.
In OptiProd.NRW lösen wir diese Herausforderungen, indem wir:
  • Die Simulationsumgebung der INOSIM Software GmbH um eine neue Softwarekomponente erweitern, die eine massiv parallele Simulation einer Vielzahl von Kandidatenlösungen ermöglicht.
  • Die Anzahl der Freiheitsgrade durch die systematische Integration von Produktionsplanungsheuristiken (wie sie auch erfahrene Produktionsplaner bei der täglichen Arbeit nutzen) so weit reduzieren, dass eine effiziente Lösung des Problems möglich wird.
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