Materialflusssysteme für variable Fertigungssegmente - Herbert Utz ...

Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist
bei Der Deutschen Bibliothek erhältlich
Herausgegeber:
Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Willibald A. Günthner
Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik, fml
Prof. Dr.-Ing. Gunther Reinhart
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften, iwb
Technische Universität München
Redaktion: Dipl.-Ing. W. Handrich
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere
die der Übersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung,
der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in
Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten.
Copyright © 2000 Herbert Utz Verlag GmbH
Printed in Germany
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in
diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass
solche Namen in Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu
betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.
ISBN 3-89675-927-2
Herbert Utz Verlag GmbH, München
Tel.: 089-277791-00
Fax: 089-277791-01
http://utzverlag.com

Inhaltsverzeichnis
Vorwort
1 Das Verbundforschungsprojekt MATVAR - Einführung und Ausblick
Prof. Dr.-Ing. W. Günthner
Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik, TU München
Dynamische Fertigungsstrukturen
MATVAR
2 Wandlungsfähigkeit durch die Verbindung von verrichtungs- und produktorientierten
Strukturen in der Fertigung
Dipl.-Ing. A. Hirschberg und Dipl.-Ing. W. Broser
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften, TU München
3 Realisierung flexibler Verkettungen von Fertigungsinseln im Sinne kurzer
Wege und schneller Reaktionszeiten
Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. M. Leicher
Leicher GmbH & Co., Unterföhring
4 Entwicklung eines Materialfluss-Analyse- und Planungshilfsmittels. Auf
dem Weg zum Logistik-Controlling?
Dipl.-Ing. H. Balk
Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH, Traunreut
Materialflusssysteme
5 Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren Leichtfördersystems
im Überflurbereich
Dipl.-Ing. W. Handrich
Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik, TU München
6 Integration eines Hängebahn- /Hängekransystems in den innerbetrieblichen
Materialfluss
Dipl.-Ing. A. Bambynek
Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik, TU München
7 Der Kranbaukasten KBK - Mit Neuentwicklungen in die Zukunft
Dipl.-Ing. S. Müller, u. a.
Mannesmann Dematic AG, Wetter
i

Informationstechnische Unterstützung
MATVAR
8 Gestaltung der Materialflusssteuerung in dynamischen Produktionsstrukturen
Dr.-Ing. S. Blessing
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften, TU München
9 Konfigurierbare Materialflusssteuerung für das dynamische Produktionsumfeld
Dipl.-Ing. G. Schuster
OBTec Steuerungstechnik GmbH, Schechen
10 Integration von Funkstrecken in Feldbussystemen (CAN)
D. Schwarz und Dipl.-Ing. W. Brendel
HBC-radiomatic GmbH, Crailsheim
Werkzeuge zur Einsatzplanung
11 Durchgängige Produktions- und Logistikplanung
Dipl.-Ing. U. Kohler und Dipl.-Ing. M. Werner
Institut für Produktionstechnik GmbH, Aschheim-Dornach
12 Computerunterstützte Planung von Materialflusssystemen
Dr.-Ing. F. Allgayer
Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik, TU München
13 Entwicklung von Produktionssystemen unter besonderer Berücksichtigung
des Schnittstellenaspektes
Dipl.-Ing. W. Dohmen
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften, TU München
ii

Vorwort
MATVAR
In vielen Branchen werden die eingesetzten Produktionsstrukturen den Anforderungen
bei sich verkürzenden Produktlebenszyklen, hoher Variantenvielfalt und kleiner werdenden
Losgrößen nicht gerecht. Fertigungs- und Materialflusseinrichtungen lassen
sich aufgrund mangelnder Flexibilität oft nur unter großen Problemen verändern.
Im Projekt MATVAR sind deshalb flexible Materialflusssysteme und Produktionsstrukturen
entwickelt worden. Gestützt auf geeignete Planungswerkzeuge und Informationstechnik
lassen sie sich zu einem „wandelbaren Materialflussnetz“ verknüpfen.
Hierzu haben sich Industriepartner und Hochschulinstitute zu einem Verbund zusammengeschlossen.
Zu den beteiligten Projektpartnern gehören Bosch Siemens Hausgeräte,
HBC-radiomatic, MAN Nutzfahrzeuge, Mannesmann Dematic, OBTec Steuerungstechnik,
Leicher und das Institut für Produktionstechnik, das Institut für Werkzeugmaschinen
und Betriebswissenschaften und der Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss
Logistik. Gefördert wurden die Arbeiten vom Bundesministerium für Bildung und
Forschung über das Forschungszentrum Karlsruhe, Projektträger für Fertigungstechnik
und Qualitätssicherung, innerhalb des Rahmenprogramms „Produktion 2000“.
Nach drei Jahren geht das Verbundforschungsprojekt MATVAR nun zu Ende. Dieser
Abschlussbericht dokumentiert die bisher erreichten Ergebnisse. Hervorheben möchten
wir die Umsetzung der Entwicklungen und deren prototypenhaften Aufbau in den Pilotanlagen
der Hochschulinstitute.
Über das Projektende hinaus stellen diese Anlagen die Grundlage für Verbesserungen,
zukünftige Entwicklungen und weiterführende Projekte dar.
Prof. Dr.-Ing. W. Günthner Prof. Dr.-Ing. G. Reinhart

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Günthner, W.: Das Verbundforschungsprojekt, Einführung und Ausblick
'DV 9HUEXQGIRUVFKXQJVSURMHNW
0$79$5
(LQI KUXQJ XQG $XVEOLFN
3URI 'U ,QJ :LOOLEDOG $ * QWKQHU
/HKUVWXKO I U )|UGHUWHFKQLN 0DWHULDOIOXVV /RJLVWLN IPO
7HFKQLVFKH 8QLYHUVLWlW 0 QFKHQ
%ROW]PDQQVWUD‰H
*DUFKLQJ
MATVAR
1-1

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Günthner, W.: Das Verbundforschungsprojekt, Einführung und Ausblick
1 Einleitung
MATVAR
MATVAR – Materialflusssysteme für variable Fertigungssegmente im dynamischen
Produktionsumfeld – ist ein Verbundforschungsprojekt, das im Rahmen des Programms
"Produktion 2000" mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft,
Forschung und Technologie (BMBF) über das Forschungszentrum Karlsruhe,
Projektträger für Fertigungstechnik und Qualitätssicherung (PFT), gefördert worden
ist. Das Projekt MATVAR arbeitet an Lösungen für die Produktion im Jahr 2000+.
Der rasche Wandel in den Wirtschaftskreisläufen erfordert technologische Maßnahmen,
die eine neue Flexibilität und Agilität der Produktionseinrichtungen erlauben.
Dabei beeinflusst die „Lösung interner und zwischenbetrieblicher logistischer Probleme
die Wettbewerbsfähigkeit produzierender Unternehmen zunehmend“
(BMBF 1995).
Von den jährlich in Deutschland anfallenden Logistikkosten entfallen ca. 70% auf den
innerbetrieblichen Bereich. Das entspricht rund 350 Mrd. DM. Durch geeignete technische
wie auch strukturelle Maßnahmen lassen sich davon 50 %, also rund 175
Mrd. DM, als mögliches Rationalisierungspotential ausschöpfen (GÜNTHNER U.
ALLGAYER 1997).
Die Fabrik der Zukunft wird aus autonomen, dezentralen Einheiten bestehen. Die
Bildung eigenverantwortlicher, autonomer Einheiten bezieht sich sowohl auf technische
als auch auf organisatorische Maßnahmen und schließt die am Wertschöpfungsprozess
beteiligten Mitarbeiter ein. Anstelle der noch vorherrschenden Befehlshierarchien
werden autonome Einheiten wie z.B. Fertigungsinseln, Segmente und
Fraktale stehen, die die Informationen und das Material austauschen, um auf dieser
Basis erfolgreiche Lösungen und Auftragsabläufe zu erarbeiten.
Zur Umsetzung derartiger Konzepte wird die Fähigkeit zur schnellen Veränderung
gefordert (EVERSHEIM 1995), die nur aus einer Kombination von strukturellen und
technischen Maßnahmen zu erreichen ist. Hier müssen Regeln für die logistikgerechte
Layout- und Ablaufgestaltung aufgestellt (BMFT 1994), technische Elemente
zur Realisierung entwickelt, Methoden und Simulationen zum Entwurf und zur Prüfung
logistischer Systeme sowie Kommunikations- und Kooperationsprobleme an
den vielfältigen Schnittstellen in der logistischen Kette gelöst werden.
Um dem Anspruch an zukünftige Produktionsstrukturen gerecht werden zu können,
sollen im Projekt MATVAR Lösungen für die Fertigung in variablen und sich schnell
ändernden Strukturen erarbeitet werden. Flexible Materialflusssysteme und die für
die Steuerung notwendige Informationstechnik sollen sich als Baukasten zu einem
wandelbaren Materialflussnetz - gestützt auf geeignete Planungswerkzeuge - zusammenfassen
lassen.
1-2

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Günthner, W.: Das Verbundforschungsprojekt, Einführung und Ausblick
2 Zielsetzung
Statische Strukturen
Produktionsstruktur
Anpassungsfähige Strukturen
Layoutflexibilität
Einbindung ortsfester Maschinen
in Fertigungsinselstrukturen
Externe Anforderungen
Stückzahlflexibilität
Produktflexibilität
Variantenflexibilität
Kosten der innerbetrieblichen Logistik
in Deutschland jährlich ca. 350 Mrd DM
Ziele
Materialflusssysteme
Bild 1: Ziele des MATVAR-Projektes
Geringe Integration
der MF-Komponenten
Wandelbare Materialflussnetze
Kostengünstige, flexible MF-Systeme
MATVAR
Kombination von MF-Komponenten
mit skalierbarem Automatisierungsgrad
Ziel des Forschungsvorhabens MATVAR ist es, flexible Materialflusssysteme für variable
Fertigungsstrukturen im dynamischen Produktionsumfeld zu erarbeiten.
Hierbei ist die Strukturierung von Fertigungen in Segmenten oder Inseln unter praxisrelevanten
Bedingungen, wie z.B. ortsfesten Maschinen oder unteilbaren Kapazitäten,
technisch zu realisieren. Anhand dieser Realisierungen werden die Anforderungen
an die innerbetriebliche physische und informatorische Logistik abgeleitet, um
die Entwicklung der Materialflusskomponenten innerhalb des Forschungsvorhabens
zielgerichtet und anwenderbezogen durchführen zu können.
Technische Konzepte werden zur Verfügung gestellt, die die geforderten Anpassungen
an unterschiedliche Produktionsstrukturen jederzeit und mit geringem Anpassungsaufwand
ermöglichen. Bei allen Entwicklungen soll eine kostengünstige Lösung
im Mittelpunkt stehen, damit auch Einzel- und Kleinserienfertiger, speziell kleinund
mittelständische Unternehmen, diese Techniken für die Produktion nutzen und
ausbauen können. Dazu ist ein innerbetriebliches Materialflusssystem zur Versorgung
von dezentralen autonomen Produktionsstrukturen zu entwickeln. So bietet z.B.
ein als kostengünstiges Baukastensystem entwickelter Leichtkran, der sich dem Bedarf
nach stufenweise automatisieren lässt und den Anforderungen dynamischer
1-3

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Günthner, W.: Das Verbundforschungsprojekt, Einführung und Ausblick
MATVAR
Produktionsstrukturen genügt, große Vorteile (GÜNTHNER U. HANDRICH 1998). Die einzelnen
Transportmittel sollen nicht als Einzelsysteme nebeneinander stehen, sondern
als wandelbares Netz einen flexiblen Materialfluss gewährleisten. Entsprechend
sind auch die Schnittstellen zu gestalten, um die Flexibilität der Struktur zu ermöglichen.
Wesentlicher Vorteil dieser Strategie ist die schnelle Reaktionsmöglichkeit auf
geänderte Produktionsbedingungen. Dies bedeutet die Schaffung geeigneter Systeme,
die flexibel jeden Punkt einer Produktionsfläche erreichen und damit verschiedene
Maschinen- und Arbeitsplatzanordnungen ermöglichen sowie unterschiedliche
Materialflussströme bewältigen können. Anstelle starrer Steuerungsabläufe sind dynamische
Steuerungsstrategien zu entwickeln, die je nach Auftragslage und Betriebssituation
(z.B. Störfällen) Materialflüsse planen und steuern können. Mit geeigneten
Planungswerkzeugen lassen sich diese Materialflüsse einfach und schnell planen.
3 Gliederung des Projektes in Arbeitspakete
AP 4:
Methoden und Werkzeuge
zur Einsatzplanung
AP 3:
Informations- und
Datenmanagement
AP 5:
Energetische, informatorische
und physische Schnittstellen
Komponentenentwickler
MATVAR
AP 2:
Physische Logistik
Bild 2: Integration der Arbeitspakete im Verbundprojekt MATVAR
Anwender
AP 1:
Dynamische
Fertigungsstrukturen
Die derzeit eingesetzten starren Produktions- und Materialflusssysteme sind aufgrund
mangelnder Umbau- und Umrüstflexibilität nicht oder nur mit hohem zeitlichen
und finanziellen Aufwand umrüstfähig. Den sich dynamisch ändernden Anforderungen
aufgrund schneller Produktlebenszyklen, den ständig sich ändernden Zuliefer-
1-4

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Günthner, W.: Das Verbundforschungsprojekt, Einführung und Ausblick
MATVAR
bedingungen und hoher Variantenvielfalt bei kleiner werdenden Losgrößen entsprechen
sie nicht.
Aus der geschilderten Zielsetzung leiten sich fünf Problemfelder und Arbeitspakete
ab:
• Dynamische Fertigungsstrukturen
• Anpassbare Materialflusssysteme
• Anpassbare Informations- und Datenmanagement
• Einfache Planungsmethoden und –werkzeuge
• Einheitliche Schnittstellen
Bei der Aufteilung in die genannten Arbeitspakete handelt es sich lediglich um eine
thematische Gliederung. Die Zusammenarbeit der Projektpartner geschieht über die
Arbeitspaketgrenzen hinweg, so dass einige Projektpartner Problemstellungen in
mehreren Arbeitspaketen bearbeiten.
Die Arbeitspakete bauen dabei aufeinander auf:
Anpassungsfähige Produktionsstrukturen legen die Anforderungen an anpassungsfähige
Materialflusssysteme fest. Damit sich diese bestmöglich in den innerbetrieblichen
Materialfluss integrieren lassen, müssen die energetischen, informatorischen
und vor allem die physischen, d.h. mechanischen Schnittstellen festgelegt sein
(GÜNTHNER U. BAMBYNEK 1998). Die zur Verfügung gestellten Materialflusssysteme
wiederum legen die Anforderungen an das Informations- und Datenmanagement
fest. Zuletzt können neue Planungswerkzeuge die zuerst genannten anpassungsfähigen
Produktionsstrukturen planen.
4 Zielsetzungen der einzelnen Arbeitspakete
4.1 Arbeitspaket 1: Dynamische Fertigungsstrukturen
Folgende Einzelziele sind zur Strukturierung von Fertigungen in Segmenten oder
Inseln unter technischen Rahmenbedingungen unabdingbar und beinhalten Konzepte
für Maschinen, Anlagen und Materialflusssysteme:
• Eröffnung von Möglichkeiten zur Einbindung von ortsfesten Maschinen und Anlagen
in produktorientierte Fertigungskonzepte durch organisatorische und technische
Konzepte, wie z.B. der Schaffung einer Gruppenstruktur bei räumlich verteilten
Arbeitsplätzen
• Einbindung von unteilbaren Kapazitäten in mehrere Fertigungsinseln bzw. Segmente
durch geeignete Steuerungsstrategien
1-5

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Günthner, W.: Das Verbundforschungsprojekt, Einführung und Ausblick
MATVAR
• Flexible Verkettung des inselinternen und -externen Materialflusses im Sinne kurzer
Wege und schneller Reaktionszeiten durch die Verbindung von zentral und
dezentral gesteuertem Materialfluss
• Aufbau von Pilotstrukturen bei den Anwendern
• Formulierung der Anforderungen an die Materialfluss- und Informationstechnik für
dezentrale flexible Fertigungssysteme
Informations - und
Datenmanagement (AP3):
- Entwicklung einer skalierbaren
Informationstechnik für MF-Systeme
- Nutzung dezentraler Steuerungskonzepte bei
der Routenplanung und Auftragsverwaltung
von Fahrzeugen
- Entwicklung von schnell und einfach
konfigurierbarer Steuer- und Leittechnik für
ein wandelbares MF-Netz
Energetische , informatorische und
physische Schnittstellen (AP5):
- Kombination bestehender und neuer MF-
Systeme zu einem flexiblen MF-Netz
- Entwicklung geeigneter Übergabestellen
zur Anbindung von MF-Komponenten
- Einbindung von Fertigungssegmenten in
den Materialfluss
- Verkürzung der Inbetriebnahme durch
vereinheitlichte Schnittstellen
Methoden und Werkzeuge
zur Einsatzplanung (AP4):
- Aufbau von Planungsregelkreisen
- Dynamischer Abgleich von Planung
und Realität
Dynamische
Fertigungsstrukturen (AP1):
- Aufbau einer produkt- und
mengenflexiblen, segmentierten
Fertigungsstruktur
- Bildung von dynamischen Strukturen
aus bestehenden Systemen
Physische Logistik (AP2):
- Einbindung von MF-Komponenten in ein
wandelbares MF-Netz
- Entwicklung eines rüstflexiblen und gestuft
automatisierbaren Leichtfördersystems im
Überflurbereich
Bild 3: Die wichtigsten Ziele der einzelnen Arbeitspakete
4.2 Arbeitspaket 2: Materialflusssysteme
Für ein innerbetriebliches Transportsystem zur Versorgung von dezentralen autonomen
Produktionsstrukturen sind flexible Materialflusssysteme neu bzw. weiterzuentwickeln
und zu einem Gesamtkonzept zu integrieren. Daraus ergeben sich folgende
Einzelziele:
• Entwicklung eines rüstflexiblen, gut einpassbaren Leichtkrans im Baukastensystem,
der mit verschiedenen Automatisierungsstufen den Produktionsanforderungen
angepasst werden kann und damit universell einsetzbar ist
• Weiterentwicklung und Integration eines Staplermanagementsystems, das innerhalb
des wandelbaren Materialflussnetzes vor allem die Bedürfnisse der KMU abdeckt
• Erstellung eines Konzeptes für ein wandelbares Materialflussnetz mit den neuen
Materialflusssystemen automatisierter Leichtkran und gemanagte Stapler mit ge-
1-6

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Günthner, W.: Das Verbundforschungsprojekt, Einführung und Ausblick
MATVAR
eigneten Schnittstellen untereinander, einer offenen Schnittstelle zu konventionellen
Materialflusssystemen (z.B. Rollenbahnen) und der Schnittstelle zur Fertigungszelle
• Bewertungskatalog für die vorhandene Materialflusstechnik unter dem Aspekt
„Einsatz und Kombination als flexibles Materialflusssystem zur Versorgung von
Fertigungsinseln bzw. Segmenten“
• Aufbau von Pilotanlagen mit den neuen Materialflusssystemen zu Test- und Demonstrationszwecken
der Einzelsysteme, der Schnittstellen und des Verbundbetriebes
4.3 Arbeitspaket 3: Informations- und Datenmanagement
Aus dem Gesamtziel, ein integriertes und einfach konfigurierbares Informations- und
Datenmanagement für den Einsatz in dynamischen Strukturen zu entwickeln, leiten
sich die folgenden Einzelziele:
• Entwicklung einer offenen, modularen Architektur für Materialflusssteuerungssysteme,
die schnell und einfach konfigurierbar sind, wobei Insellösungen durch den
Einsatz von gängigen Betriebs- und Datenbanksystemen auf Standardhardware
vermieden werden sollen
• Entwicklung einer Schnittstelle der Materialflusssteuerung zu Materialflussplanungstools,
um bei Layoutveränderungen mit möglichst wenig Aufwand das neue
Layout in der Materialflusssteuerung abbilden zu können
• Konzeption einer Anbindung an Simulationswerkzeuge zur Optimierung der eingesetzten
Steuerungsstrategien, um bei Strukturveränderungen die Ergebnisse der
Materialflussplanung in die Materialflusssteuerungsstrategien einfließen zu lassen
• Integration von Materialfluss und Informationsfluss durch die Erweiterung bestehender
Materialflussmanagementsystemen zu mobilen Informationsplattformen
• Integration von Online-Prozesskontrollen
• Dezentrale Steuerungskonzepte zur Bahn- und Routenplanung sowie dezentrale
Auftragsverwaltung bei Transportfahrzeugen
• Steuerungstechnische Integration verschiedener Materialflusssysteme unter Nutzung
ihrer spezifischen Fähigkeiten und Eigenschaften
4.4 Arbeitspaket 4: Planung des Materialflusses
Die folgende Einzelziele sind für eine schnellere und qualitativ hochwertigere Planung
notwendig, um so den Anforderungen bei der Planung von Materialflüssen im
dynamischen Produktionsumfeld zu genügen:
• Reduzierung des Datenbereitstellungs- und Datenaufbereitungsaufwands durch
Übernahme von Informationen aus PPS-Systemen und durch die Verarbeitung
bestehender EDV-gestützter Layouts
1-7

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Günthner, W.: Das Verbundforschungsprojekt, Einführung und Ausblick
MATVAR
• Automatisierung des Simulationsmodellaufbaus, insbesondere für die Betriebsund
Fördermittel, durch Kopplung von CAD und Simulation
• Rückübertragung layoutrelevanter Ergebnisse aus der Simulation an die CADgestützte
Layoutplanung
• Erweiterung der Optimierungsstrategien um die Aspekte Nachbarschaftsbeziehungen,
Transportwege, Fördermittel und -hilfsmittel, Standortverträglichkeitsbedingungen,
Umzugsaufwand, Betriebsmittelflächen sowie Bildung von produktbezogenen
Fertigungssegmenten
• Entwicklung eines Planungsmoduls zur Berücksichtigung der innerbetrieblich vorhandenen,
konventionellen Materialflusstechnik, die auch im wandelbaren Materialflussnetz
genutzt werden muss
• Entwicklung von CAD- und Simulationsbausteinen für die rechnerintegrierte Planung
der flexiblen Materialflusssysteme automatisierter Leichtkran, autonome
Transportfahrzeuge und gemanagte Stapler
4.5 Arbeitspaket 5: Schnittstellenproblematik
Das wandelbare Materialflussnetz erfordert die Überwindung vielfältiger Schnittstellen.
Diese Aufgabe hat folgende Einzelziele:
• Bewertungskatalog für herkömmliche Materialflusstechnik, der Schnittstellen und
Einsatzmöglichkeiten als flexibles Materialflusssystem zur Versorgung von dezentralen
Fertigungsstrukturen berücksichtigt
• Gestaltungskatalog zur Forcierung durchgängiger standardisierter Schnittstellen
zwischen inselinternem und -externem Materialfluss
• Entwicklung einer Planungsvorgehensweise zur Überwindung von Materialflussschnittstellen,
wobei die spezifischen organisatorischen, mechanischen und informatorischen
Anforderungen dezentraler Produktionsstrukturen berücksichtigt werden
• Sinnvolle Verknüpfung verschiedener Materialflusssysteme wie automatisierter
Leichtkran, Elektrohängebahn und neu zu entwickelnder Materialflusstechnik zu
einer flexiblen, möglichst flurfreien Systemlösung
• Schaffung von rüstflexiblen Schnittstellen zwischen den Komponenten automatisierter
Leichtkran, autonomes Transportfahrzeugsystem, gemanagte Stapler und
autonomen Fertigungszellen
• Schaffung einer offenen Schnittstelle im Rahmen des wandelbaren Materialflussnetzes
zur Anbindung bestehender konventioneller Materialflusssysteme
1-8

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Günthner, W.: Das Verbundforschungsprojekt, Einführung und Ausblick
Bild 4: MATVAR-Pilotanlage am Lehrstuhl fml
MATVAR
1-9

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Günthner, W.: Das Verbundforschungsprojekt, Einführung und Ausblick
MATVAR
5 Integration der Arbeiten und prototypenhafte Umsetzung
Im Rahmen dieses Verbundforschungsprojektes wurden die Entwicklungen prototypenhaft
umgesetzt und entweder bereits bei den Anwenderfirmen realisiert oder in
den Pilotanlagen an den Hochschulinstituten aufgebaut.
Die am Lehrstuhl LSR aufgebaute Pilotanlage (Bild 4) besteht aus folgenden, am
Materialfluss beteiligten Komponenten:
• stufenweise automatisierbares Leichtfördersystem im Überflurbereich bestehend
aus Leichtkranen und Hängebahnen
• konventionelle Fördertechnik: Schwerlastrollenbahn und Stauförderer
• Stapler über ein Staplermanagementsystem angebunden
• angewandte Regaltechnik für die Bedienung mit Kranen
• Übergabeplätze als Schnittstelle zu den Fertigungsinseln
• Terminals für die informationstechnische Unterstützung der Materialflusssysteme
• Leitstand für die Integration aller Materialflusskomponenten in ein wandelbares
Materialflussnetz
Neben der Pilotanlage am fml wurde eine Verbindung zur iwb-Modellfabrik realisiert,
die aus zwei automatischen Flurförderfahrzeugen sowie insgesamt vier Produktionszellen
besteht: einer Montagestation, zwei Bearbeitungszentren und einem Lager.
Der Materialfluss geschieht mit den gemanagten Staplern, der Informationsfluss
durch die Anbindung der Materialflusssystemsteuerungen an einen Leitrechner.
1-10

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Günthner, W.: Das Verbundforschungsprojekt, Einführung und Ausblick
6 Struktur des Verbundes
6.1 Projektpartner
Bild 5: Beteiligungsmatrix der Projektpartner des inneren Kreises
Zu den beteiligten Projektpartnern gehören die
• Anwender: Bosch Siemens Hausgeräte, Leicher und MAN Nutzfahrzeuge
MATVAR
• Entwickler: HBC-radiomatic, Mannesmann Dematic, OBTec Steuerungstechnik
und das Institut für Produktionstechnik und
• Hochschulinstitute: das Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften
und der Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik.
Sie bilden den sogenannten inneren Kreis.
1-11

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Günthner, W.: Das Verbundforschungsprojekt, Einführung und Ausblick
MATVAR
Die Gruppe der industriellen Anwender setzt bereits innovative Produktionsstrukturen
pilothaft um und prüft diese hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Flexibilität. Außerdem
zeigt sie die Randbedingungen und Anforderungen dynamischer Produktionsstrukturen
bezüglich des Materialflusses auf und soll potentieller Nutzer der entwickelten
Materialflusskonzepte sein.
Die beteiligten Hochschulinstitute integrieren innerhalb ihrer eigenen Arbeitspunkte
die Ergebnisse und Neuentwicklungen. Bei der Durchführung gemeinsamer Entwicklungen
mit ausgewählten Industriepartnern bieten sie eine wissenschaftliche Begleitung
und Unterstützung. Weiterhin gewährleisten sie eine Verallgemeinerung des
gewonnenen Wissensvorsprungs durch Systematisierung und präsentieren das gewonnene
Wissen der Öffentlichkeit. Durch das Umsetzen in einer zeitgemäßen Lehre
werden die Ergebnisse des Projekts jungen Ingenieuren zugänglich gemacht und
langfristig Denkanstöße für den Aufbau dynamisch wandelbarer Produktionsstrukturen
gegeben. Der Aufbau einer Pilotanlage an den Lehrstühlen macht die gewonnenen
Ergebnisse der breiten Öffentlichkeit zugänglich.
Im assoziierte Kreis sind interessierte Industriepartnern, Vereinen und Verbänden
zusammengefasst. Sie sind erster Ansprechpartner im Projekt. Sie helfen bei der
Problemlösung durch Wissenstransfer und -akquisition. Durch eine flächendeckende
Vernetzung hilft der assoziierte Kreis bei der Verbreitung der Entwicklungsergebnisse.
Bild 6: Struktur und Transfer des Verbundprojektes MATVAR
1-12

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Günthner, W.: Das Verbundforschungsprojekt, Einführung und Ausblick
6.2 Ablaufstruktur und Meilensteine
MATVAR
Das Projekt gliedert sich ausgehend von einer Analyse- und Konzeptphase in Konstruktions-
und Realisierungsphasen. Gerade bei der Umsetzung neuer Konzepte
sind die Übergänge zwischen den Phasen fließend. Die Koordination aller Projektbeteiligten
hat hier eine zentrale Bedeutung. Interne Statustreffen aller Projektpartner
und eine Vielzahl von Arbeitspakettreffen sind dafür notwendig.
Externe Treffen fanden jeweils nach jedem Projektjahr als Zwischenpräsentationen
statt, um interessierte Firmen über die Zwischenstände und bisher erzielten Ergebnisse
des Projektes zu informieren. So konnten auch weitere Partner wie die Fa.
HBC-radiomatic gewonnen werden.
1. Jahr
1. Quartal 2. Quartal 3. Quartal 4. Quartal
Analysen
1. Meilenstein/
Analysen
Konzepte
1. Zwischenpräsentation
2 Jahr
1. Quartal 2. Quartal 3. Quartal 4. Quartal
2. Meilenstein/
Konzepte
Entwicklung / Konstruktion
2. Zwischenpräsentation
3. Meilenstein/
Konstruktion
3. Jahr
1. Quartal 2. Quartal 3. Quartal 4. Quartal
Prototypen
4. Meilenstein/
Prototypen
Pilotanlagen
Verbreitung von Ergebnissen
Bild 7: Ablaufübersicht des MATVAR-Projektes
5. Meilenstein/
Pilotanlage
Testphase
3. Abschlusspräsentation
1-13

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Günthner, W.: Das Verbundforschungsprojekt, Einführung und Ausblick
7 Bedeutung des Projektes
MATVAR
Die verschärfte Wettbewerbssituation für Produktionsunternehmen hat in den letzten
Jahren zu erweiterten Anforderungen an flexible Produktionskonzepte geführt. Bestehende
Ansätze sowie aktuelle Konzepte in der Forschung und in der Praxis werden
diesen Anforderungen vielfach nicht gerecht. In diesem Zusammenhang zeigen
dezentrale Produktionssysteme, die durch verteilte Strukturen und autonome Einheiten
gekennzeichnet sind, neue Perspektiven auf. Die Autonomie schafft die Voraussetzungen
zur besseren Nutzung dezentral vorhandener Potenziale, die in herkömmlichen
zentralen Strukturen weitgehend ungenutzt bleiben. Gleichzeitig bildet
die Erfüllung globaler Zielvorgaben in dezentralen Strukturen eine Grundvoraussetzung
für den unternehmerischen Erfolg (REINHART U. KOCH 1995). Das Projekt zeigt
anhand von zu realisierenden Pilotsystemen Wege zur Strukturierung, Planung und
Umsetzung derartiger Produktionsstrukturen auf.
Neben Änderungen in der Aufbau- und Ablauforganisation (AWF 1990) müssen dynamische
Strukturen auch durch layoutflexible Fördermittel wie Verkettungseinrichtungen,
Handhabungssysteme, Lager- und Materialflusssysteme ermöglicht werden.
Die Materialflusstechnik und Informationslogistik muss die Forderung nach ständig
möglicher Umkonfiguration der Produktionsstruktur mit geringstmöglichem Anpassungsaufwand
erfüllen. Hierfür ist die Entwicklung layoutflexibler Logistikstrukturen
erforderlich. Das Verbundprojekt erarbeitete in dieser Richtung einen Lösungsvorschlag.
Im Rahmen der physischen Logistik nimmt die Entwicklung und Produktion in
Deutschland einen nationalen und internationalen Spitzenplatz ein. Der Wirtschaftszweig
Fördertechnik ist der größte Fachzweig im deutschen Maschinenbau mit den
höchsten Zuwachsraten und weltgrößter Exporteur (Quelle: VDMA Statistik). Damit
das auch in Zukunft so bleibt, haben sich namhafte Hersteller, Anwender und Hochschulinstitute
zusammengefunden, um im Rahmen des Projekts MATVAR einen großen
Schritt hin zu einem wandelbaren Materialflussnetz zur flexiblen Versorgung von
autonomen dezentralen Produktionsstrukturen zu gehen. Als technisch bedeutende
Innovationen seien hier stellvertretend die Entwicklung eines Leichtkranes erwähnt,
der als Baukastensystem mit stufenweiser Automatisierung eine kostengünstige und
sehr flexible Materialflusslösung darstellt; gleiches gilt für die Einbindung von intelligenten
Transportfahrzeugen und gemanagten Staplern. Diese Systeme sind als
Materialflussbausteine prädestiniert für eine Integration innerhalb eines wandelbaren
Materialflussnetzes. Speziell für KMU können sich hieraus neue Produktionsansätze
ergeben.
Die innerhalb des Projekts entwickelten und beispielhaft realisierten Systeme zur
Materialflusssteuerung und Informationslogistik ermöglichen die schrittweise Um-
1-14

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Günthner, W.: Das Verbundforschungsprojekt, Einführung und Ausblick
MATVAR
wandlung bestehender Systeme, so dass diese die Anforderungen der Produktion
der Zukunft erfüllen.
Der Einsatz der zu entwickelnden Produktionsstruktur und Logistik für dynamische
Systeme fordert eine angepasste Planungssystematik unter Einbezug möglichst vieler
der zur Verfügung stehenden Betriebsdaten, um einen Vergleich zwischen Sollund
Ist-Werten zu forcieren. Erstmals soll im Rahmen des Projekts durch eine Kopplung
von statischen und dynamischen Planungsschritten ein Planungsregelkreis, bestehend
aus Layoutplanung und Ablaufsimulation, aufgebaut werden. CAD- und Ablaufsimulationssysteme
greifen dabei auf eine identische und übergreifende Datenbasis
zu, wodurch der Datenaufbereitungs- und Dateneingabeaufwand deutlich verringert
wird. Aus diesem Grund können auch unter Berücksichtigung vielfältiger Einflussfaktoren
mehr Planungsvarianten entwickelt und daher eine gesteigerte Planungssicherheit
und -qualität erzielt werden. Weiterhin sind durch verbesserte Planungsergebnisse
verkürzte und kostengünstigere Inbetriebnahmen zu erreichen, da
teure Nachbesserungen an der bereits aufgestellten Anlage, verursacht durch Planungsfehler,
vermieden werden.
Die Struktur des Projekts ermöglicht nicht nur die Entwicklung, Realisierung und
Kombination moderner flexibler Materialflusskomponenten, sondern weist Wege auf,
mittels Integration von Komponenten unterschiedlichsten Alters und verschiedenster
Entwickler auch bestehende Einrichtungen und Anlagen zu durchgängig dynamischen
Systemen umzubauen. Dies wird durch eine flexible Gestaltung der Schnittstellen
gewährleistet.
Das Forschungsvorhaben soll Wege aufzeigen, propagierte Konzepte und Theorien
zur Erhöhung der Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit technisch zu realisieren.
Die dabei entwickelten Systeme und marktfähigen Komponenten werden Wettbewerbsvorteile
für deutsche Unternehmen sichern. Weiterhin stärkt das Projekt die
industrielle Forschungs- und Entwicklungslandschaft am Standort Deutschland und
fördert den wissenschaftlichen Austausch zwischen Unternehmen und Forschungsinstituten.
1-15

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Günthner, W.: Das Verbundforschungsprojekt, Einführung und Ausblick
8 Literatur
MATVAR
AWF 1990
AWF: Integrierte Fertigung von Teilefamilien. Band 1 u. 2: Das Konzept Fertigungsinseln
und seine Gestaltungskomponenten. Köln, TÜV Rheinland
Verlag, 1990
BMBF 1995
BMBF: Rahmenkonzept „Produktion 2000“ Hrsg. vom Bundesministerium für
Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie. Bonn: 1995
BMFT 1994
BMFT: Strategien für die Produktion im 21. Jahrhundert. Bericht einer Untersuchung
zu Entwicklungen, Visionen und Handlungsbedarf für Industrie, Forschung
und Staat zur Sicherung des Produktionsstandortes Deutschland.
Stuttgart: 1994
EVERSHEIM 1995
Eversheim, W.: Prozeßorientierte Unternehmensorganisation. Berlin, Heidelberg:
Springer-Verlag 1995
GÜNTHNER U. ALLGAYER 1997
Günthner, Allgayer: Verbundforschungsprojekt „MATVAR“ ist angelaufen,
Logistik im Unternehmen, Nr. 10 Oktober 1997, S. 28-30.
GÜNTHNER U. BAMBYNEK 1998
Günthner, Bambynek: Schnittstellenbaukasten: Integrierbarkeit eines flurfreien
Leichtfördersystems, Hebezeuge und Fördermittel, Band 38 (1998) Heft
12, S. 593-595.
GÜNTHNER U. HANDRICH 1998
Günthner, Handrich: Einsatzmöglichkeiten eines Leichtfördersystems im Überflurbereich,
Logistik aktuell: Automatisierte Krane- Einsatzerfahrungen
und Entwicklungstendenzen, Dresden, 15. Mai 1998, Hrsg.: H.-G. Marquardt.
PFT 1995
PFT: Die Notwendigkeit einer neuen Strategie industrieller Innovation. Broschüre
des Forschungszentrums Karlsruhe GmbH 1995
REINHART U. KOCH 1995
Reinhart, G.; Koch, M. R.: Competition and Cooperation in Autonomous Manufacturing
Systems. In: Soliman, J. I.; Roller, D. (Edts.): 28th International
Symposium on Automotive Technology and Automation, Stuttgart. Croydon:
Automotive Automation Limited 1995, S. 263-275.
1-16

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Hirschberg, A., Broser, W.: Wandlungsfähige Produktionsstrukturen
MATVAR
:DQGOXQJVIlKLJNHLW GXUFK GLH
9HUELQGXQJ YRQ
YHUULFKWXQJV XQG SURGXNWRULHQWLHU
WHQ 6WUXNWXUHQ LQ GHU )HUWLJXQJ
'LSO ,QJ $UQG +LUVFKEHUJ XQG 'LSO ,QJ :HOI %URVHU
,QVWLWXW I U :HUN]HXJPDVFKLQHQ XQG %HWULHEVZLVVHQVFKDIWHQ
LZE
7HFKQLVFKH 8QLYHUVLWlW 0 QFKHQ
%ROW]PDQQVWU
*DUFKLQJ
2-1

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Hirschberg, A., Broser, W.: Wandlungsfähige Produktionsstrukturen
Bild 1: Zahlreiche Veröffentlichungen fordern Wandlungsfähigkeit
MATVAR
1 Reorganisationsbedürfnis deutscher Fertigungsbetriebe
Deutsche Unternehmen unterliegen unzweifelhaft einer hohen Umfeldturbulenz. Somit
stellt sich sofort die Frage, welche Möglichkeiten zum Umgang mit der Turbulenz
existieren? Eine Antwort lautet: Unternehmen müssen sich in ihren Organisationsstrukturen
wandeln (LAY U.A. 1997). Aus dem turbulenten Umfeld der Unternehmen
ergibt sich die Notwendigkeit der ständigen Anpassung an die äußeren Veränderungen
(REINHART U.A. 1999).
Vor diesem Hintergrund erscheinen auch die Ergebnisse einer Studie des Institutes
für Medienentwicklung und Kommunikation (IMK 1998 S. 11) plausibel, demzufolge
aktuell bei 55% der deutschen Unternehmen ein Reorganisationsbedarf besteht. Mit
66% ist der Reorganisationsbedarf im Maschinenbau besonders groß. Die Strukturen
im Maschinenbau werden als nicht innovativ und aufgebläht eingeschätzt (IMK 1998
S. 12). Es wurde weiterhin festgestellt, dass die meisten Reorganisationen im Maschinenbau
erst Mitte der 90er Jahre begannen und dass die metallverarbeitende
Industrie zumeist an der Linienorganisation festhält.
2-2

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Hirschberg, A., Broser, W.: Wandlungsfähige Produktionsstrukturen
ambivalent
26%
gut organisiert
20%
reorganisationsbedürftig
54%
MATVAR
Bild 2: Reorganisationsbedürfnis der deutschen Unternehmen (IMK 1998,S. 11)
Obwohl durch die Einführung von produktorientierten Strukturen wie beispielsweise
Fertigungsinseln oder Segmenten in den letzten Jahren viele Produktionsunternehmen
ihre Durchlaufzeit und Bestände deutlich reduzierten (BURBIDGE 1994, DECKER
1995, TÖNSHOFF U.A. 1995, GERLACH U.A. 1996, GRONAU & BRINKMANN 1996), konnten
diese nicht überall Anwendung finden (LAY U.A. 1997, S. 9). Ein wesentlicher Grund
für den zeitlichen Rückstand vieler Produktionsunternehmen und das Festhalten an
der tradierten funktionsorientierten Organisation sind nach LUTZ (1996) die technischen
Hindernisse, die insbesondere im Maschinenbau der produktorientierten Ausrichtung
entgegenstehen. Wesentliche kostenrelevante Hindernisse eines flächendeckenden
Aufbaus der produktorientierten Strukturen sind die Umzugsaufwände der
Maschinen und die Notwendigkeit auf Skaleneffekte durch die Nutzung vorhandener
Anlagen und Maschinen durch verschiedene Produktgruppen nicht verzichten zu
können. Insbesondere gewachsene Produktionsbetriebe stehen vor scheinbar unlösbaren
Problemen bei der Reorganisation ihrer Fertigungen (TÖNSHOFF & GLÖCKNER
1994). LAY U.A. (1997, S.4) beklagen, dass die Reorganisationskonzepte der letzten
Jahre in den Produktionsbetrieben als Rezepte missverstanden wurden. Dieser Rezeptcharakter
zusammen mit einer Vielfalt von Botschaften führte zu Verwirrungen
und hatte fatale Konsequenzen: Die Begriffe zur Charakterisierung der neuen Produktionskonzepte
wurden zu inhaltsleeren Modebegriffen mit immer kürzerer Halbwertszeit.
Wie sehen diese vorhandene Konzepte aber aus?
2-3

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Hirschberg, A., Broser, W.: Wandlungsfähige Produktionsstrukturen
Funktionsorientierung
Tayloristische Grundidee:
Zusammenfassung ähnlicher
Tätigkeiten
Synergien:
Nutzung von Skaleneffekten
Akkumulation des
technologischen Wissens
Anwendungsfelder:
Neue Technologien
Technologisch
anspruchsvolle
Tätigkeiten
MATVAR
Produktorientierung
Grundidee:
Integration von Prozessketten
Synergien:
Optimierung der Prozessketten
Abstimmung einzelner
Arbeitschritte
Anwendungsfelder:
Produktoptimierung durch Zusammenarbeit
mit indirekten Bereichen
Kurze Durchlaufzeiten
Bild 3: Funktions- und Produktorientierung
2 Ansätze und Defizite in der Fertigungsorganisation
Grundsätzlich sind zwei Richtungen der Ausrichtung der Fertigungsstruktur zu unterscheiden:
Funktions- und Produktorientierung. Der Produktorientierung wird eine
schnelle Anpassung bei Produktmodifikationen zugeschrieben, während die Funktionsorientierung
eher langfristige, tiefgreifende Produktänderungen ohne aufbauorganisatorische
Anpassungen abfangen kann. Beide Aspekte sind notwendig, um eine
Wandlungsfähigkeit des Gesamtunternehmens zu erreichen. Einer schnellen Umsetzung
stehen in produktorientierten Bereichen Unverträglichkeiten verschiedener
Maschinen, wie beispielsweise einer Presse und einer Messzelle, entgegen. Diese
Hindernisse können nur mit großem technischen bzw. finanziellen Aufwand überwunden
werden.
Die eingehende Auswertung des Standes der Forschung und Technik im Bereich der
Fertigungsstrukturen zeigte, dass ein Strukturkonzept bisher noch fehlt, welches die
Funktions- und die Produktorientierung verbindet, um so die Vorteile der jeweiligen
Konzepte synergetisch zu verknüpfen.
Neben dem fehlenden Strukturkonzept zur Verbindung von Funktions- und Produktorientierung
sind die vorliegenden Planungsverfahren zumeist strukturspezifisch
ausgerichtet. Es gibt Planungsverfahren für Fertigungsinseln, Segmente oder Fraktale,
die eigentliche Strukturentscheidung für Produkt- bzw. Funktionsorientierung ist
2-4

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Hirschberg, A., Broser, W.: Wandlungsfähige Produktionsstrukturen
MATVAR
zu diesem Zeitpunkt aber schon gefallen. Es kann somit das Fehlen einer neutralen
Planungsmethodik für Fertigungsstrukturen festgestellt werden.
Besondere Probleme bestehen aber auch in der Steuerung der funktionsorientierten
Einheiten in einer sonst produktorientierten Umgebung. Gerade KMUs scheuen den
Einsatz aufwendiger EDV-Systeme zur Steuerung hybrider (Mischung aus produktund
funktionsorientierten) Fertigungsstrukturen, wie sie von vielen Veröffentlichungen
(bspw. KATH 1994) vorgeschlagen werden. Es fehlen bisher Ansätze, die es Unternehmen
auf einfache Weise erlauben, diese Strukturen zu steuern.
Aus den kurz skizzierten Defiziten und Zielen lässt sich zusammenfassend folgender
Handlungsbedarf ableiten: Die Entwicklung
• eines Konzepts zur Verbindung der Vorteile von produkt- und funktionsorientierten
Strukturen für die Klein- und Mittelserienfertigung,
• eines ergebnisneutralen Planungsverfahren unter Berücksichtigung der vorhandenen
Betriebsmittel,
• eines einfachen Auftragssteuerungskonzept für den Einsatz in hybriden Strukturen.
3 Konzeption - Kerninsel-Dienstleisterkonzept
Das grundlegende Strukturkonzept Kerninsel-Dienstleister bildet die Basis dieses
Kapitels. Aufbauend darauf wird eine Planungssystematik zur Erarbeitung der unternehmensspezifischen
Struktur dargestellt. Der darauf folgende Abschnitt wird auf die
Auftragssteuerung innerhalb dieser neuen Strukturen eingehen.
3.1 Strukturkonzept
Die Produktorientierung steht für die Nutzung der Vorteile aus der Prozesskettenoptimierung
entlang der Wertschöpfungskette. Synergetische Effekte werden durch die
bessere technische und organisatorische Abstimmung der Prozesse aufeinander erreicht.
Diese Optimierungsmaßnahmen sollen ganz wesentlich über die direkten Bereiche
hinausgehen (WILDEMANN 1993, S. 254). Beispielsweise sollen diese Einheiten
bei der langfristigen Produktgestaltung Einfluss nehmen.
Diese wesentliche Aufgabe übernimmt im Kerninsel-Dienstleiterkonzept die Kerninsel.
Die Kerninsel ist eine organisatorische Einheit bestehend aus Maschinen und
Mitarbeitern, die eindeutig einer Produktgruppe (Teilefamilie) zugeordnet werden
können, bzw. die in der Planungssystematik beschriebenen Kriterien zur Zuordnung
zu einem Produkt erfüllen.
2-5

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Hirschberg, A., Broser, W.: Wandlungsfähige Produktionsstrukturen
Kerninseln
Hoher Auslastungsanteil durch
einen Produktbereich
Geringes Spezialistenwissen
Kernprozesse der Teilefamilie
Übergreifende Optimierungspotentiale
Bild 4: Strukturkonzept
Dienstleister
MATVAR
Zugriff verschiedener Inseln
Große Spezialisierungsvorteile
Randprozeß
Skaleneffekte
Flexibilitätspotential
Unverträgliche Technologie
Den Mittelpunkt der funktionsorientierten Optimierung bilden im Kerninsel-
Dienstleisterkonzept die Dienstleister. Genutzt werden sollen die Spezialisierungsvorteile,
die durch eine Konzentration auf bestimmte Tätigkeiten innerhalb einer Einheit
erreicht werden können. Als Dienstleister können alle an der Gesamtprozesskette
beteiligten Organisationseinheiten bezeichnet werden, die außerhalb der Kerninsel
zur Durchführung der Aufträge in der Produktion notwendig sind. Die
Dienstleister werden durch die verschiedenen produktorientierten Kerninseln angefragt
und beauftragt. Grundlage dieser Beziehung ist das Kunden-
Lieferantenverständnis.
Die Fertigungsstruktur nach dem Kerninsel-Dienstleisterkonzept stellt sich somit als
eine Kombination aus funktions- und produktorientierten Einheiten dar. Spezielle
Teile der Prozesskette werden spezifisch über Prozessketten hinweg in
Dienstleistern oder innerhalb der Prozesskette in den Kerninseln zusammengefasst.
Folgende Definitionen sind gültig:
Definition Dienstleister:
Dienstleister sind funktionsorientierte, aufbauorganisatorische Einheiten, die
ihre Dienstleistung verschiedenen Auftraggebern (später Kerninseln genannt)
anbieten. Dienstleistungen sind Funktionen in der Fertigung, wie beispielsweise
das Lackieren, das Bohren, das Fräsen.....
2-6

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Hirschberg, A., Broser, W.: Wandlungsfähige Produktionsstrukturen
I. Zuordnung von Betriebsmittel zu Produktgruppen auf der
Basis klassischer Fertigungsinselplanungsmethoden.
II. Planungsschritt:
Bewertung der einzelnen Betriebsmittel mittels des Planungsoktogons
III. Planungsschritt:
Mustervergleich und Abweichungsberechnung von Standardlösung
IV. Planungsschritt:
Ableitung von Umsetzungsstrategien
Definition Kerninsel:
Bild 5: Planungsvorgehensweise in vier Schritten
MATVAR
Die Kerninsel ist eine produkt- und gruppenorientierte, aufbauorganisatorische
Einheit, deren Aufgabe darin besteht, eine termin- und qualitätsgerechte Erstellung
bestimmter Produktgruppen zu gewährleisten. Die Arbeit trägt die
Kennzeichen der autonomen Gruppenarbeit, wie sie in Kapitel 3 definiert wurden.
Die Kerninseln beauftragen für bestimmte Tätigkeiten die vorhandenen
Dienstleister, führen aber auch möglichst viele Tätigkeiten, insbesondere produktorientierte
Kernaufgaben, selbst mit zugeordneten Betriebsmitteln durch.
3.2 Das Planungsverfahren
Es wird eine 4-stufige Vorgehensweise (siehe Bild) zur Lösung des Planungsproblems
vorgeschlagen.
3.2.1 I. Planungsschritt: Produktgruppenanalyse
Der erste Schritt des Planungsverfahren zur Planung der Kerninsel-
Dienstleisterstruktur beruht auf Methoden der klassischen Fertigungsinselplanung.
An dieser Stelle wird auf klassische Verfahren zur Teilefamilienbildung zurückgegriffen.
2-7

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Hirschberg, A., Broser, W.: Wandlungsfähige Produktionsstrukturen
Integrationsaufwand
(Umzug-, Kapselung..)
Skaleneffekt
hcoh
Integration in
die Abläufe
hoch
niedrig
mittel
Gesamtauslastung
mittel
mittel
hcoh
mittel
mittel
niedrig
mittel
mittel
Qualitätsbestimmung
durch Prozess
Produktgruppenauslastung
mittel
niedrig
Bild 6: Planungsoktogon zur Betriebsmittelanalyse
hcoh
hcoh
Mitarbeiterqualifizierung
MATVAR
Unsicherheit
der Nutzung
Es sei hier auf die Arbeiten von OPITZ 1966, BURBIDGE 1994 bis LULAY & DECKER 1996
verwiesen. Diese Verfahren unterscheiden sich im wesentlichen nach der Anzahl und
Art der berücksichtigten Kriterien bzw. dem notwendigen Aufwand der Analyse und
der Datenbeschaffung vor der Verfahrensdurchführung.
3.2.2 II. Planungsschritt: Betriebsmittelanalyse
Im folgenden Schritt müssen die einzelnen Betriebsmittel mittels eines Bewertungshilfsmittels
im Hinblick auf die wesentlichen Kriterien zur Aufstellung eines Betriebsmittels
als Dienstleister oder innerhalb der Kerninsel bewertet werden.
Eine textuelle Beschreibung ist natürlich nicht hinreichend, da eine schnelle Erfassbarkeit
der Situation für alle am Planungsprozess teilnehmenden Personen wesentlich
ist. Die Zuordnung eines Betriebsmittels zu einer Strukturform stellt somit einen
komplexen Entscheidungsvorgang dar, der durch geeignete Hilfsmittel unterstützt
werden muss.
Um diese Forderungen erfüllen zu können und die Entscheidungsprozesse transparent
darzustellen, wird ein Polaritätsprofil (DAENZER 1989, S. 241) vorgeschlagen.
2-8

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Hirschberg, A., Broser, W.: Wandlungsfähige Produktionsstrukturen
Integrationsaufwand
(Umzug-, Kapselung..)
Abweichung
von Standardtyp
Einordnung
einer Maschine
Abweichungsfläche
Skaleneffekt
Integration in
die Abläufe
Gesamtauslastung
Qualitätsbestimmung
durch Prozess
Produktgruppenauslastung
Mitarbeiterqualifizierung
MATVAR
Unsicherheit
der Nutzung
Bild 7: Mustervergleich zur Typklassifizierung der Dienstleister bzw. Kerninseln
Acht wesentliche Kriterien wurden ausgewählt; deshalb wird im folgenden vom Planungsoktogon
gesprochen. Das Planungsoktogon, wie in Bild 7 dargestellt, hat den
Aufbau eines Polaritätsprofils, jedes der hier ausgewählten acht Kriterien wird an einer
der radialen Achsen angetragen. Die Ausprägung des Kriteriums, welches auf
eine Aufstellung innerhalb der Kerninsel hinweist, wird in das Zentrum des Planungsoktogons
gelegt. Daraus wird festgelegt, dass je kleiner das spezifische Oktogon
ist, desto eher einer Kerninsel entspricht. Es erfolgt eine Normierung der Maßstäbe
für alle quantifizierbaren Größen auf Kostenbasis, d.h. dass der maximale
Kostenwert jedes Kriteriums auf dem Maßstab gleich ist, um eine optische Vergleichbarkeit
der Kriterien zu erreichen. Qualitative Kriterien werden in einem kontinuierlichen
Maßstab von niedrig bis zur hohen Ausprägung dargestellt.
3.2.3 III. Planungsschritt: Mustervergleich
Um den Entscheidungsprozess zur Einordnung der Betriebsmittel in die Strukturformen
zu erleichtern, wird ein Vergleich mit Standardtypen vorgenommen. Diese Methode
soll den Entscheidungsprozess beschleunigen und Problembereiche schnell
und einfach identifizieren.
2-9

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Hirschberg, A., Broser, W.: Wandlungsfähige Produktionsstrukturen
MATVAR
Die Standardtypen entsprechen verschiedenen Formen der Dienstleister bzw. Kerninseltypen.
Für jeden Strukturtyp, wie beispielsweise den Maschinenpark, wird festgelegt,
für welche Kriterienausprägungen dieser Typ geeignet erscheint.
Jedes Betriebsmittel wird dem Standardtyp zugeordnet, zu dem die geringsten Abweichungen
bestehen. Somit ergibt sich eine einfache Möglichkeit zur Automatisierung
des Entscheidungsvorganges. Diese Vorgehensweise kann sicherlich nicht eine
automatisierte Entscheidung für alle Betriebsmittel ermöglichen. Es wird dem Planer
aber ein Medium an die Hand gegeben, schnell und einfach die Grenzfälle zu ermitteln,
die eine unternehmerische Entscheidung auf Basis einer intensiven Einzelanalyse
erfordern. In diesen Fällen sollten alternative technische Lösungen geprüft werden,
die ein strukturkonformes Handeln innerhalb der Standardtypen ermöglichen.
Das heißt, dass auch neue Lösungen mit Hilfe der Standardtypen zur Beurteilung
eingeordnet werden sollten. Aus dieser Einordnung in die Standardtypen werden nun
die Organisationseinheiten gebildet. Dienstleister werden zusammengefasst, Aufstellungsvarianten
überprüft. An dieser Stelle wird auf die entwickelten und geprüften
Vorgehensweisen der klassischen Fabrikplanung zurückgegriffen (KETTNER U.A.
1984, AGGTELEKY 1981).
3.2.4 IV. Planungsschritt: Ableitung von Umsetzungsstrategien
Unternehmen scheuen sich in vielen Fällen vor einer radikalen Neustrukturierung
ihrer Produktion in kurzer Zeit, da beispielsweise eine Produktionsunterbrechung
nicht möglich bzw. mit großen Kosten verbunden wäre oder große Investitionsmittel
nicht zur Verfügung stehen. Insbesondere kleine und mittelständische Unternehmen
sehen sich dieser Situation gegenüber. Restrukturierungen unterbleiben, obwohl sie
als notwendig erachtet werden (vgl. Kapitel 1/ IMK 1998).
Aus der Bewertung mit dem Planungsoktogon kann nicht nur ein Planungsergebnis
für die Gesamtfertigungsstruktur abgeleitet werden, sondern es ergibt sich auch
durch die Abweichungsbewertung zusätzlich die Möglichkeit, eine Abschätzung des
Potenzials der einzelnen strukturellen Maßnahmen zu erhalten. Einzelne Maßnahmen
können beurteilt und die Abweichung vom Standardtyp und der Ist-Situation
transparent dargestellt werden. Betriebsmittel, die einem Standardtyp in allen Kriterien
entsprechen und gleichzeitig bisher diesem Typ nicht zugeordnet sind, sollten
sofort umstrukturiert werden, da dort ein großes Potenzial erwartet wird. Negative
Auswirkungen sind nicht zu erwarten.
2-10

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Hirschberg, A., Broser, W.: Wandlungsfähige Produktionsstrukturen
x
4
3
4
2
1
Rohrbiegerei München
2
2
1
1
1
MATVAR
Werk Penzberg
Rohrbiegerei aus München Betroffene Bereiche
Rohrbiegerei Penzberg Nicht betroffene Bereiche
Schlafliegenfertigung Wege
Reihenfolge der Umzugsschritte
Bild 7: Integration einer neuen Rohrbiegerei in die Penzberger Fertigung
4 Umsetzung
4.1 Anwendungsbeispiel: Integration einer neuen Fertigungseinheit
in die Produktion MAN Nutzfahrzeuge AG, Werk Penzberg
Die Firma MAN Nutzfahrzeuge AG produziert am Standort Penzberg ein großes Teilespektrum
an Blechteilen für LKWs und Busse für das Stammwerk in München in
mittleren bis kleinen Stückzahlen. Einzelne Teile werden zu kleinen Baugruppen
montiert. Die Produktion teilt sich daher in die Einzelteil- und die Gruppierungsfertigung,
die Einzelteile z.B. zu Baugruppen verschweißt, auf. Dazwischen befindet sich
ein großes Zwischenlager. Aufgrund der gewachsenen Produktion und der traditionellen
Werkstattfertigung gibt es lange Transportwege, hohe Durchlaufzeiten und
geringe Transparenz in der Fertigung. Daher sollten im Zuge des anstehenden Umzugs
der Kostenstelle Rohrbiegen inkl. Löten und Nachbearbeitung von München
nach Penzberg die alten Strukturen optimiert werden. In einem Vorgängerprojekt
wurde bereits das Kerninsel-Dienstleisterkonzept bei der MAN Penzberg für einen
kleineren Fertigungsbereich realisiert. Da es sich dort in einjährigem Einsatz bewährt
hatte, sollte es bei diesem Projekt bei allen betroffenen Fertigungsbereichen angewendet
werden.
2-11

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Hirschberg, A., Broser, W.: Wandlungsfähige Produktionsstrukturen
Bisher: Neu:
Sägen
Waschen Ausblasen
Arbeiten in der Rohrbiegerei
Entgraten
(Auf Gärung)
sägen
Wulsten
Schweißen
Pulverbe-
schichten
Waschen
Heften
Schweißen
Lackieren
Biegen
Auf Maß
sägen
Entgraten
Wulsten,
sicken, bohren
Raus: Lager /
ans Band /
E-Lager
Waschen
Schweißen
Lackieren
Sägen
Waschen Ausblasen
Arbeiten in der Rohrbiegerei
Entgraten
(Auf Gärung)
sägen
Wulsten
Schweißen
Pulverbe-
schichten
Waschen
Heften
Schweißen
Lackieren
Rohrbiegerei Extern
Biegen
Auf Maß
sägen
Entgraten
Wulsten,
sicken, bohren
Raus: Lager /
ans Band /
E-Lager
MATVAR
Waschen
Schweißen
Lackieren
Bild 8: Abstrahierter Gesamtmaterialfluss durch die Rohrbiegerei alt - neu: Integration
von Arbeitsschritten in die neue Kerninsel
Durch die Vielzahl der Varianten, die große Zahl an Maschinen und Arbeitsplätzen
und gebäudebedingte Restriktionen bzw. teilweise ortsunflexiblen Produktionsbereichen
war die Erstellung eines Umstrukturierungskonzeptes eine komplexe Aufgabenstellung.
Diese erforderte die systematische Vorgehensweise der neuen Methode,
welche die Umstellung von Werkstattfertigung zu produktorientierter Fertigung
trotz teilweise unteilbaren oder unversetzbaren Maschinen ermöglichte. Ferner
mussten die Entscheidungen über die Zuordnung jeder Maschine zur Fertigungsinsel
oder der Definition als Dienstleister nachvollziehbar und in der Menge beherrschbar
sein.
Das Kerninsel-Dienstleisterkonzept wurde in diesem Projekt bei zwei Fertigungsgruppen
angewendet. Zum einen bei der zu integrierenden Kostenstelle der Rohrbiegerei
zum anderen bei der bereits in Penzberg vorhandenen Schlafliegenfertigung.
2-12

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Hirschberg, A., Broser, W.: Wandlungsfähige Produktionsstrukturen
MATVAR
Arbeitsschritte: Alt: Neu: Strukturgründe in Penzberg
Lagerung Extern Intern Lagererweiterung für neue Rohrdurchmesser
Sägen Extern Intern Auslastung des Sägezentrums & neue Säge
Entgraten (Ablängen) Intern & extern Intern Integration des Arbeitschritts in die Sägen
Ausblasen Extern Intern Integration des Arbeitschritts in die Sägen
Waschen Extern Extern Unteilbare Kapazität, Kapazitätsbedarf vieler Kostenstellen
Biegen Intern Intern Kernkompetenz
Auf Maß / Gärung sägen Intern Intern Kernkompetenz
Entgraten (Sägen a. Maß) Intern Intern Kernkompetenz
Wulsten, sicken bohren Intern & extern Intern Integration der Arbeitschritte in die Kerninsel
Handschweißen Intern & extern Intern Integration der Arbeitschritte in die Kerninsel
Roboterschweißen Extern Extern Keine wirtschaftliche Auslastung der Anlage möglich
Heften Intern & extern Intern Integration der Arbeitschritte in die Kerninsel
Grundieren Extern Extern Unteilbare Kapazität, Kapazitätsbedarf vieler Kostenstellen
Pulverbeschichten Extern Extern Unteilbare Kapazität, nur bei MAN-München vorhanden
Lackieren Extern Extern Unteilbare Kapazität, nur bei MAN-München vorhanden
Intern = In der
Rohrbiegerei
Extern = In einer anderen Kostenstelle oder bei
einem externen Dienstleister
In In Penzberg sind sind Rohrlager, Sägerei, Biegen und und NachNachbearbeitung zu zu einer einer Kerninsel zusammengefasst.
Verbleibende Maschinen werden als als Dienstleister
der der Kerninsel zugeordnet.
Bild 9: Zuordnung der einzelnen Fertigungsschritte zum neuen Kerninsel-
Dienstleisterkonzept
Die Ansiedlung der neuen Produktionsmittel und des Lagers für das benötigte Material
in der Nähe der schon existierenden Rohrfertigung wurde realisiert. Das Konzept
wurde wie folgt bei der Integration der Kostenstelle berücksichtigt. Zuerst wurden alle
Arbeitsvorgänge, die bisher in anderen Kostenstellen angesiedelt waren, auf Integrationsfähigkeit
in die Kostenstelle überprüft und soweit möglich in der Kostenstelle als
Insel zusammengefasst (Bild 8 und Bild 9). Die verbleibenden Arbeitsschritte, die
aufgrund von unteilbaren Kapazitäten oder dem Nichtvorhandensein von Anlagen an
diesem Standort nicht in die Insel aufgenommen wurden, wurden als Dienstleister
der Insel zugeordnet. Das Sägen und die anderen vorgelagerten Arbeitsschritte wurden
ebenso wie Schweißen, Sicken und Wulsten der neuen Rohrbiegeinsel zugeordnet.
Die Arbeitsschritte Waschen und Grundieren können nur an der einzigen in
Penzberg vorhandenen Anlage durchgeführt werden. Die Arbeitsschritte Pulverbeschichten
und Lackieren können dagegen nur in München oder bei externen Firmen
durchgeführt werden, da die benötigten Anlagen nicht in Penzberg vorhanden sind
und der in Penzberg anfallende Kapazitätsbedarf nicht die Auslastung einer eigenen
Anlage ermöglicht. Für die integrierbaren Arbeitsschritte wurden die bisher benötigten
Kapazitäten auf den jeweils erforderlichen Anlagen ermittelt. Das Roboterschweißen
in München in einer anderen Kostenstelle kann auch in Penzberg nicht
2-13

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Hirschberg, A., Broser, W.: Wandlungsfähige Produktionsstrukturen
MATVAR
wirtschaftlich in die Kerninsel nach dem Umzug integriert werden. Daher wird diese
Arbeit an die Automatenschweißerei in Penzberg vergeben. Diese fungiert daher
auch als Dienstleister für die neue Kerninsel Rohrbiegen. Das Heften und das Handschweißen
der Rohrbiegerei und einer anderen Kostenstelle in München werden in
der neuen Kerninsel vereinigt. Eine gründliche Prüfung von benötigter Kapazität und
Anlagenpotenzial wurde für Schweissen, Heften, Sicken, Wulsten etc. durchgeführt.
Es stellte sich heraus, dass Synergien genutzt und Optimierungen durchgeführt werden
konnten.
Für die in Penzberg gelegenen Dienstleister wurde die durch die Integration der
Kostenstelle hinzukommende Auslastung ermittelt und mit der Kapazität der Anlagen
abgeglichen. Für die nur bei der MAN München vorhandenen Anlagen ändert sich
die durch diese Kostenstelle bedingte Auslastung nicht. Bei der Steuerung der Arbeitsvorgänge
ist allerdings zu berücksichtigen, dass der Transport von Penzberg
nach München innerhalb der Prozesskette dazukommt.
2-14

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Hirschberg, A., Broser, W.: Wandlungsfähige Produktionsstrukturen
Werk Penzberg Grundierung Waschanlage
Roboterschweissen
Werk München: Pulverbeschichten und Lackieren
Richtpressen Sandstrahlen
MATVAR
Kerninsel 1: Rohrbiegerei aus München Betroffene Bereiche
Kerninsel 2: Rohrbiegerei Penzberg Nicht betroffene Bereiche
Kerninsel 3: Schlafliegenfertigung Wege
Dienstleister Kerninsel aus 1. Projekt
Bild 10: Neues Layout nach Integration der Rohrbiegerei und dem Bilden von
Kerninseln und Dienstleistern
4.2 Schlafliegenfertigung
Ein weiteres Beispiel einer Kerninsel-Dienstleisterstruktur ist die Schlafliegenfertigung.
Folgende Arbeitsfolge ist dabei zu beachten: Zusägen der Rahmenteile, Fließbohren
in die Rahmenteile, Verschweißen der Rahmenteile zu einem Rahmen, Lackieren,
Bespannen und Polstern des Rahmen. Bisher wurde jeder Arbeitsschritt
dem Werkstattprinzip entsprechend in räumlich getrennten Kostenstellen durchgeführt.
Im Zuge der Integration der Rohrbiegerei wurde eine Zusammenlegung mehrerer
Arbeitschritte zu einer Inselfertigung vorgeschlagen. Lediglich das Sägen und Lackieren
sind aufgrund der Unversetzbarkeit dieser Anlagen als Dienstleister in den
Fertigungsfluss zu integrieren. Zusammengelegt wurden das Fließbohren in die
Rahmenteile und das Verschweißen der Rahmenteile. Ferner wurde die Schlafliegenbespannung
versetzt, so dass sie neben den Aufzug zur Polsterung der Schlafliegen
aufgestellt wurde. Das Zusammenfassen aller Fertigungsschritte in einem Bereich
ist aufgrund der engen räumlichen Verhältnisse nicht möglich. Durch eine mögliche
Verlagerung der Montage einer Baugruppe in das Ausland, kann in Zukunft eine
Halle vom Werksgelände von MAN Penzberg frei werden, in der die Schaffung dieser
großen Fertigungs- und Montageinsel angedacht ist. Das Sägen und Grundieren als
unteilbare Kapazitäten würden diese Insel als Dienstleiter mit Zuschnitten versorgen
und die geschweißten Rahmen beschichten.
2-15

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Hirschberg, A., Broser, W.: Wandlungsfähige Produktionsstrukturen
7.00
7.30
8.00
8.30
9.00
9.30
10.00
10.30
11.00
11.30
12.00
13.00
13.30
14.00
14.30
15.00
15.30
16.00
16.30
17.00
100%
1. Produktgruppe Fixtermin
100%
2. Produktgruppe Fixtermin
100%
Option
100%
1. Produktgruppe Fixtermin
100%
3. Produktgruppe-Optional
100%
Option
100%
3. Produktgruppe-Fixtermin
100%
2. Produktgruppe - Optional
Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag
Bild 9: Graphik der Zeitrastertafel zur Produktionssteuerung
4.3 Produktionssteuerung für Dienstleister
100%
Option
150%
Service
100%
50%
Option
100%
100%
MATVAR
Heterogene Strukturen, wie sie hier im Kerninsel-Dienstleisterkonzept vorgeschlagen
und geplant werden, erfordern neben einem Instrument zum ständigen Strukturmonitoring
auch ein System zur Steuerung zentraler Ressourcen durch dezentrale Einheiten.
Das vorzustellende Konzept basiert auf einer zeitgerasterten Plantafel. Die
Methode der angepassten, zeitgerasterten Plantafel soll die Lücke zwischen einfachen
Prioritätsregeln und EDV-gestützten Planungssystemen schließen, um den
Kerninseln die Möglichkeit zu geben, einfach und schnell Aufträge bei den unterschiedlichen
Dienstleistern einlasten zu können.
Mit dieser zur Feinterminierung herangezogenen Steuerung wird versucht, ein fest
vorgegebenes Kapazitätsangebot in der Ressource Dienstleister anhand einer Zeitrasterung
über einen festgelegten Zeitraum zur Auftragseinlastung für die Kerninseln
zur Verfügung zu stellen. Die Zeitrasterung bedient sich einer rollierenden Planung,
die einen kontinuierlichen Dispositionshorizont vorgibt. Die Zeitrasterung wird auf
einer Tafel visualisiert und im Werkbereich, idealerweise am Dienstleistungsbereich,
aufgestellt. Somit ist eine ständige Kontrolle und einfache Belegung durch die Mitarbeiter
möglich.
Eine Belegung erfolgt grundsätzlich durch die Kerninselmitarbeiter (Kunden) mittels
Anstecken einer Belegungskarte zum vorgesehenen Einlastungstermin eines Auftrages
in die Zeitrastertafel des Dienstleisters. Auf dieser Belegungskarte ist die Auf-
1. Produktgruppe Fixtermin
2. Produktgruppe Fixtermin
3. Produktgruppe-Optional
100%
Option
2-16

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Hirschberg, A., Broser, W.: Wandlungsfähige Produktionsstrukturen
MATVAR
tragsnummer und die Belegungszeit für den Auftrag angegeben. Dem jeweiligen
Disponenten der Kerninsel stehen aufgrund der Übersicht über Kapazitätsangebot
und Ressourcenauslastung sowie den noch offenstehenden Bearbeitungszeiträumen
Entscheidungshilfen zur Verfügung, um eine optimale Belegung sicherstellen zu
können.
Es sind verschiedene Staffelungen der Terminraster möglich, die unterschiedlich früh
durch die Kunden (Kerninseln) belegt werden dürfen. Diese Maßnahme gewährleistet
eine gleichmäßige Auslastung des Dienstleisters. Verschiedene Terminraster
können auch einer Kerninsel fest zugeordnet werden, was dieser Kerninsel auch
kurzfristige Belegungsmöglichkeiten eröffnet. Diese Variante ist insbesondere dann
zu wählen, wenn sich die Vorlaufzeiten der Kerninseln maßgeblich unterscheiden. Im
Allgemeinen kann jedoch von einer recht frühzeitigen Belegung durch das Kerninselpersonal
ausgegangen werden, da bereits aus der Erfahrung der Werker bei Beginn
der Auftragsbearbeitung abzusehen ist, zu welchem Zeitpunkt die Nutzung der
Dienstleister erfolgen muss, um dem Endkundentermin gerecht zu werden. Die Werker
berücksichtigen hierbei die Auslastung der Kerninsel, die Anwesenheit der Kollegen,
die Motivation und vieles mehr, insbesondere auch Dinge, die in einer zentralen
Planung nicht oder nur aufwendig erfasst werden können.
Als Anwendungsbeispiel wird an dieser Stelle auf den Beitrag der Firma Leicher verwiesen,
bei der dieses Hilfsmittel zur Auftragssteuerung erfolgreich eingesetzt wird.
5 Zusammenfassung
In den letzten Jahren berichteten viele Autoren von großen Erfolgen durch die Verbindung
von Gruppenarbeit und Produktorientierung. Eine große Zahl an Konzepten
im Bereich der Produktorientierung war die Folge. Die vorliegenden Strukturkonzepte
für die Fertigung sind aber zumeist streng produktorientiert. Die strenge Produktorientierung
konnte jedoch in vielen Produktionsunternehmen aufgrund der vorhandenen
Betriebsmittel bzw. des schnell wechselnden Auftragsspektrums nicht eingeführt
werden. Die schnelle Veränderung des Umfeldes steht der Einführung produktorientierter
Strukturen diametral entgegen.
Verschiedene Ansätze wurden erarbeitet, die kurzfristige, auftragsorientierte Strukturen
erlauben. In diesen Ansätzen wird aber auf die Vorteile der Gruppenarbeit in
weiten Teilen verzichtet. Die Kurzfristigkeit der Strukturen und der Verbindung zu
bestimmten Produktgruppen kann eine Gruppendynamik nicht ausreichend aufkommen
lassen. Neueste Arbeiten weisen darauf hin, dass die optimale Fertigungsstruktur
eine Kombination aus Produkt- und Funktionsorientierung sein muss und so
die spezifischen Merkmale des Unternehmens am besten unterstützt werden können.
2-17

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Hirschberg, A., Broser, W.: Wandlungsfähige Produktionsstrukturen
MATVAR
Die vorliegenden Strukturplanungsverfahren sind bisher entweder zur Planung funktionsorientierter-
oder produktorientierter Strukturen erarbeitet worden. Die eigentliche
Entscheidung über eine Strukturausrichtung muss schon vor der Anwendung
dieser Methoden gefällt sein.
Aber nicht nur die Methoden der einmaligen Planung stellen sich noch lückenhaft
dar, sondern auch die Ansätze zur Weiterentwicklung der Strukturen. Die Anwendbarkeit
der Methoden zur Planung in der Betriebsphase der Strukturen wurde bisher
nur in wenigen Ansätzen untersucht. Die Weiterentwicklung wird in der Mehrzahl der
Arbeiten entweder den Kräften der Selbstorganisation oder den klassischen Controllingmaßnahmen
überlassen. Es lassen sich somit drei Handlungsfelder identifizieren:
• die Verbindung der Vorteile von prozess- und funktionsorientierten Strukturen,
• die Ergebnisneutralität der Planungsverfahren und
• die Konzeption eines Strukturmonitoringinstrumentes.
In diesem Beitrag wurde das Kerninsel-Dienstleisterkonzept, eine Verbindung aus
Funktions- und Produktorientierung beschrieben. Die Funktionsorientierung spiegelt
sich in den Einheiten der Dienstleister wider, die Prozessorientierung in den Kerninseleinheiten.
Um eine derartige hybride Fertigungsstruktur zu planen, wurde eine neuartige Planungsvorgehensweise
vorgeschlagen. Dieses Planungskonzept kann die komplexe
Aufgabe der Einordnung der Betriebsmittel in die Fertigungsstruktur durch die Nutzung
eines spezifischen Verfahrens auf der Basis von Polaritätsprofilen zur Visualisierung
und Bewertung sowie den Mustervergleich effizient lösen.
Aus der vorgestellten Vorgehensweise kann nicht nur der Zielzustand der Fertigungsstruktur
abgeleitet, sondern auch die Einzelmaßnahmen priorisiert werden, um
eine Umsetzungsstrategie erarbeiten zu können. Zur Abrundung des Strukturkonzeptes
und dessen Betrieb wurde ein Steuerungskonzept für Dienstleister auf der
Basis einer zeitgerasterten Plantafel vorgestellt.
Das Gesamtkonzept zeigt Wege auf, wie ein Produktionsunternehmen in der Fertigung
eine kombinierte Struktur aus produkt- und funktionsorientierten Bereichen planen,
aufbauen, aber auch betreiben und überwachen kann. Es eröffnen sich durch
die Kombination von Produkt- und Funktionsorientierung Möglichkeiten, dynamisch,
sich anpassende, aber trotzdem unternehmensspezifische Strukturen zu planen und
diese mit Hilfe des Monitoringinstruments zu überwachen. Die Wandlungsfähigkeit
der Fertigungsstrukturen rückt in greifbare Nähe.
2-18

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Hirschberg, A., Broser, W.: Wandlungsfähige Produktionsstrukturen
6 Literatur
AGGTELEKY 1981
MATVAR
Aggteleky, B.: Fabrikplanung - Werksentwicklung und Betriebsrationalisierung.
Band1: Grundlagen, Zielplanung, Vorarbeiten. München: Carl
Hanser, 1981.
BURBIDGE 1994
Burbidge, J. L. ; Halsall, J.: Group Technology an growth at Shalibane.
Production Planning & Control (1994) Vol. 5 No. 2 S. 213-218.
DAENZER 1989
Daenzer, W. F.: Systems Engineering. 6. Aufl. Zürich: Industrielle Organisation,
1989.
DECKER 1995
Decker, F.: Methoden der Auftragsteuerung in produktorientierten Fertigungsstrukturen.
In: Reinhart, G.; Milberg, J.: Leittechnik und Informationslogistik
- Mehr Transparenz in der Fertigung. München: Herbert Utz
Verlag Wissenschaft 1995, S. 29-49. (iwb-Seminarberichte 19).
GERLACH U.A. 1996
Gerlach, H.-H.; Bissel, D.; Kühling, M.: Virtuelle Fertigungsinseln. Industrie
management 12 (1996) 3, S. 21 - 24.
GRONAU & BRINKMANN 1996
Gronau, N.; Brinkmann, N.: Produktionsplanung und Steuerung einer
Fertigungsinsel für Verschleißteile. Industrie Management 12 (1996) 3, S.
34- 38.
IMK 1998
IMK: Wie Unternehmen erfolgreich reorganisieren - Die Bewertung von
teamorientierten Arbeitsstrukturen aus Expertensicht. Berichtsband Institut
für Medienentwicklung und Kommunikation, Frankfurt 1998.
Kath 1994
Kath, H.: Horizontale Abstimmung dezentraler Leitstandsysteme. Bochum:
Dissertation Univ., 1994. (Schriftenreihe des Lehrstuhl für Produktionssysteme
Nr. 93.1).
2-19

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Hirschberg, A., Broser, W.: Wandlungsfähige Produktionsstrukturen
KETTNER U.A. 1984
MATVAR
Kettner, H.; Schmidt, J.; Greim, H.-R.: Leitfaden der systematischen Fabrikplanung.
München: Carl Hanser, 1984.
LAY U.A. 1997
Lay, G.; Kinkel, S.; Mies, C..: Alle reden – Wenige handeln. In: Lay, G.,
Mies, C. (Hrsg.): Erfolgreich reorganisieren. Berlin: Springer 1997, S. 3 –
11.
LULAY & DECKER 1996
Lulay, W.; Decker, F.: Im Dialog optimierte Planung. Schweizer Maschinenmarkt
(1996) 37, S. 28-33.
LUTZ U.A. 1996
Lutz, B.; Hartmann, M.; Hirsch-Kreinsen, H.: Produzieren im
21.Jahrhundert,. Frankfurt: Campus, 1996.
OPITZ 1966
Opitz, H.: Werkstückbeschreibendes Klassifizierungssystem. Essen: Girardet,
1966.
REINHART U.A. 1999
Reinhart, G.; Dürrschmidt, S.; Hirschberg, A.; Selke, C.: Wandel - Bedrohung
oder Chance? Sollen Unternehmen Turbulenz vermeiden oder beherrschen.
io-management 68 (1999) 5, S. 20–24.
TÖNSHOFF & GLÖCKNER 1994
Tönshoff, H. K.; Glöckner, M.: Logische Fertigungsinseln - Ein alternatives
Konzept für Einzel- und Kleinserienfertiger. ZWF 89 (1994) 12, S.
607-609.
TÖNSHOFF U.A. 1995
Tönshoff, H. K; Rotzoll, M. A.; Verweij, M. J.; Schröder, A.: Benchmarking
von Fertigungsstrukturen. ZWF 90 (1995) 11, S. 548 – 550.
Wildemann 1993
Wildemann, H.: Fertigungsstrategien. München: TCW-Transfer-Centrum
GmbH, 1993.
2-20

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Leicher, M.: Realisierung flexibler Verkettungen von Fertigungsinseln
MATVAR
5HDOLVLHUXQJ IOH[LEOHU 9HUNHWWXQJHQ
YRQ )HUWLJXQJVLQVHOQ LP 6LQQH NXU
]HU :HJH XQG VFKQHOOHU 5HDNWLRQV
]HLWHQ
'LSO ,QJ 'LSO :LUWVFK ,QJ 0DUNXV /HLFKHU
*HVFKlIWVOHLWXQJVDVVLVWHQW
/HLFKHU *PE+ &R
)HULQJDVWU
8QWHUI|KULQJ
3-1

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Leicher, M.: Realisierung flexibler Verkettungen von Fertigungsinseln
1 Ziel des Vorhabens
Bild 1: Unternehmensgruppe Leicher
MATVAR
Spezifisches Ziel ist die flexible Verkettung der existierenden Fertigungsinseln im
Sinne kurzer Wege und schneller Reaktionszeiten durch die Verbindung von zentral
und dezentral gesteuertem Materialfluss. Die Kombination aus zentraler und dezentraler
Inselversorgung soll eine optimale Auslastung der vorhandenen Ressourcen
(Personal und MF-Kapazität) ermöglichen und durch geeignete Steuerungsmechanismen
unterstützt werden. Die Gesamtdurchlaufzeit bezogen auf die Fertigungsinseln
soll dabei wesentlich verkürzt sowie die Bestände und Fehlerkosten deutlich
gesenkt werden. Das bestehende Inselkonzept soll dafür so weiterentwickelt werden,
dass ortsfeste Maschinen und Anlagen mit Hilfe organisatorischer und technischer
Maßnahmen eingebunden werden können.
Im ersten Projektteil wurde dazu beispielhaft eine geeignete Steuerungsstrategie für
eine vorhandene Lackieranlage entwickelt, die in drei bereits bestehende Fertigungsinseln
eingegliedert werden soll.
Im zweiten Teil wurde eine dezentrale Feinsteuerung entwickelt, die sich an der Veränderung
der tatsächlichen Umlaufbestände vor Ort orientiert und berücksichtigt,
dass in der Praxis ständig wechselnde Engpässe oft auch überraschend auftreten
können.
3-2

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Leicher, M.: Realisierung flexibler Verkettungen von Fertigungsinseln
Vorfertigung
Produktgruppe 1
Produktgruppe 2
Produktgruppe 3
Engineering
Engineering
Sonstige
Bestellwesen
Bestellwesen
Planung
Vorbereitung
Vorbereitung
Endkontrolle
Produktion Endkontrolle
Bild 2: Fertigungsinselorganisation Werk Unterföhring
Lack
Verpacken
Auslieferung
Auslieferung
MATVAR
Die Steuerungen sollen das Wissen und die Erfahrung der Mitarbeiter vor Ort mit
einbeziehen und die steuerungsrelevanten Größen für die Gruppe transparent machen.
Das Konzept steht im Gegensatz zur Funktionsweise herkömmlicher PPS-Systeme,
die unvorhersehbare Ereignisse vor Ort nicht in ausreichender Schnelligkeit berücksichtigen
können.
2 Beschreibung des Testumfeldes
Die Produktion im Werk Unterföhring ist eine Einzelfertigung (selten Kleinserien) mit
hoher Variantenzahl und hoher Fertigungstiefe. Die Fertigung ist charakterisiert
durch einen hohen Anteil an Montagetätigkeiten, der Automatisierungsgrad ist vergleichsweise
gering. Die ehemals funktionale Ausrichtung der Fertigung wurde 1996
durch ein produkt-/teilebezogenes Fertigungsinselkonzept ersetzt, das neben einer
umfangreichen Maschinenumstellung die Einführung der Gruppenarbeit nach sich
zog. Gruppenarbeit bei Leicher beinhaltet neben der Integration der indirekten Tätigkeiten
und der Mehrfachqualifikation insbesondere die Verlagerung der Termin- und
Zeitverantwortung in die Gruppen. Das PPS-System dient lediglich zur Grobplanung,
die Feinsteuerung wird weitgehend von den Gruppen selbst vorgenommen. Dies
3-3

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Leicher, M.: Realisierung flexibler Verkettungen von Fertigungsinseln
MATVAR
setzt eine hohe Transparenz voraus, die u.a. durch den Einsatz visueller Managementmethoden
sichergestellt wird.
Bild 2 zeigt die vier Fertigungsinseln im Werk Unterföhring. Bis auf die Vorfertigung
durchlaufen alle anderen Fertigungsinseln eine Lackiererei. Die Vorfertigung versorgt
die übrigen Inseln mit Halbfertigteilen. Die Inseln zeichnen sich durch die Integration
sämtlicher Funktionen aus, die zur kompletten Abwicklung des Produktes ab der
technischen Klärung bis zur Auslieferung ausgeführt werden müssen. Dazu zählen
insbesondere auch die Funktionen Planen, Bestellabrufe direkt beim Lieferanten und
Verpacken.
3 Konzeption „Zugriffssteuerung Lackieranlage“
Das bestehende Fertigungsinselkonzept wurde dahingehend erweitert, dass ortsfeste
Maschinen und Anlagen mit Hilfe organisatorischer und technischer Maßnahmen
eingebunden werden können. Dazu wurde exemplarisch eine Steuerungsstrategie
für eine vorhandene Lackieranlage entwickelt.
3.1 Ausgangssituation
In den Fertigungsinseln werden aus gegebenem Ausgangsmaterial Produktteile oder
Endprodukte möglichst vollständig gefertigt. Die notwendigen Betriebsmittel sind
räumlich und organisatorisch in den Fertigungsinseln zusammengefasst.
Ausnahmen bilden Maschinen bzw. Anlagen, die aufgrund von technischen, wirtschaftlichen
oder arbeitsschutzrechtlichen Gründen ortsgebunden sind, wie z.B. Lackieranlagen.
Für derartige Anlagen fehlen bisher integrative flexible Konzepte, die
den sich dynamisch ändernden Anforderungen aufgrund kürzerer Produktlebenszyklen
und hoher Variantenvielfalt bei kleiner werdenden Losgrössen standhalten.
Dadurch existieren in den meisten Fällen immer noch Schnittstellen zu abhängigen
Fertigungseinheiten, die zum einen den Materialfluss behindern und zum anderen
einer angestrebten Kongruenz zwischen Verantwortung und Beeinflussbarkeit der
Gruppenleistung innerhalb der Inseln im Wege stehen.
Im konkreten Fall war, bedingt durch die oben genannten Probleme, der Informationsfluss
zwischen den Fertigungsinseln und der Lackiererei unzureichend. Der
Zugriff erfolgte weitgehend ungesteuert, Engpässe bzw. Unterlasten wurden zu spät
erkannt. Daraus resultierten vor der Lackiererei häufige Auftragsstaus, die nicht nur
die Gesamtdurchlaufzeit stark erhöhten, sondern auch zu hohen Effizienzverlusten
durch Suchen, Umtransporte und Zwischenlagerungen führten sowie einen hohen
Koordinationsaufwand von außen verursachten. Die Komplexität vor der Lackiererei
war zeitweise so hoch, dass trotz des hohen Koordinationsaufwandes von außen die
vor- und nachgelagerten Fertigungsinselkapazitäten falsch eingesetzt wurden.
3-4

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Leicher, M.: Realisierung flexibler Verkettungen von Fertigungsinseln
3.2 Beschreibung der Steuerungsstrategie
MATVAR
Zentrales Anliegen war die Entwicklung einer möglichst „offenen“ Steuerung, die die
Vorteile einer inselstrukturierten Fertigung weitestgehend unterstützt.
Durch den gemeinsamen Zugriff mehrerer Fertigungsinseln auf eine Ressource waren
unterschiedliche Aufgaben und Ziele durch die Steuerung in Einklang zu bringen:
• Hohe Termintreue
• Kurze Durchlaufzeiten
• Hohe Reaktionsgeschwindigkeit auf Änderungen
• Vermeidung von Kapazitätsüberlastungen
• Weitgehende Selbststeuerung durch die Inseln
• Hohe Transparenz und Übersichtlichkeit
Die Situationsanalyse bezüglich Fertigungsinselstrukturen weist einen hohen Dispositionsspielraum
sowie eine weitgehende Selbststeuerung und Planung der Produktionsprozesse
durch die Inselmitarbeiter als charakteristische Ausprägung für diese
Form der Fertigung aus.
Uhrzeit
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
MF-FIX
GEA-FIX
Option
MF-FIX
TT-Option
Option
TT-Fix
GEA-Option
Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag
Bild 3: Zeitrastertafel Lackiererei
Option
Service
MF-Fix
Option
GEA-Fix
MF-Option
Option
3-5

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Leicher, M.: Realisierung flexibler Verkettungen von Fertigungsinseln
MATVAR
Eine durchgeführte Eignungsuntersuchung verschiedener Steuerungsvarianten zur
feinplanerischen Auftragseinsteuerung ergab, dass im Rahmen vorgegebener Prämissen
und der speziellen Situation der auftragsorientierten Fertigung der Einsatz
einer zentralen Steuerung oder einer dezentralen Steuerung mit Hilfe von Prioritätsregeln
zu keinen optimalen Ergebnissen führen würde.
Stattdessen wurde die verfügbare Wochenkapazität der Lackiererei auf einer Karten-
Stecktafel abgebildet und mit einem Zeitraster versehen (Bild 3). Jeder Fertigungsinsel
wurden darin vorab fixe Time-Slots entsprechend ihres bisherigen Kapazitätsbedarfes
reserviert. Die restliche Kapazität wurde in optionale Slots aufgeteilt, die jederzeit
auf first come-first serve-Basis reserviert werden können. Die Kapazitäsbelegung
erfolgt durch die Fertigungsmitarbeiter selbst mit Hilfe von zweifarbigen Wendeplättchen,
die im Halbstundenraster gestückelt wurden. Bei Auftragsfreigabe erhält
jede Gruppe ein separates Auftragskärtchen mit der geplanten Lackierzeit. Die
Gruppe bestimmt nun entsprechend ihrer eigenen Planung den Zeitpunkt der Bereitstellung
vor der Lackiererei, belegt diesen mit der Auftragskarte und wendet die entsprechenden
Kapazitätsplättchen auf der Rastertafel.
3.3 Auswirkungen der Steuerung
Die gesamtheitliche Konzeption und Integration des Systems „Zeitrasterung“ in den
Fertigungsablauf ohne zusätzliche Schnittstelle ergibt eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit
der Steuerung.
Es wird nicht nur eine hervorragende Transparenz über die aktuelle Auftragssituation
vor der Lackiererei geschaffen, sondern auch gleichzeitig die zu bearbeitende Auftragsreihenfolge
eindeutig festgelegt. Engpässe werden rechtzeitig erkannt und können
gemeinsamen mit den Prozessverantwortlichen abgestimmt werden. Unvorhergesehene
Ereignisse in den vorgelagerten Prozessen können von der Gruppe
ebenfalls umgehend berücksichtigt werden.
Im Hinblick auf die Reaktionsfähigkeit konnte eine Verbesserung der Gesamtdurchlaufzeit
bei allen Fertigungsinseln festgestellt werden, die in der Reduzierung der
Liegezeiten, der besseren Kooperation zwischen den Inseln und Ressource und der
klaren Auftragsvergabe liegt. Während beispielsweise 1995 nur 30% aller Geldeinzahlungsautomaten
und nur 20% aller Schliessfachanlagen innerhalb 2 bzw. 4 Kalenderwochen
gefertigt und verpackt werden konnten, waren es 1998 bereits jeweils
knapp 90% aller Aufträge (Bild 4). Im Zuge der verbesserten Reaktionsfähigkeit
konnte gleichzeitig die tagesgenaue Liefertreue auf einen Wert über 95% gesteigert
werden.
3-6

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Leicher, M.: Realisierung flexibler Verkettungen von Fertigungsinseln
rel.Häufigkeit (Balken)
rel.Häufigkeit (Balken)
PG: Geldeinzahlungsautomaten PG: Schliessfachanlagen
1995
1995
50,00%
40,00%
30,00%
20,00%
10,00%
0,00%
50,00%
40,00%
30,00%
20,00%
10,00%
0,00%
7 14 21 28 35 42 49 56 63 70
1998
7 14 21 28 35 42 49 56 63 70
Klassen in Kalendertagen
110,00%
100,00%
90,00%
80,00%
70,00%
60,00%
50,00%
40,00%
30,00%
20,00%
10,00%
0,00%
kum. Häufigkeit (Linie)
110,00%
100,00%
90,00%
80,00%
70,00%
60,00%
50,00%
40,00%
30,00%
20,00%
10,00%
0,00%
kum. Häufigkeit (Linie)
rel.Häufigkeit (Balken)
rel.Häufigkeit (Balken)
50,00%
40,00%
30,00%
20,00%
10,00%
0,00%
50,00%
40,00%
30,00%
20,00%
10,00%
0,00%
7 14 21 28 35 42 49 56 63 70
1998
7 14 21 28 35 42 49 56 63 70
Klassen in Kalendertagen
MATVAR
110,00%
100,00%
90,00%
80,00%
70,00%
60,00%
50,00%
40,00%
30,00%
20,00%
10,00%
0,00%
110,00%
100,00%
90,00%
80,00%
70,00%
60,00%
50,00%
40,00%
30,00%
20,00%
10,00%
0,00%
Bild 4: Veränderung der Durchlaufzeiten je Produktgruppe von 1995 bis 1998
Auch die Wirtschaftlichkeit konnte in vielen Bereichen verbessert werden. Durch den
verbesserten Materialfluss konnten die Umlaufbestände vor der Lackierei wie erwartet
gesenkt werden. Die Komplexität in diesem Bereich konnte dadurch wesentlich
reduziert werden und folglich auch der indirekte Aufwand zu deren Bewältigung. Zusätzliche
Effizienzgewinne resultierten auch durch einen optimaleren Arbeitseinsatz
in der Lackierei selbst aufgrund der transparenteren Auslastungssituation in Verbindung
mit dem Einsatz flexibler Arbeitszeitmodelle sowie durch die höhere Motivation
der Mitarbeiter.
4 Konzeption „Umlaufbestandgesteuertes Fertigungssegment“
Im Teil 2 wurde eine Steuerungsstrategie entwickelt, die den Materialfluss direkt über
die Veränderung der tatsächlichen Umlaufbestände vor Ort steuert. Für die Einführung
wurde ein Fertigungssegment ausgewählt, das ein externes Werk und vier
nachgelagerte Montageinseln mit Standard-Halbfertigteilen versorgt.
In dem betreffenden Segment sind räumlich ca. 20 Maschinen vorwiegend zur
spanlosen Blechbearbeitung zusammengefasst. Der Maschinentyp reicht von der
einfachen Ständerbohrmaschine bis zum CNC-Laser. Die Engpässe wechseln je
kum. Häufigkeit (Linie)
kum. Häufigkeit (Linie)
3-7

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Leicher, M.: Realisierung flexibler Verkettungen von Fertigungsinseln
MATVAR
nach Einlastungsspektrum. Die Testgruppe umfasst 11 Mitarbeiter einschließlich
Planer, NC-Programmierung und Prozessverantwortlichen.
4.1 Ausgangssituation
Die Ausgangssituation war durch den Stückkostengedanken gekennzeichnet: Rüstkostenoptimierung
bei hoher Auslastung. Die Steuerung erfolgte nach dem Prinzip
der Rückwärtsterminierung durch ein klassisches PPS-System, das unvorhersehbare
Ereignisse vor Ort nicht in ausreichender Schnelligkeit berücksichtigen konnte. Die
Auftragssituation war für die Gruppe vor Ort wenig transparent. Geeignete Lose wurden
nach rüsttechnischen Gesichtspunkten zusammengefasst. Die Planung wurde
häufig durch Schnellschüsse und sog. Chefaufträge gestört. Angefangene Aufträge
wurden zugunsten der Stückkosten in Zwischenläger gebracht, vor den Maschinen
herrschte Platzmangel. Die Folge waren hohe indirekte Kosten, die vor allem durch
den zwangsläufigen Komplexitätsanstieg in der Produktion verursacht wurden.
4.2 Beschreibung der Steuerungsstrategie
Entscheidend für den Abbau von Belastungsspitzen ist der Durchsatz am Engpass.
Das Problem reduziert sich somit auf das geeignete Engpassmanagement. Der oder
die Engpässe werden zunächst von der Gruppe mit einem „Engpasszeiger“ markiert
(Bild 5 links). Die Laufzeit wird, wenn nötig, entsprechend verlängert. Für häufig auftretende
Engpässe sind Alternativkapazitäten bekannt. Diese können auch in einem
anderen Fertigungsbereich liegen. Die klassische Fertigungsinsel wird damit vorübergehend
bezogen auf den Engpass zu einer logischen Insel erweitert.
Deutliches Warnsignal für einen Engpass sind in erster Linie wachsende Umlaufbestände
vor der betreffenden Maschine, die ständig von den Mitarbeitern optisch oder
mit Hilfe eines Warteschlangenzeigers kontrolliert werden (Bild 5 links).
Überschreitet der Umlaufbestand vor dem Engpass eine kritische Obergrenze (Bild 5
rechts), die im wesentlichen durch den Anstieg der Komplexität vor der Maschine
bestimmt ist, gibt der Mitarbeiter ein Signal. Das Signal bedeutet für die vorgelagerten
Maschinen, nur noch Aufträge zu fertigen, die nicht über den oder die Engpässe
laufen oder anzuhalten, falls keine anderen Aufträge innerhalb eines vereinbarten
Zeitfensters liegen. Die betroffenen Aufträge erkennt jeder Mitarbeiter anhand seiner
Auftragsvorratsliste, die alle notwendigen Informationen für die Feinsteuerung vor Ort
enthält. Das Stop-Signal gilt solange, bis der Umlaufbestand vor der Maschine den
kritischen Bereich wieder verlassen hat.
Der kritische Bereich muss individuell für jede Maschine bestimmt werden. Er wird
nach oben durch die Komplexität bestimmt, die vor der Maschine gerade noch mit
vertretbarem Aufwand zu bewältigen ist (wenig Suchen, Umtransportieren etc.) und
3-8

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Leicher, M.: Realisierung flexibler Verkettungen von Fertigungsinseln
Bild 5: Engpasszeiger mit Umlaufbestandsanzeige
MATVAR
nach unten durch die vorgelagerten Maschinen, die eine ständige Versorgung des
Engpasses ohne Wartezeiten sicherstellen müssen.
Die Bearbeitungsreihenfolge der Aufträge wird in erster Linie nach dem Kriterium
Endtermin gebildet. Rüsttechnische Überlegungen spielen nicht mehr die übergeordnete
Rolle, da eventueller Rüstmehraufwand in vielen Fällen durch die Zeitersparnis
in den indirekten Bereichen (Lager, Transporte, Planung etc.) überkompensiert wird.
4.3 Auswirkungen der Steuerung
Das Konzept hat wie erwartet zu deutlichen Verbesserungen bei allen wichtigen
Leistungsstandards geführt. Es konnten bereits frühzeitig deutliche Produktivitätsgewinne
erzielt werden, die zu Einsparungen vorwiegend bei den indirekten Personalkosten
führten. Die Durchlaufzeiten konnten durch die neue Steuerungsstrategie und
den folgerichtigen Verzicht auf Zwischenläger sowie die Reduzierung der Losgrössen
für 90% aller Aufträge kleiner als 4 Werktage gehalten werden (Bild 6). Der Verzug
konnte entsprechend geringer gehalten werden, was insbesondere auch in den
nachgelagerten Bereichen zu Produktivitätssteigerungen und besserer Arbeitszufriedenheit
geführt hat. Die Umlaufbestände konnten ebenfalls deutlich gesenkt werden.
2 Regalbereiche im Lager konnten abgebaut werden. Die frei gewordene Produktivfläche
kann nun für weitere Ablaufverbesserungen eingesetzt werden.
3-9

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Leicher, M.: Realisierung flexibler Verkettungen von Fertigungsinseln
100,0%
90,0%
80,0%
70,0%
60,0%
50,0%
40,0%
30,0%
20,0%
10,0%
0,0%
3. Quartal 1999
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Kalendertage
Bild 6: Durchlaufzeitverteilung in der Vorfertigung 1999
MATVAR
Ein vorübergehender Einbruch wurde während der Anpassung des PPS-Systems
verzeichnet. Der hohe Schulungsaufwand im Vorfeld hat zunächst nicht ausgereicht
um einen reibungslosen Übergang zu gewährleisten. Die vollständige Übertragung
der Verantwortung auf die einzelnen Gruppenmitgliedern gelang erst nach einer
dreimonatigen Anlaufzeit, in der auch System- und Datenübertragungsfehler behoben
werden mussten. In dieser Zeit musste das Projektteam häufig von außen korrigierend
eingreifen.
Abschließend kann jedoch festgestellt werden, dass der hohe Schulungsaufwand
und die Anlaufschwierigkeiten durch die oben genannten Ergebnisse leicht gerechtfertigt
werden.
5 Ergebnis und Ausblick
Um die gesamte zeitliche Effizienz der gefundenen Lösungen beurteilen zu können,
wurde in 1999 die Entwicklung der Werksproduktivität verfolgt (Bild 7). Da hohe Einzeleffizienzen
nicht zwangsläufig zu einem Gesamtoptimum führen, kann die richtige
Produktivitätsbetrachtung demzufolge also nur die Gesamtproduktivität einschließlich
der indirekten Aufwendungen Lager, innerbetriebliche Transporte und Planung sein.
Leicher ermittelt aus diesen Überlegungen heraus die Produktivitätskennzahlen auf
Werks- und auf Inselebene einschließlich aller indirekten Bereiche als Verhältnis von
100,0%
90,0%
80,0%
70,0%
60,0%
50,0%
40,0%
30,0%
20,0%
10,0%
0,0%
3-10

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Leicher, M.: Realisierung flexibler Verkettungen von Fertigungsinseln
MATVAR
geleisteter Produktivzeit zu gesamter Anwesenheitszeit plus bezahlter Krankheitszeit.
6.000,00
5.750,00
5.500,00
5.250,00
5.000,00
4.750,00
4.500,00
4.250,00
4.000,00
3.750,00
3.500,00
3.250,00
3.000,00
2.750,00
2.500,00
2.250,00
2.000,00
1.750,00
1.500,00
1.250,00
1.000,00
750,00
500,00
250,00
0,00
Produktivzeit
Produktivitätsveränderung
Anpassung
PPS-System
Jan Feb Mar Apr Mai Jun
Monat
Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Bild 7: Entwicklung der Werksproduktivität 1999
130,00%
125,00%
120,00%
115,00%
110,00%
105,00%
100,00%
Kann in Bild 7 die niedrige Ausgangsproduktivität im Januar noch auf die saisonübliche
niedrige Auslastung zurückgeführt werden („geringer Druck“), ist der Anstieg um
15% von Februar bis September eindeutig auf die neue Verkettung der Fertigungsinseln
zurückzuführen.
Die beschriebene Problemstellung ist auf eine Vielzahl von Industrieunternehmen
übertragbar. Die Steuerungsstrategie könnte im Kern von vielen Unternehmen übernommen
werden. Konsequenzen ergeben sich auch für die Funktionalität von PPS-
Systemen in Bezug auf die Feinsteuerung. Geplante Aufträge müssten entsprechend
neu priorisiert werden. Die Aufträge könnten mittels eines Datenbankfilters in 2 Klassen
geteilt werden: in solche, die über den oder die Engpässe laufen und in solche,
die es nicht tun. Solange der Umlaufbestand im kritischen Bereich liegt, ist der Filter
aktiv und es können nur Nicht-Engpassaufträge begonnen werden. Die Aktivierung
des Filters könnte dezentral vor Ort erfolgen. Eine solche Verknüpfung der entwickelten
Steuerungsstrategie mit einem PPS-System wurde von uns Ende 1999 begonnen
und wird in Zukunft weiter verfolgt werden.
95,00%
90,00%
85,00%
80,00%
75,00%
70,00%
3-11

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Balk, H.: Entwicklung eines Materialfluss- Analyse- und Planungshilfsmittels
(QWZLFNOXQJ HLQHV 0DWHULDOIOXVV
$QDO\VH XQG 3ODQXQJVKLOIVPLWWHOV
$XI GHP :HJ ]XP /RJLVWLN
&RQWUROOLQJ"
'LSO ,QJ +HLNR %DON
%6+ %RVFK XQG 6LHPHQV +DXVJHUlWH *PE+
7HFKQLVFKH 'LHQVWH :HUNVSODQXQJ
:HUQHU YRQ 6LHPHQV 6WUD‰H
7UDXQUHXW
MATVAR
4-1

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Balk, H.: Entwicklung eines Materialfluss- Analyse- und Planungshilfsmittels
1 Ausgangssituation
Bild 1: Fabrik Traunreut Herde
1.1 Die Fabrik Traunreut Herde
MATVAR
Die BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH nimmt mit dem Werk Traunreut als
Anwender im Verbundprojekt MATVAR teil. Im Werk Traunreut (FTH) werden im
Wesentlichen Einbauherde, Standherde, Mikrowellenherde, Kochfelder und Warmwassergeräte
gefertigt. Auf 132.000 m 2 Nutzfläche werden mit 2400 Mitarbeitern
1,8 Millionen Geräte jährlich produziert.
Der Standort ist nach dem Prinzip „Fabrik-in-der-Fabrik“ (FIF) segmentiert. Die vier
Montage-FIFs sind auf die Produktmärkte ausgerichtet. Vorfertigungs- und Oberflächenprozesse
sind aufgrund fertigungstechnischer Kernkompetenzen als FIF organisiert.
Eine FIF beinhaltet folgende Funktionen:
• Produktion
• Disposition von Montage- / Fertigungsaufträgen
• Disposition der Zulieferer
• Technische Planung, Industrial Engineering,
• Arbeitsplanung, Zeitwirtschaft
Die Segmente bilden räumlich integrierte Einheiten.
4-2

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Balk, H.: Entwicklung eines Materialfluss- Analyse- und Planungshilfsmittels
Vorfertiungsfabrik
Oberflächenfabrik
Lagerbereich
Montage
Montage
Montage
1.2 Das Planungsfeld
Verpackung
und
Versand
Montage
Planungfeld
Kennzahlen
bezogen
auf Gesamt
Anzahl
Mitarbeiter
gesamt
Anzahl
Mitarbeiter
indirekt
Anzahl
Mitarbeiter
direkt
Veredelungsleistung
p.a.
Nutzfläche
Gebinde-bewegungen
Bild 2: Schematische Darstellung des Planungsfelds
Planungsfeld
MATVAR
Die Versorgung der Montagen aus vorgeschalteten Lagern erfolgt fast vollständig
durch teilweise neugestaltete, automatisierte Fördersysteme, sowie durch ein fahrerloses
Transportsystem. Für das Projekt wurden deshalb die Fertigungssegmente
Vorfertigungs- und Oberflächenfabrik als Planungsfeld definiert. In diesem Bereich
sind neben anlagenorientierten Stetigförderern verschiedene Flurförderzeuge im Einsatz.
Der hallenübergreifende Transport findet ab bestimmten Distanzen mittels sogenannter
Schleppzüge (Stapler mit ein bis zwei Anhängern) statt.
15 %
10 %
19 %
18 %
23 %
30 %
4-3

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Balk, H.: Entwicklung eines Materialfluss- Analyse- und Planungshilfsmittels
Transferpressen
Schweißen
Oberflächen-
beschichtung
PuF-Förderer
Baugruppen-
montage
Eigenfertigungsteile
Bahn / LKW -
Anlieferung
Krananlage
Stapler &
Regale
Stapler &
Regale
Stapler &
Regale
Stapler &
Regale
Transferpressen
Schweißen
PuF-Förderer
Em aillieren
Puffern
Geräte-
montage
Fördersystem
Stapler &
Freistapel
Bahn / LKW -
Abtransport
Bild 3: Schematische Darstellung der Fertigungsstruktur
MATVAR
Im Planungsfeld herrscht eine Mischstruktur aus funktionsorientierter Maschinenausrüstung
und baugruppenspezifischen Prozessketten. Das Ausgangsmaterial der
Blechbearbeitung sind Coils. Über ein bis vier Fertigungsstufen werden montagefertige
Baugruppen erzeugt. Die Arbeitsprozesse werden nach dem Verrichtungsprinzip
geführt. Die Fertigungsaufträge an den Pressen sind wegen hoher Stückleistung je
Materialnummer und großen Rüstaufwands zwischen den Aufträgen durch hohe
Losgrößen gekennzeichnet. Der Verbrauch montagefertiger Baugruppen richtet sich
nach dem aktuellen Marktbedarf und beträgt nur einen Bruchteil der Pressenlose.
Dadurch ist es zwingend notwendig, die einzelnen Fertigungsstufen durch Puffer zu
entkoppeln.
Kennzeichnend für das Produktionslayout sind strukturelle Invarianzen. Diese bestehen
einerseits aus einer seit über 50 Jahren gewachsenen und damit suboptimalen
Gebäudestruktur, andererseits aus einer Vielzahl an standortfixen Maschinen und
Anlagen, wie Großpressen, Schweißanlagen, Emaillier- und Lackieranlagen.
Dennoch weist die Anschaffung neuer Maschinen und Anlagen im Planungsfeld, sowie
die Neueinführung bzw. Änderung von ca. 90% des Teilespektrums, verbunden
mit Fertigungstiefenerhöhungen, auf ein durchaus dynamisches Produktionsumfeld
hin.
4-4

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Balk, H.: Entwicklung eines Materialfluss- Analyse- und Planungshilfsmittels
2 Zielsetzung
MATVAR
Eine konventionelle Layoutoptimierung durch Vertauschen von Produktionsstandorten
stößt aufgrund der genannten Fixpunkte im Planungsfeld an ihre Grenzen. Trotzdem
ist es gerade bei den o.g. Neuanschaffungen oder Teileeinführungen wichtig,
die entstehenden Materialflüsse bereits in der Planungsphase zu optimieren.
Vorraussetzung für die Entwicklung von Verbesserungsmaßnahmen, genauso wie
für Neuplanungen, ist eine möglichst umfassende Transparenz in den Materialflussbeziehungen,
sowie die Identifikation vorhandener Schwachstellen und Problemfelder.
Aufgrund des hohen Aufwands waren bisher flächendeckende Materialflussanalysen
und -planungen in der Praxis kaum durchführbar.
Aus diesen Gründen war es, neben der Ableitung konkreter Maßnahmen, das
Hauptziel, ein EDV-gestütztes Materialfluss- Analyse- und Planungshilfsmittel (im
Folgenden auch MATVAR-Datenbanken genannt) zu entwickeln, das aufgrund seiner
Flexibilität schnell auf veränderte Verhältnisse oder Fragestellungen anzupassen
ist. Dabei war gleichzeitig auf vertretbaren Aufwand bei der Anwendung des Hilfsmittels
zu achten.
4-5

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Balk, H.: Entwicklung eines Materialfluss- Analyse- und Planungshilfsmittels
3 Vorgehensweise
Bild 4: Struktur der Datenführung
MATVAR
Eine erste Phase des Projekts wurde in einem Team aus FTH-Mitarbeitern zusammen
mit dem ifp, Institut für Produktionstechnik GmbH, durchgeführt. Das Team
stand dabei in engem Kontakt mit den übrigen MATVAR-Arbeitsgruppen.
3.1 Datenbasis
Aufträge
FISS-BDE
Betriebsdatenerfassung
Fortschritt
SAP
Betriebsw. Standardsoftware
Stammdaten
Aufträge
FISS-R
Auftragsverwaltung und
Materialnachschub
FISS-LV
Lagerverwaltung
Die Datenführung in der FTH erfolgt durch SAP/R2 in Kombination mit einem Fertigungs-Informations-
und Steuerungssystem (FISS).
Die Datenbasis besteht aus den im Folgenden beschriebenen Informationen zu Beständen,
Lagerdaten und vor allem Materialbewegungen. Diese werden von den
Systemen sonntäglich, jeweils über die vergangene Woche, als PC-lesbare Datei
generiert. Grundsätzlich werden alle Materialbewegungen, wie Einlagerungen, Auslagerungen,
Rücklieferungen und Direktlieferungen im FISS dokumentiert.
Darüber hinaus wurden aus der VDI-Richtlinie 2391 Zeitrichtwerte für Staplerspiele
herangezogen.
Rückmeldungen
Auslagerung
Materialanforderung
Einlagerung
Wareneingänge
Stammdaten
Bestandssonderbuchungen
4-6

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Balk, H.: Entwicklung eines Materialfluss- Analyse- und Planungshilfsmittels
3.1.1 Bestandsinformationen
Bestandsinformationen wurden aus dem führenden SAP-System gewonnen:
MATVAR
Dispo- Materialbeschreibung Bestand Reichweite
kennzeichen *) Nummer Kurztext Art Einheit Stück DM / 100 St. DM Tage
EVA 74287587 Tuerboden HALB Stück 596 ....,.. .... 4
...
*) über das Dispokennzeichen ist die eindeutige Bestandsverantwortung geregelt.
3.1.2 Statische Lagerdaten
Quelle für Lagerspiegel und Lagerauslastung ist das Lagerverwaltungsmodul im Fertigungs-Informations-
und -Steuerungs-System (FISS-LV). Jeder Datensatz steht für
ein eingelagertes Gebinde:
Material- Lager- Bewegungs Wareneingang Lieferant Inhalt Gebinde
Nummer Platz *) Art Nummer Datum lfd. Nr. Geb. Nr. Stück Art
7465504 38210108 4 1470168 25.03.1998 1 719998 50 5
...
*) präzise Ortsangabe hier Lagerhalle 38, Regalzeile: 21, Fachnummer: 0108
3.1.3 Dynamische Bewegungsdaten
Die Bewegungsdaten wurden aus dem BDE-System übernommen. Jeder Datensatz
steht für eine Gebindebewegung:
Grund Material- Absender Empfänger Menge Transporteinheit Buchung
E/L/A/R *) Nummer Kostenstelle Anlieferplatz Stück Schlüssel Kurzzeichen Uhrzeit Datum
E 15827001 1000 38A10855 72 1 K01 1338 19.02.1996
...
*) E = Einlagerung, L = Direktlieferung, A = Auslagerung, R = Rücklieferung z.B.: Anbruchgebinde
4-7

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Balk, H.: Entwicklung eines Materialfluss- Analyse- und Planungshilfsmittels
3.1.4 Materialstammdaten und Stücklisten
MATVAR
Zusätzlich werden, insbesondere zur Teileverfolgung entlang der Prozessketten,
Materialstammdaten und Stücklisten aus SAP benötigt. Diese werden manuell, bzw.
mittels automatischer Abfragen in die PC-Umgebung übertragen.
3.1.5 Layout-Informationen
Werks- und Hallengrundrisse, Standorte von Maschinen und Anlagen, Fahr- und
Transportwege. Lokalisierung der Quellen und Senken.
3.2 Hilfsmittel
Um die angestrebte Flexibilität für verschiedene, zukünftige Einsatzfälle sowie geänderte
Verhältnisse in der FTH zu erreichen, werden die Daten in Microsoft-ACCESS
Datenbanken gesammelt und analysiert. Die Visualisierung erfolgt in Microsoft-
EXCEL und -POWERPOINT.
Um die Daten analysierbar zu machen, ist eine Modellierung des Planungsfelds in
ACCESS erforderlich.
Eine Schwierigkeit stellten hierbei die unterschiedlichen Datenarten in den Spalten
„Quelle“ und „Senke“ bei den dynamischen Bewegungsdaten, dem Kernstück der
Analysen, dar.
Bewegungsart Datenart Quelle Datenart Senke
E (Einlagerungen) Kostenstelle Lagerplatz
A (Auslagerungen) Lagerplatz Linienkennzeichen
(Lieferplatz)
R (Rücklagerungen) Linienkennzeichen
(Lieferplatz)
Lagerplatz
L (Direktlieferungen) Kostenstelle Linienkennzeichen
(Lieferplatz)
Diverse Filter, Vereinfachungen und Verdichtungen ermöglichen es, die Datenarten
für Quellen und Senken auf Linienkennzeichen (Lieferplätze) und Lager (statt exaktem
Lagerplatz) zu reduzieren.
4-8

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Balk, H.: Entwicklung eines Materialfluss- Analyse- und Planungshilfsmittels
1
2
Datenbasis:
BDE-Daten aus
10 Wochen
Verdichtung auf Lieferzonen
(VF/OF), Lager
und Fabriken
3
Ermittlung aller VF/OF-
Transport-Beziehungen
(Von/Nach-Matrix)
4
Berechnung/Ermittlung
der zugehörigen
Transport-Wege
6
Entwicklung einer Transportaufwand-Matrix
für Transporte betreffend MATVAR-Planungsfeld (VF/OF)
5
Zuordnung:
Transport-Beziehung (Von/Nach)
und
Transport-Fall (mit Handling-Zeit)
Berechnung Transportaufwand
je Transport-Beziehung (sec/Gebinde)
= Handlingzeit + Fahrwegzeit (Stapler/Schleppzug)
Zusätzliche Korrekturfaktoren:
Leerfahrten (1,6), Ruhefaktor (1,15), Erschwernisse (1,25)
Zeitbausteine für
Staplerbewegungen nach
VDI-Richtlinie 2391
Bild 5: Entwicklung einer Transportaufwand-Matrix
MATVAR
Erst damit ist eine Verknüpfung zur parallel ermittelten Entfernungsmatrix zwischen
Linienkennzeichen (Lieferplätzen) und Lagern darstellbar. Die Entfernungsmatrix
enthält für alle auftretenden Quelle-Senke-Paarungen im Planungsfeld, sowie für alle
Schnittstellen, die realen Standard-Fahrstrecken der Stapler und Schleppzüge.
Die Entfernungsmatrix zwischen Quellen und Senken beinhaltet jedoch noch nicht
die verwendeten Fördermittel. Im Planungsfeld ergibt sich oftmals die Mischung
Stapler-Schleppzug-Stapler als Transportkette. Um den Transportaufwand für einen
Gebindetransport zu kalkulieren, wird für jede Quelle-Senke-Beziehung die Summe
aus Handlingzeiten (aus VDI-Richtlinie 2391) und den anteiligen Fahrzeiten per
Stapler oder Schleppzug angesetzt. Zusätzlich müssen noch Korrekturfaktoren für
Leerfahrten, und Erschwernisse, sowie ein Ruhefaktor berücksichtigt werden.
4 Werkzeuge und Ergebnisse der Analyse
Ermittlung aller vorkommenden Transport-Fälle
z.B. "Auslagern mittels Schleppzug",
"Direktlieferung ohne Schleppzug" etc.
Berechnung der Handling-Zeiten für jeden
einzelnen Transport-Fall
(mittlere Auslastung pro Transport berücksichtigt)
Übertragung in
Transportaufwand-Matrix
(Von/Nach = x sec)
Um eine repräsentative Datenbasis für die Analyse zu erhalten, werden jeweils Daten
aus 10 Wochen zusammengefasst. Die Größe des Untersuchungszeitraums wird
einerseits durch Urlaubszeiten, die in der Auswertung meist nicht gewünscht sind, ,
andererseits durch die Menge an zu verarbeitenden Daten begrenzt. Pro Woche entstehen
in ganz FTH ca. 25000 Bewegungsdatensätze.
3
4
2
7
4-9

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Balk, H.: Entwicklung eines Materialfluss- Analyse- und Planungshilfsmittels
ABC-Analyse über Transportaufkommen im Planungsfeld
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
% kumuliert
1 101 201 301 401 501 601 701 801 901 1001 1101 1201 1301 1401 1501 1601
Bild 6: Kernaussagen der ABC-Analyse nach Transportaufkommen
4.1 ABC-Analyse
203 A-Teile verursachen
ca. 70% des Transportaufwands
Einige Teile mit großer
Transporthäufigkeit
laufen weite Wege
MATVAR
Produktionsprozesse bestimmter A-
Teile verursachen hohen logistischen
Aufwand (z.B. Türboden-50cm, Transportweg
ca. 950m; BO-Zuführteile,
Transportweg ca. 1,1km)
Nutzung montagenaher Pufferungsmöglichkeiten
("STACHUS") für
Sicherheitsbestände statt Schnelldreher
Die ABC-Analyse bietet sich als Werkzeug an, um die Menge der Gebindebewegungen
im Planungsfeld (ca. 5300 Bewegungen pro Woche, ca. 4000 verschiedenen
Materialnummern) zu strukturieren und um die Hauptumsatzträger am Materialfluss
zu identifizieren. Für Beurteilung von Materialflüssen spielt jedoch nicht nur die Häufigkeit
von Transporten eine Rolle, sondern auch die dabei zurückgelegten Wegstrecken.
Für die Ermittlung dieses Transportaufkommens wird die Transporthäufigkeit
mit der Weglänge des Transports (aus der Entfernungsmatrix für Quelle-Senke-
Paarungen) multipliziert. Die so errechnete Kennzahl („Gebinde-Meter“) ist das Sortierkriterium
der ABC-Analyse.
Aus der Analyse lassen sich auch Teilefamilien zusammenfassen, für die eine Analyse
des „Materialflusses von Baugruppen“ über die Prozessschritte hinweg interessant
ist.
4-10

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Balk, H.: Entwicklung eines Materialfluss- Analyse- und Planungshilfsmittels
Materialfluß von Baugruppen
Beispiel "BO-Zuführteile" (02/97)
Ist-Zustand
L32
TTW Balk 11/97
080B
010A
Institut für
Produktionstechnik GmbH
Prof. Dr.-Ing. J. Milberg
080D
Hauptfluß
Großpressen 080B
Lager 32
BO-Schweißstraße
• Pufferung fast
ausschließlich im
Lager 32
• Pufferbestand bis
zu 100 Gebinde
Ergebnis: Lange Wege vorhanden ⇒ Fertigungsnahe Pufferung anstreben
Bild 7: Beispiel Materialfluss von Baugruppen
4.2 Materialfluss von Baugruppen
Materialfluß von Baugruppen
Beispiel "BO-Zuführteile" (02/97)
Verbesserungspotential
Institut für
Produktionstechnik GmbH
Prof. Dr.-Ing. J. Milberg
MATVAR
Die Analyse des Materialflusses von ausgewählten Baugruppen entlang ihres Entstehungsprozesses
ermöglicht die Identifikation ungünstiger Durchläufe. Verbesserungsmöglichkeiten
für die Auswahl von Wegen, Lagerorten und Maschinenbelegungen
werden transparent. Mit Hilfe der Transportaufwandsmatrix (anteiliger Stapleraufwand
pro Gebindetransport in Sekunden) lassen sich Ist- und Sollzustände vergleichend
bewerten.
080B
010A
L45
080D
Transportmatrix
• A-Teile direkt liefern
und an BO-Straße
puffern. B/C-Teile
über Lager 45.
• Einsparung: ca. 40%
(450 h/a) an
Transportaufwand
• Transparenz über
Bestand der
Zuführteile an BO-
Straße
• Entlastung des
Lagers 32
1
4-11

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Balk, H.: Entwicklung eines Materialfluss- Analyse- und Planungshilfsmittels
Arbeitsplatzanalyse: Zu-/Abflüsse
Emailanlage
Materialflüsse zur
Email-Anlage
– IST-Zustand –
090F
090E
080B
Institut für
Produktionstechnik GmbH
Prof. Dr.-Ing. J. Milberg
L45
Variante 1
Direkte Pufferung
aller Bauteile an
den Anlieferzonen
der ETE- und Flachpulveranlage
(090E
und 090F)
Variante 2
Direkte Pufferung
nur für A-Teile an
den Anlieferzonen;
B- und C-Teile werden
im Lager L45
gepuffert.
Ergebnis: Hauptzufluß von 080B Großpressen Geb.6b
Hauptabfluß nach 090E/F Aufgabezonen ETE-/Flachpulveranlage
Lange Wege vorhanden ⇒ Direktlieferungen anstreben
Bild 8: Beispiel Zu-/Abflüsse an Arbeitsplätzen
4.3 Zu-/Abflüsse an Arbeitsplätzen (Sankey-Diagramm)
MATVAR
Mit dieser Methode können die Materialströme einzelner Produktionsbereiche, aber
auch des gesamten Planungsfelds untersucht werden. Dabei werden die Materialzuund
-abflüsse aller betrachteten Maschinen, Anlagen und Lager anhand der Grunddaten
ausgewertet und in Powerpoint visualisiert. Ziel ist es, die Hauptlieferströme zu
identifizieren, Verbesserungsmaßnahmen abzuleiten und mit Hilfe der Transportaufwandsmatrix
zu bewerten.
080B
090F
090E
080B
L45
L45
Transportmatrix
Einsparung
ca. 60% an Transportzeit:
540 h/a
Einsparung
ca. 50% an Transportzeit:
465 h/a
1
4-12

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Balk, H.: Entwicklung eines Materialfluss- Analyse- und Planungshilfsmittels
Lager Geb. 38
Email-Anlage
Lager Geb. 45
Pressen Geb. 6b
Lager Geb. 6b
Coilspaltanlage
Lager Geb. 20
Bild 9: Prozessanalyse (2-Tages-Raster)
4.4 Prozessanalyse (2-Tages-Raster)
Zeit
Verbauorte
MATVAR
Mit der Prozessanalyse wird der Entstehungsprozess einer Baugruppe im 2-Tages-
Raster dargestellt.
Nach jeder Fertigungsstufe wechselt eine bearbeitetes Teil die Materialnummer. Die
Nummernfolgen müssen anhand der Arbeitspläne aus SAP ermittelt werden.
Die Grafik zeigt die Bewegungen beginnend vom Eingangslager zum jeweils nächsten
Prozessschritt. Die Glättung der Spitzen zwischen dem Pressen und dem
Verbauen der fertigen Baugruppe verdeutlicht den vorhandenen Pufferbedarf, vor
allem zwischen Pressen und Emailanlage. Ebenfalls deutlich sichtbar sind die Fertigungszyklen,
sowie die Bandbreite der Durchlaufzeiten, die zwischen einem und
mehreren Tagen liegen kann.
5
0
20
15
10
30
25
35
Transportspiele
Fertigungsstufen
4-13

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Balk, H.: Entwicklung eines Materialfluss- Analyse- und Planungshilfsmittels
Materialfluss-Bewertung verschiedener Alternativen in der Planungsphase
Beispiel: Muldenrahmen: • emailliert
• lackiert
Muldenrahmen emailliert
50 Stück
50 Stück
30 Stück
X Stück
Großpresse 080B
Lager 45
Emaillieranlage
Muldenfabrik MF
Emaillieranlage in Geb. 29
(nach Umbau HF)
I N P U T
geplante Baugruppen
mit Stücklisten
geplante Jahresstückzahl
Fertigungskonzept (Alternativen)
Packungsdichte pro Transport
Layout (Varianten?)
Ergebnis: Zu erwartender Transportaufwand in Stapler-Stunden pro Jahr (siehe Grafik)
Bild 10: Einsatz als Planungshilfsmittel
5 Einsatz als Planungshilfsmittel
Muldenrahmen lackiert
X Stück
Großpresse 080B
Lager 45
Lackieranlage
Muldenfabrik MF
Lackieranlage
in Geb. 19
MATVAR
Durch seinen flexiblen Aufbau kann das Auswertungssystem nicht nur für die Analyse
geänderter Materialflüsse in der bestehenden Fertigungsstruktur genutzt werden.
Mit Hilfe des gewonnenen Know-How´s können auch weitreichende Neuplanungsszenarien
und Umstrukturierungen bezüglich des zu erwartenden Transportaufwands
und des Pufferungsbedarfs bewertet werden.
So ist es möglich, bei der Fertigungsplanung für neue Produkte parallel zur technischen
Planung der Prozesse auch eine Materialflussbewertung als Entscheidungskriterium
zu erstellen.
Die Möglichkeit, aber auch die Notwendigkeit der Adaption dieses Hilfsmittels für verschiedene
Anwendungsfälle, sowie für Änderungen in der Fertigungsstruktur bewirkt
dessen ständige Weiterentwicklung.
50 Stück
50 Stück
30 Stück
8
4-14

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Balk, H.: Entwicklung eines Materialfluss- Analyse- und Planungshilfsmittels
Materialfluss-Bewertung verschiedener Alternativen in der Planungsphase
Beispiel Muldenrahmen: • emailliert
• lackiert
080B
Geb.6b
L45X
010E
Geb.20
090E
Geb.6a 090F
L17P
080D L17/09
L20
Geb.19 A060
T-Aufwand:
380 h/a
Geb.17
010D
080D
010A 010B 010C
080C
Geb. 45
L45
Geb.15
A102
A100
A090
Emaillierwerk
Geb.18
A092
A091
A100
Geb.21
Geb. 48 L48/HL L38K
Geb. 38
L38
Geb.29
Geb.33og
FTW
FFT
T-Aufwand:
910 h/a
HF
Kunststoffertigung
A 040
Geb.31nord
Bild 11: Beispiel Materialfluss-Bewertung in der Planung, Alternative 1
MATVAR
Als Beispiel wurde hier eine Materialflussbewertung für ein neues Bauteil durchgeführt.
Zwei grundsätzlich verschiedene Oberflächenbehandlungen wurden gegenübergestellt.
Mit Hilfe von Dummy-Materialnummern und -Lieferplätzen und entsprechenden
Einträgen in der Transportaufwandsmatrix lassen sich die voraussichtlichen
Staplerbelegungsminuten kalkulieren ohne die Datenbanken für Analysen zu beeinträchtigen.
EF
WA
A070 A120
Email ?
EBSF
T-Aufwand:
1200 h/a
SFE
Geb.31mitte
ZHV
Geb.31sued
MF
Lager
SFE
LOB-T
LOB-T
L35
Vorraussichtlicher T-Aufwand:
S 2490 h/a
4-15

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Balk, H.: Entwicklung eines Materialfluss- Analyse- und Planungshilfsmittels
Materialfluss-Bewertung verschiedener Alternativen in der Planungsphase
Beispiel Muldenrahmen: • emailliert
• lackiert
080B
Geb.6b
L45X
010E
Geb.20
090E
Geb.6a 090F
L17P
080D L17/09
L20
Geb.19 A060
T-Aufwand:
380 h/a
Geb.17
010D
080D
010A 010B 010C
Lackieranl. ?
080C
Geb. 45
L45
Geb.15
A102
T-Aufwand:
980 h/a
A090
Emaillierwerk
Geb.18
A092
A091
A100
Geb.21
Geb. 48 L48/HL L38K
Geb. 38
L38
Geb.29
Geb.33og
FTW
FFT
HF
Kunststoffertigung
A 040
Geb.31nord
Bild 12: Beispiel Materialfluss-Bewertung in der Planung, Alternative 2
EF
WA
A070 A120
KL
EBSF
T-Aufwand:
1460 h/a
SFE
Geb.31mitte
ZHV
Geb.31sued
MF
Lager
SFE
LOB-T
LOB-T
L35
MATVAR
Vorraussichtlicher T-Aufwand:
Σ 2820 h/a
4-16

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Balk, H.: Entwicklung eines Materialfluss- Analyse- und Planungshilfsmittels
Bestellverhalten:
Materialfluss aus Lager 38/48 über Brücke B und FTS
An
za
hl
Tr
an
sp
ort
e
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Anforderungen 02.03.1999 aus L38/48 über Brücke B
FTS
33 OG
33 EG/SFront
33 EG/SF
Anforderungen von 5:00 - 6:00 Uhr
Stunde 6
Annahme: 4 Kisten pro
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
Anforderungen 02.03.1999 über FTS, nach
Empfängern
Bild 13: Tagesscheibe Materialfluss aus Hauptlager
6 Auf dem Weg zum Logistik-Controlling? Ein Ausblick
MATVAR
Bestellverhalten:
Materialfluss aus Lager 38/48 über FTS,
sortiert nach Kunden
6.1 Einsatz des Analyse- und Planungshilfsmittels in anderen
Projekten
Der erfolgreiche Einsatz des Analyse- und Planungshilfsmittels in werksinternen
Projekten neben MATVAR hat seine Flexibilität und Anpassungsfähigkeit bereits unter
Beweis gestellt.
So wurden beispielsweise Fragen nach einer tageszeitlichen Analyse des Materialflusses
aus dem Hauptlager über die verschiedenen angebundenen Fördersysteme
mit Hilfe der MATVAR-Datenbanken beantwortet. Die Grafik zeigt die Anzahl der
Transporte im Stundenraster. Die auffälligen Bestellspitzen am Vormittag lassen sich
hier nach Fördersystemen und im zweiten Schritt auch nach Empfängern strukturieren.
Zielgerichtete Ansätze zur Glättung der Kurven sind damit möglich.
100
80
60
40
20
0
Summe: 213
Geb.
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 21
Stunde
MF
HHDF
A120
A070
A140
FTW
KL
HO
HF
4-17

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Balk, H.: Entwicklung eines Materialfluss- Analyse- und Planungshilfsmittels
Belastung der FTS-Strecke mit Gebindetransporten (KW 38-47/97)
Darstellung von 85% der gelaufenen Gebinde (ohne Leergebinde)
incl. Projektion neue WA in H.38
1700
1500
13700
44
43 42
6900
1300
45
10500
30
31
1000
3800
Bild 14: Belastung FTS-Strecke
MATVAR
Ein anderes Beispiel ist die Analyse der Belastung verschiedener Streckenabschnitte
des FTS (Fahrerloses-Transport-System). Sie dient als Grundlage für die Planungen
eines möglichen Nachfolgesystems.
Auch die Analyse von Lagerspiegelverläufen über bis zu drei Jahren fand bereits außerhalb
des MATVAR-Planungsfelds vielfältige Anwendungen. Beispielsweise
konnte mit Hilfe einer langfristigen Betrachtung der Lagerauslastungen eine hohe
Planungssicherheit für den Abriss eines Lagerbereiches erreicht werden.
Einen ersten Schritt auf dem Weg zum Logistik-Controlling stellt die mit Hilfe der
MATVAR-Datenbanken seit 1998 jährlich aktualisierte Zuordnung der FTS-Kosten
dar. Dafür werden die FTS-Transporte des vergangenen Jahres den „Verursachern“
zugeordnet und daraus ein Kostenschlüssel errechnet.
Eine ähnliche Systematik wurde auch für eine aufwandsorientierte Zuordnung der
Wareneingänge erarbeitet.
5700
21 20
1400
3600
3600
1500
1500 1200
41 40
1600
1200
46 47
15 14
72 73
75
74 (70)
4-18

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Balk, H.: Entwicklung eines Materialfluss- Analyse- und Planungshilfsmittels
6.2 Weiterentwicklung zum Logistik-Controlling
MATVAR
Geplante Elemente: • Kontinuierlichen Verbesserungsprozess der MATVAR-
Datenbanken fortsetzen. Ständige Aktualisierung des Datenbestands
und der Modellierung der FTH in den Datenbanken.
7 Literatur
• Ausdehnung des Analyse- und Planungshilfsmittels auf
ganz FTH (Transportaufwandsmatrix, Vereinfachungen
und Verdichtungen modifizieren)
• Entwicklung eines „Audit-Plans“.
Ziel: - Alle Bereiche des Werks in regelmäßigen Abständen
einer Materialflussanalyse unterziehen.
- Verbesserungspotentiale mit den Bereichen erarbeiten.
- Logistik-Kennzahlen aufstellen, um bereichsinterne
Entwicklung des Materialflusses messbar
zu machen.
• Verursachungsgerechte Kostenschlüssel für andere bestehende
Fördersysteme errechnen.
• Kundenorientierte Unterstützung bei Projekten und anderen
spezifischen Planungsvorhaben durch Materialflussanalysen
und -gestaltungen.
VDI-RICHTLINIE 2391
Zeitrichtwerte für Arbeitsspiele und Grundbewegungen von Flurförderzeugen,
VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf 1982
4-19

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Handrich, W.: Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren
Leichtfördersystems im Überflurbereich
Entwicklung eines stufenweise
automatisierbaren Leichtfördersystems
im Überflurbereich
'LSO ,QJ :ROIJDQJ +DQGULFK
/HKUVWXKO I U )|UGHUWHFKQLN 0DWHULDOIOXVV /RJLVWLN
7HFKQLVFKH 8QLYHUVLWlW 0 QFKHQ
%ROW]PDQQVWU
*DUFKLQJ E 0 QFKHQ
MATVAR
5-1

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Handrich, W.: Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren
Leichtfördersystems im Überflurbereich
MATVAR
1 Einführung: Materialflusssysteme für dynamische Produktionsstrukturen
Zur Sicherung von Wettbewerbsvorteilen gegenüber konkurrierenden Unternehmen
musste man bisher seine Produkte lediglich zu minimalen Kosten und höchster Qualität
am Markt anbieten. Heutzutage gewinnen aber darüber hinaus die Faktoren
Entwicklungszeit, Kundennähe, Lieferzeit und Flexibilität an Bedeutung. Es ergeben
sich immer kürzere Produktlebenszyklen, eine höhere Variantenvielfalt und kleinere
Losgrößen (GÜNTHNER U. ALLGAYER 1997).
Dieser rasche Wandel erfordert für die Produktion der Zukunft technologische Maßnahmen,
die eine neue Flexibilität und Agilität der gesamten Fertigung bedingen.
Neben den Produktionseinrichtungen müssen auch die Materialflusssysteme äußerst
flexibel und anpassbar gestaltet sein.
Bild 1: Anpassbare Fertigungsstrukturen und Materialflusssysteme
Während sich in der Fertigung bereits selbständige, autonome und zuverlässige
Strukturen und Organisationsformen durchgesetzt haben, die auch auf Störungen
und Veränderungen flexibel reagieren können, ist für den innerbetrieblichen Materialfluss
noch weiterer Entwicklungsbedarf gegeben. Herkömmliche Fördermittel ent-
5-2

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Handrich, W.: Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren
Leichtfördersystems im Überflurbereich
MATVAR
sprechen selten den Anforderungen dynamischer Produktionsstrukturen mit häufigen
Layout- und Kapazitätsveränderungen. Vor allem für kleine und mittelständische
Unternehmen fehlen flexible und preisgünstige, dem Bedarf anpassbare Materialflusslösungen.
Bei flurgebundenen und flurfreien Transportmitteln mit fest installierten Fahrtrassen
wie Stetigförderern und Elektrohängebahnen stellen die zusammenhängenden Verkehrswege
massiv einschränkende Randbedingungen dar und verhindern deswegen
bei Umstrukturierungen optimale, schnelle und kostengünstige Anpassungen.
Bei manuell bedienten Flurförderern, wie z.B. Staplern, kommen hohe Personalkosten
und mangelhafte Auslastung hinzu. Staplerleitsysteme können hier teilweise Abhilfe
schaffen: Leerfahrten werden reduziert, Fahrtrouten optimiert und die Transportleistung
erhöht. Die flurgebundene Streckenlegung beim Staplerbetrieb grenzt
dessen Verwendung aber erheblich ein.
Das gleiche gilt für fahrerlose Transportsysteme (FTS). Für sie konnte in den letzten
Jahren keine befriedigende Lösung gefunden werden. Die hohe Komplexität der
Streckenführung, die relativ geringe Verfügbarkeit und die hohen Anschaffungs- und
Betriebskosten machen diese Systemtechnik für kleine und mittlere Unternehmen
wenig interessant.
Um von der Bindung an vorgegebene Fahrtrassen wegzukommen und den gesamten
Hallenbereich für die Produktion nützen zu können, bietet sich der Kran als
Transportmittel im Überflurbereich geradezu an. Auf sich ändernde Strukturen kann
äußerst flexibel reagiert werden.
2 Aufgabenstellung:
Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren
Leichtfördersystems im Überflurbereich
Bisher wurden größtenteils Prozesskrane für spezielle Einsatzfälle automatisiert. Beispiele
sind Lauf- oder Hängekrane mit Traglasten von mehreren Tonnen zur Beschickung
von Blech-, Coil- und Papierrollenlagern. Bei diesen kostenintensiven Einzellösungen
standen technisch machbare Herausforderungen, Teilziele wie Lastpendeldämpfungen,
Positioniergenauigkeiten, Antriebs- oder Steuerungstechnik im Vordergrund.
Die sehr hohen Anforderungen und die für jeden Einzelfall neu entwickelten
Automatisierungen machten diese sehr teuer. Es konnte bisher nicht auf einen günstigen
Baukasten zu Kranautomatisierungen zurückgegriffen werden. Der Markt bietet
bisher lediglich verschiedene, hauptsächlich mechanische Baukästen aus firmenspezifischen
„Standardkomponenten“.
So stellt auch das Kranbaukastensystem KBK der Fa. Mannesmann Dematic AG ein
einfaches, nur in Sonderfällen automatisiertes Transport- und Handhabungssystem
5-3

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Handrich, W.: Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren
Leichtfördersystems im Überflurbereich
MATVAR
im Überflurbereich dar, das aus standardisierten mechanischen, modular aufgebauten
und gut miteinander kombinierbaren Baueinheiten besteht. Zu den wesentlichen
Komponenten zählt man Schienenelemente (Gerad- und Bogenstücke), komplexere
Bahnteile (Weichen, Verriegelungen, Schwenkscheiben, Hubstationen), pendelnde
Aufhängungen für Hänge- und Kranbahnen, Fahrwerke, Reibradantriebe, Kettenund
Seilzüge, Handhabungsgeräte und Steuerungen. Damit lassen sich Anlagen für
den flurfreien Transport, wie z.B. Hängebahnen, Ein- oder Zweiträgerkrane, Portalkrane
oder Säulen- und Wandschwenkkrane zusammenbauen, die sich für einen
Traglastbereich von wenigen Kilogramm bis zu ca. 3 Tonnen eignen (siehe auch
MÜLLER U.A.).
Die Weiterentwicklung dieses Systems sollte von Beginn an möglichst marktnah und
kundenorientiert geschehen, die Anforderungen an ein Materialflusssystem für dynamische
Produktionsstrukturen möglichst genau festgelegt werden. Der Lehrstuhl
LSR führte deswegen zu Projektbeginn in Zusammenarbeit mit der Mannesmann
Dematic AG eine Marktanalyse durch (GÜNTHNER U. HANDRICH 1998). Verschiedenste
Interessenten, Firmen, beteiligte Anwender und der assoziierte Kreis sind nach ihren
Anforderungen befragt worden, die sie an ein Materialflusssystem für dynamische
Fertigungsstrukturen stellen. Darüber hinaus konnten sie Wünsche und Zukunftsvisionen
aufzeigen.
Mit dieser Marktanalyse erhielt man Antworten zu den Themen Einsatzbereiche,
Transportgüter, Traglasten, Lasthandling, Automatisierungsgrade, Zielpositionen und
Positioniergenauigkeiten, Dynamik, Spielzeiten und übergeordnete Anbindung an
Rechnersysteme. Sie diente mit als Grundlage für die Erstellung des Pflichtenheftes.
Mit entsprechenden mechanischen und steuerungstechnischen Weiterentwicklungen
soll aus dem Kranbaukasten KBK ein kostengünstiges, automatisierbares Materialflusssystem
entstehen, das sich für die Transportaufgaben zukünftiger variabler Fertigungssegmente
eignet.
Das zu entwickelnde Leichtfördersystem im Überflurbereich sollte folgenden Anforderungen
genügen:
• layoutunabhängiges Materialflusssystem, das sich für dynamische Produktionsstrukturen
eignet
• stufenweise Automatisierbarkeit beginnend beim manuellen Kran bis hin zur Vollautomatik
• automatischer Transport von Behältern (Kunststoff-Großladungsträger bis 500kg,
Gitterboxen bis 1000kg und VDA-Kleinladungsträger in den Abmessungen
600x400mm bis 50kg)
• automatischer Transport im für Personen zugänglichen Fertigungsumfeld
5-4

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Handrich, W.: Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren
Leichtfördersystems im Überflurbereich
MATVAR
• einfache Erweiter-, Kombinier- und Nachrüstbarkeit hinsichtlich Mechanik und
Steuerung
• Möglichkeit zur Visualisierung, Auftragssteuerung und Anbindung an übergeordnete
Leitsysteme
• kostengünstiges Materialflusssystem
Zu den wichtigsten Aufgaben im Projekt gehört der Aufbau einer Versuchsanlage am
Lehrstuhl LSR, die ein innerbetriebliches Materialflussnetz aus herkömmlicher Fördertechnik,
wie Rollenförderer, gemanagten Stapler, automatisierten Leichtfördersystem
darstellt.
3 Zu berücksichtigende Aspekte bei der Entwicklung des
Leichtfördersystems im Überflurbereich
Bild 2 gibt einen Überblick über die wesentlichen Aspekte, die bei der Entwicklung
dieses Leichtfördersystems im Überflurbereich berücksichtigt worden sind.
Zunächst wurden Lösungskonzepte erstellt, um Antworten auf die folgenden Fragen
zu erhalten:
• Welche Einsatzfälle sollen abgedeckt werden?
• Welche Automatisierungsstufen machen aus Entwicklersicht Sinn?
• Welcher Einsatzfall erfordert welche Automatisierungsstufe?
• Wie kann die Positionierung im Vollautomatikbetrieb realisiert werden?
• Welche Auswirkungen hat dies auf die Mechanik des Systems?
• Wie sieht die Bedienung dieses Materialflusssystems aus?
• Wie kann die Sicherheit des Personals gewährleistet werden, das sich im Umfeld
des automatisierten Fördersystems aufhält?
• Wie kann ein Automatisierungsbaukasten entwickelt werden?
Die Antworten hängen dabei stark voneinander ab. Beispielsweise sind für Teilautomatikstufen
mit manuellem Eingriff bei der Lastübergabe keine genauen Positionierungen
und damit keine besonderen Anforderungen an die Mechanik und die Seilführung
der Katze und der Kranbrücke nötig. Dagegen erfordert sogar der Einsatz einer
teilautomatisierten Anlage in für Personen zugänglichen Bereichen besondere Sicherheitsvorkehrungen,
die Auswirkungen auf das gesamte System beginnend beim
Transportgut über Lastaufnahmemittel, Seilzug bis zum Gebäudetragwerk mit sich
bringen. Die höchsten Anforderungen werden an ein vollautomatisiertes Fördersystem
in für Personen zugänglichen Bereichen gestellt (HESSE 1995, VDI 1995).
5-5

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Handrich, W.: Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren
Leichtfördersystems im Überflurbereich
MATVAR
Bild 2: Zu berücksichtigend Aspekte bei der Entwicklung des Leichtfördersystems
im Überflurbereich
5-6

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Handrich, W.: Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren
Leichtfördersystems im Überflurbereich
MATVAR
Nachdem die Gesamtüberlegung sehr komplex ist, wird in diesem Beitrag auf die
Themenbereiche Automatisierung, Mensch-Maschine-Schnittstelle, Positionierung,
Katze, Steuerung, Einsatzfälle/Anwendungen und Kosten eingegangen.
Die Arbeitspakete Sicherheit, Transportgut und Lastaufnahmemittel werden in
BAMBYNEK erläutert. Allgemeine KBK-Problematik, Mechanik, Kranelektrik, Datenübertragung
und Steuerungsstruktur folgt in MÜLLER U.A., die Problematik Funkbusübertragung
und Funksteuerschalter in BRENDEL U. SCHWARZ und die Problematik
Leitrechneranbindung in SCHUSTER.
4 Automatisierungsstufen und Betriebsarten
Bild 3 zeigt ein Konzept, wie sich ein Baukasten für einen in Stufen automatisierbaren
Kran zusammenstellen lässt.
Der manuelle Kran wird mit einem meist an der Katze befestigten Handsteuerschalter
bedient. Zu den wichtigsten Funktionen gehört das Verfahren des Krans, der Katze
und des Hubwerks in mehreren Geschwindigkeiten. Als einfachstes Lastaufnahmemittel
(LAM) kommt ein Haken in Frage. Um die verwendeten Komponenten auch
für höhere Automatikstufen verwenden zu können, sollten alle diese Komponenten
busfähig sein.
Bei Erweiterung des Krans zu einem Materialflusssystem mit Katzüberfahrten, Hängebahnstrukturen
und angesteuertem Greifer als Lastaufnahmemittel, sind die Funktionalitäten
des Handsteuerschalters entsprechend zu ergänzen.
Die einfachste Kranautomatisierungsstufe stellt die automatisierte Leerfahrt dar. Der
leere Kran kann vom Arbeitsplatz per Ruftaste angefordert werden. Um die Risiken,
die von einem automatisch bewegten Kran ausgehen, zu minimieren, trennt man
Kran- und Personenwege. Der Kran fährt mit hochgezogenem Steuerschalter und
dem Lastaufnahmemittel in höchster Stellung, einer Höhe von mindestens 2,5 Metern,
automatisch aus seiner Warteposition zur vorher mit dem Ruftaster gelernten,
d.h. „geteachten“ Position und steht dem Bediener dort für eine manuelle Lastaufnahme,
anschließenden manuellen Transport und einer manuellen Lastabgabe mit
dem Handsteuerschalter zur Verfügung. Das Ende dieses Vorgangs und damit die
Bereitschaft für die nächste Leerfahrtanforderung kann beispielsweise der Bediener
durch ein Heben des leeren Hakens in die höchste Hakenstellung, besser aber durch
ein Quittieren am Handsteuerschalter anzeigen. Das automatische Heben des leeren
Hakens reduziert weitere Zeitanteile bei der Bedienung.
Für die automatisierte Leerfahrt müssen folgende busfähige Komponenten hinzugefügt
werden: Ruftaster, Hubwerk für Steuerschalter, Wegmesssystem für Kran- bzw.
Katzfahren. Aus Sicherheitsgründen muss überprüft werden, ob sich keine Last am
5-7

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Handrich, W.: Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren
Leichtfördersystems im Überflurbereich
Bild 3: Baukasten für stufenweise automatisierbare Krane
MATVAR
5-8

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Handrich, W.: Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren
Leichtfördersystems im Überflurbereich
MATVAR
Haken und der Haken in der höchsten Hakenstellung befindet. Die anzufahrenden
Positionen müssen gelernt, d.h. geteacht, und auf ca. 1m Genauigkeit angefahren
werden.
Darauf aufbauend ist die automatisierte Leer- und Lastfahrt als nächste Stufe eines
Automatisierungsbaukastens sinnvoll. Aus Sicherheitsgründen reicht ein Haken zum
Anschlagen von Lasten für den automatisierten Transport von Lasten in für Personen
zugänglichen Bereichen nicht aus. Alle Komponenten müssen so ausgelegt sein,
dass es zu keinem Lastabsturz kommen kann. Notfalls muss die Last in der höchsten
Hubstellung verriegelt werden. Der vom Bediener mittels Ruftaster angeforderte Kran
fährt zur gewünschten Position und lässt den Handsteuerschalter für eine manuelle
Bedienung des Krans während der Lastaufnahme herab. Nachdem die Last sicher
gegriffen und in die höchste Hubstellung gehoben ist, gibt der Bediener die Zielposition
ein. Dafür müssen ihm am Handsteuerschalter alle möglichen, vorher geteachten
Positionen zur Auswahl angezeigt werden. Anschließend beginnt die automatische
Lastfahrt, die mit dem Herablassen des Handsteuerschalters an der Zielposition
endet. Die Positionierung der Last und die Lastabgabe erfolgt manuell vom Bediener
am Zielort. Das Ende dieses Vorgangs und damit die Bereitschaft für die nächste
Anforderung kann wie bei der automatischen Leerfahrt beispielsweise der Bediener
durch ein Heben des leeren Lastaufnahmemittels in die höchste Hubstellung, besser
aber durch ein Quittieren am Handsteuerschalter anzeigen. Das automatische Heben
des leeren Lastaufnahmemittels reduziert weitere Zeitanteile bei der Bedienung.
Soll das Kranspiel vollautomatisch ablaufen, d.h. automatische Leer- und Lastfahrt
werden durch eine automatische Lastaufnahme und Lastabgabe ergänzt, so müssen
aus Sicherheitsgründen abgesperrte und überwachte Übergabestellen an den Positionen
geschaffen werden, an denen der Kran seine Last bzw. sein Lastaufnahmemittel
automatisch absenken kann. Die Übergabestelle selbst darf während des
Kranzugriffs nicht von Personen betreten werden. Neben erhöhten Sicherheitsanforderungen
ändern vor allem die Positionieranforderungen die Mechanik und Steuerung
des Krans. Alle Komponenten sind für eine Positioniergenauigkeit im Bereich
weniger Millimeter auszulegen.
Zentrale Komponente des vollautomatischen Krans wird ein KranPC. Dieser verwaltet
Transportaufträge und lässt diese abarbeiten. Ist mehr als eine Katze oder ein
Kran im Materialflusssystem integriert, müssen diese aufeinander abgestimmt werden.
Kollisionsvermeidung, Wegplanung, Fahrstrategien, Positionsdatenverwaltung
und Visualisierung aller Vorgänge sind Teilfunktionalitäten dieses Rechners. Der
KranPC dient gleichzeitig auch als Bedienelement und als Schnittstelle zu einem übergeordneten
Leitrechner, der den KranPC zur Durchführung von Transporten beauftragen
kann.
Sobald ein Leitsystem vorhanden ist, muss jeder Transport, sowohl der Leerbehältertransport
als auch der Transport von Gütern, dem Leitrechner gemeldet werden.
5-9

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Handrich, W.: Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren
Leichtfördersystems im Überflurbereich
MATVAR
Dafür stehen im Einsatzbereich mehrere Terminals zur Verfügung, die mit dem Leitsystem
vernetzt sind. Die Terminals haben zwei Funktionen. Sie dienen zur Eingabe
von Transportaufträgen bzw. zur Fertigmeldung von Fertigungsaufträgen, die anschließend
automatisch verschiedene Transportaufträge anstößt. Zum anderen stehen
sie als Anzeigeinstrument von Informationen, wie beispielsweise Behälter-
Identifikation, Übergabeplatz usw., dem Bediener zur Verfügung (SCHUSTER).
Der Aufbau, die Struktur der Steuerung und des KranPCs des realisierten Leichtfördersystem-Prototypen
ist in MÜLLER U.A. beschrieben. Die Entwicklung eines Funkbus-Datenübertragungssystems
für CAN in BRENDEL U. SCHWARZ.
Bild 4: Spielzeiten und Personalbindung für die Automatisierungsstufen
Die Automatisierung einzelner Teilschritte eines Kranspiels bringen den Vorteil Personal
zu entlasten, Vorgänge zu beschleunigen, Transporte rechnergesteuert abzuwickeln.
Aus Bild 5-4 geht hervor, dass das Kranspiel bei den Automatikstufen Leerund
Lastfahrt verlängert wird. Dies wird durch die zusätzlich erforderlichen Hub- und
Senkvorgänge des Steuerschalters verursacht. Ein an jedem Übergabeort vorhandener
Funk- oder Infrarotsteuerschalter schafft hier Abhilfe (BRENDEL U. SCHWARZ). Mit
jeder höheren Automatisierungsstufe nimmt allerdings der Zeitanteil ab, an dem Personen
am Ablauf des Kranspiels beteiligt sind. Die größte Ersparnis bringt dabei die
Einführung der automatisierten Leerfahrt, bei der die Zeitanteile auf freien Kran warten
und Kran holen entfallen.
5-10

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Handrich, W.: Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren
Leichtfördersystems im Überflurbereich
5 Positionierproblematik
MATVAR
Die Anforderung an die Positioniergenauigkeit (=maximal zulässige Abweichung von
der Soll-Position) ist im Wesentlichen von der Automatisierung der Lastübergabe abhängig.
• Wird eine Last manuell übergeben, so müssen die Antriebe lediglich positionierfähig
sein. Unter Positionierfähigkeit versteht man die Eigenschaft des Antriebes,
sie mit Steuerschaltern so genau ansprechen zu lassen, dass Positioniervorgänge
mehr oder weniger gut durchgeführt werden können. Im Kranbaukasten KBK
werden Kran-, Katz- und Hubwerksantriebe verwendet, die diese Anforderungen
erfüllen.
Bild 5: Positionierproblematik
• Soll eine Last allerdings automatisch übergeben werden, muss die Positionierung
der Last so genau erfolgen, dass eine automatisch abgesetzte Last wieder automatisch
gefunden und aufgenommen werden kann. Es interessiert insbesondere
die Positioniergenauigkeit der Last und des Lastaufnahmemittels in Relation
zum Übergabeplatz.
Die Positioniergenauigkeit hängt dabei von zahlreichen Faktoren ab:
5-11

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Handrich, W.: Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren
Leichtfördersystems im Überflurbereich
MATVAR
• Mechanik des gesamten Kransystems:
Stahlportal, Aufhängung, Kranbahn, Kranbrücke, Krankatze, Lastführung, Lastaufnahmemittel,
Behälter
• Dynamik des gesamten Kransystems:
Beschleunigungen, Geschwindigkeiten, Hubhöhe, Zeit zwischen Erreichen der
Zielposition von Kran/Katze in höchster Hubstellung und der des Hubwerks
• Positionierfähigkeit der Regelung für die Zielpunktanfahrt
Die größte Ungenauigkeit entsteht meist durch das Pendeln der Last. Dieses wird
verursacht durch Beschleunigungen und Verzögerungen des Krans oder durch eine
Lastaufnahme außerhalb des Lastschwerpunkts. Bei bisherigen Kranautomatisierungen
wurde durch Pendeldämpfungsmechanismen und sehr genauer Mechanik und
Dynamik des Systems eine möglichst gute Positioniergenauigkeit (im Bereich weniger
Millimeter) erreicht.
Mit der Verwendung des Kranbaukastensystems KBK der Fa. Mannesmann Dematic
AG hat das Projekt MATVAR allerdings den Ansatz gewählt, ein möglichst einfaches
mechanisches System zu verwenden, das die Einleitung nur geringer Kräfte in die
Kranbrücke zulässt. Aus konstruktiven und damit auch aus finanziellen Gründen
werden hier Lasten bei automatisierten Transporten nur in der höchsten Hubstellung
befördert. Die Reduzierung der Pendellänge führt zu kleineren Pendelausschlägen
und zu einer kürzeren Beruhigungszeit.
Sind die Lastbewegungen im Zielpunkt dann immer noch zu groß, bieten sich verschiedene
Maßnahmen zur Positionierung an:
a) Zentrierung des Lastaufnahmemittels auf der Last
b) Zentrierung der Last am Übergabeplatz
c) Zentrierung des Lastaufnahmemittels am Übergabeplatz
d) Zentrierung der Last in der höchsten Hubstellung
e) Zentrierung des Lastaufnahmemittels in der höchsten Hubstellung
Die Anforderung, ob ein Lastaufnahmemittel zur Last zentriert werden muss oder
nicht, hängt von den Greifmöglichkeiten der Last ab. Beispiel: Für ein automatisches
Greifen von VDA-KLT-Behältern in den dafür vorgesehenen Langlöchern ist ein Zentrieren
des Lastaufnahmemittels auf der Last unabdingbar (BAMBYNEK BILD 5, 6 UND
7). Dagegen lassen sich Großladungsträger und Gitterboxen mit ihren größer dimensionierten
Greifmöglichkeiten ohne Zentrierungen aufnehmen.
Am Übergabeplatz selbst ist grundsätzlich ein Zentrieren über die Ecken der Behälter
am sinnvollsten. Beim Absenken der Last wird diese zusammen mit dem Lastauf-
5-12

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Handrich, W.: Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren
Leichtfördersystems im Überflurbereich
MATVAR
nahmemittel über Schrägen zur Zielposition geführt. Dabei ist zu berücksichtigen,
dass das Lastaufnahmemittel nach dem Öffnen in die Ausgangslage zurückschwingt.
Reichen die Möglichkeiten an den Übergabeplätzen und den Lastaufnahmemitteln
nicht aus, um eine automatische Positionierung zu realisieren, helfen im einfachsten
Fall Zentrierungen in der höchsten Hubstellung. Damit wird das Pendeln der Last und
des Lastaufnahmemittels bei der Zielpunktanfahrt in der höchsten Hubstellung reduziert.
Je nach Katz-, Kran- und Hubwerkskonstruktion hat man im Projekt MATVAR
verschiedenste Positionierhilfen konzipiert, konstruiert und getestet.
Wegmesssysteme
Für das automatische Anfahren der Zielposition wird die Kranbrücke (x-Achse), die
Krankatze (y-Achse) und das Lastaufnahmemittel bzw. die Last (z-Achse) positioniert.
Je nach Automatisierungsgrad und Einsatzfall eignen sich unterschiedliche
Wegmesssysteme für diese Aufgaben.
Der Lehrstuhl LSR hat hier eine Marktanalyse und Bewertung durchgeführt.
Die Anforderungen an Wegmesssysteme unterscheiden sich genau wie die allgemeine
Positionierproblematik stark in Abhängigkeit von einer manuellen oder automatischen
Lastübergabe. Bei automatischen Leerfahrten oder Lastfahrten mit manueller
Lastübergabe ist eine wesentlich ungenauere Positionierung von Kranbrücke
und –katze zulässig, als dies bei der automatischen Lastübergabe notwendig ist.
Magnetische Prinzipien
Durchlichtprinzip
1 2 3 4
Kran bzw. Katze
Verlassen der Kranbahn
nicht möglich
Katze
Katzüberfahrt zwischen
Kranen möglich
Einsatzgebiete
Hängebahn
Kurvengängigkeit,
Weichengängigkeit
inkremental X X X
absolut (Code-Lineal) X X X
inkremental X X X
absolut (Code-Lineal) X X X
Auflichtprinzip X X X
Laser-Impulslaufzeitprinzip X X X
Zahnriemen/Kette X
Reibrad X X X X
Zahnstange X X
Seilzugsysteme X X
diskrete Systeme X X X X
Bild 6: Eignung verschiedener Messprinzipien nach Einsatzgebieten
Hubwerk
5-13

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Handrich, W.: Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren
Leichtfördersystems im Überflurbereich
MATVAR
Für die Auswahl eines Wegmesssystems ist daneben auch das Einsatzgebiet bzw.
die Krankomponente selbst ausschlaggebend. In Bild 6 sind folgende Fälle unterschieden:
1) Kran bzw. Katze, bei der das Verlassen der Kranbrücke nicht möglich ist.
2) Katze, bei der eine Überfahrt zwischen kombinierbaren Kranbrücken möglich ist.
3) Hängebahnbetrieb (Kurven- und Weichengängigkeit)
4) Hubwerk
Anhand der Bewertungskriterien (Montageaufwand, Kosten, Zusatzaufwand für
Nachrüstung eines zweiten Krans, Positionserkennung nach Stromausfall, Ortsflexibilität,
Erweiterung um eine Position und Messgenauigkeit) wurde eine gewichtete
Punktbewertung durchgeführt. Jedes Messsystem wurde für jedes Bewertungskriterium
mit 0 (nicht erfüllt) bis 10 Punkten (voll erfüllt) bewertet, mit der Gewichtung
multipliziert und anschließend aufsummiert.
Für den Anwendungsfall mit manueller Lastübergabe eignen sich für die Kranbrückenposition
mitlaufende Reibräder, Seilzugsysteme, Lasersysteme und sogenannte
diskrete Systeme (Kreuzschalter, Sensoren) am besten.
Bild 7: Bewertung und Auswahl von Wegmesssystemen für den Anwendungsfall
automatische Lastübergabe
5-14

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Handrich, W.: Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren
Leichtfördersystems im Überflurbereich
MATVAR
Für den Anwendungsfall mit automatischer Lastübergabe (Bild 7) eignet sich - insbesondere
für den Fall mit Katzüberfahrten von Kranbrücken in Hängebahnstrukturen -
ein optisches Messverfahren nach dem Durchlichtprinzip, das WCS-System der Fa.
R. Stahl Fördertechnik GmbH (STAHL 1998). Hier wird neben der Kranbrücke und
Hängebahnschiene eine einspurige Codeschiene mit einer Abfolge von rechteckigen
Löchern und Stegen verlegt, die einen auszuwertenden Code darstellen. Ein Lesekopf
kann so bis zu einer Weglänge von über 300m unterschiedlichste Muster erkennen
und den exakten Positionswert als Information auf das Bussystem ausgeben.
Für die Positionierung der Kranbrücke und der Hubwerke eignen sich am besten
Seilzugsysteme. Sie heben sich von anderen Systemen hauptsächlich wegen der
einfachen Montage und den geringen Kosten ab.
6 Gestaltung von Katzen und Brücken
Bei der Gestaltung von Krankatze und Kranbrücke müssen beachtet werden:
• Anzahl der Seilabläufe und damit die Festlegung der Lastorientierung
• Anordnung der Seilabläufe, der Seiltrommeln und Antriebe
• Lagerung der Katze, Gestaltung der Kranbrücke und damit die Festlegung der
Freiheitsgrade der Katze zur Brücke
• Überfahrmöglichkeit der Katze und Kurvengängigkeit der Katze für Hängebahnbetrieb
• Durchbiegung und Schwingung der Kranbrücke
• Spurtreue der Kranbrücke
• Abmaße, Bauhöhe und Möglichkeiten für Anbauten wie Zentrierungen, zusätzliche
Antriebe für hochziehbaren Steuerschalter, Wegmesssysteme für Katze und
Hubwerk, Energieversorgung der Lastaufnahmemittel usw.
Bild 8 zeigt konzeptionell, wie sich bei Ein- und Zwei-Seil-Katze die Last bei nicht
zentrischer Beladung verdrehen kann. Der Auslenkwinkel a lässt sich durch ein größeres
Maß h zwischen Lastschwerpunkt und Oberkante Spreizung reduzieren.
Ebenso erzeugt ein größeres Gewicht eines symmetrischen Lastaufnahmemittels
ein kleineres d und damit ein kleineres a. Aufgrund der Positionierproblematik
wird für automatische Übergaben auf eine Ein-Seil-Katze verzichtet, eine Zwei-Seil-
Katze für den Transport der VDA-Kleinladungsträgern getestet. Die Zwei-Seil-Katze
hat den Vorteil, dass sie durch eine einfache Anordnung von Seiltrommel und Antrieb
so baut, dass sie in einer Einträgerkranbrücke verfahren werden kann und sich deswegen
für den Einsatz in Hängebahnstrukturen mit Kurven und Weichen eignet.
5-15

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Handrich, W.: Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren
Leichtfördersystems im Überflurbereich
Bild 8: Konzeption der Anzahl und Anordnung der Seile
MATVAR
Soll ein Drehen der Last um alle Achsen größtmöglich reduziert werden, ist eine Katze
mit vier einfach eingescherten Seilen am sinnvollsten. Die Anordnung der Seilangriffspunkte
(Bild 8 rechts unten) muss dabei nicht über den Behälterecken liegen.
Dies hätte eine viel zu groß bauende Katze zur Folge. So werden die Seilangriffspunkte
1-4 zur Behältermitte verschoben. Liegt der gemeinsame Schwerpunkt G von
Transportgut, Behälter, Lastaufnahmemittel und Adapter im grau hinterlegten Viereck,
so tragen alle vier Seile einen Teil der Last; es kommt zu keiner Schlaffseilbildung.
Liegt G im schraffierten Bereich, tragen nur drei Seile die gesamte Last; das
System ist statisch bestimmt. Liegt G außerhalb des Rechtecks 1-4, kippt der Behälter;
die Anlage stoppt wegen Schlaffseilbildung. Für den Transport der Großladungsträger
wird eine Vier-Seil-Katze, eine sogenannte Quadro-Blockwinde, in einer Zweiträgerkranbrücke
verwendet.
5-16

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Handrich, W.: Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren
Leichtfördersystems im Überflurbereich
MATVAR
Die Zweiträgerkranbrücke ist ab einer bestimmten Spannweite zum Erreichen der
notwendigen Tragfähigkeit erforderlich. Zusätzlich verhindert sie aufgrund einer
breiteren Abstützbasis ein Pendeln der Katze, hat allerdings den Nachteil, dass Kurvenfahrten
nicht ohne erhöhten konstruktiven Aufwand möglich sind.
Um trotz des einfachen mechanischen Kranbaukastensystems KBK eine möglichst
gute Positioniergenauigkeit erreichen zu können, werden die Kranbrücken mit starren
Krantraversen aufgebaut. Damit erzielt man eine ausreichende Spurtreue und verhindert
das Drehen der gesamten Brücke.
7 Einsatzfälle und Anwendungen
Wofür eignet sich nun das bisher beschriebene Leichtfördersystem im Überflurbereich?
Die Automatisierung untereinander kombinierbarer Hängekrane, die Vernetzung mit
der bewährten Hängebahntechnik und die Möglichkeit mehrere Katzen auf einer
Kranbrücke betreiben zu können, machen den Kran zu einem verfahrbaren Hängebahn-Schienenelement
und den manuellen Kranbaukasten zu einem in Stufen automatisierten,
innerbetrieblichen Materialflusssystem. Damit stehen für die flächige Erschließung
des Produktionsfeldes Krane und für den linienförmigen Transport Hängebahnen
zur Verfügung.
Durch den Ansatz Positionierungenauigkeiten bewusst zuzulassen, ist es möglich,
ein einfaches mechanisches System zu verwenden. Der Ansatz die Mechanik, die
Elektrik und Steuerung modular und die einzelnen Automatik- und Ausbaustufen so
zu gestalten, dass sie sich aufeinander aufbauen und miteinander kombinieren lassen,
führt zu einem ersten Mechanik- und Steuerungsbaukasten.
Mit dem Leichtfördersystem im Überflurbereich ergeben sich neue Perspektiven für
den Einsatz im Produktionsprozess: Die Anordnung der Betriebsmittel kann ohne
Berücksichtigung der Transportwege geschehen. Diese werden einfach in den Überflurbereich
verlagert.
Grundsätzlich sind folgende Einsatzmöglichkeiten vorstellbar (GÜNTHNER U.
HANDRICH 1998):
• Transport zwischen Fertigungsbereichen
• Versorgung einzelner Fertigungsinseln
• direkte Maschinenver- und –entsorgung
• Lagerbedienung
• Versorgung temporäre Fertigungspuffer wie zum Beispiel: Bodenlager, Verschiebebodenregallager,
Paternosterlager aber auch Hängebahnlager
5-17

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Handrich, W.: Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren
Leichtfördersystems im Überflurbereich
MATVAR
• Versorgung von Kommissionierbereichen: An- und Ablieferung der Ware auf
standardisierten Ladungsträgern
• Einsatz für Montagevorgänge
• Ladebereitstellung für außerbetrieblichen Transport
• Fahrzeugbe- und –entladung
Einige Anwendungsfälle machen nur Sinn, wenn die Automatisierung des Krans so
angepasst wird, dass die Last manuell vom Werker vor Ort feinpositioniert und übergeben
wird, andere – insbesondere die Kombination mit Stetigförderern oder die
Versorgung von Lagern nur wenn eine vollautomatische Lastübergabe stattfindet.
Für die Versorgung von Fertigungspuffern bieten sich mehrere Möglichkeiten an:
Bild 9: Lagerkonzepte für temporäre Fertigungspuffer
Leider eignen sich Krane kaum als Lagerbediengerät mit seitlicher Bedieneinheit.
Besondere Regelungen und Lastaufnahmemittel sind dafür notwendig (HOFER,
LAHRES U.A. 1999). Deshalb werden Krane meist zur Beschickung von Boden- und
Blocklagern mit direktem Zugriff von oben eingesetzt. Bodenlager haben den Nachteil,
dass nur in einer Lage gelagert wird und sie damit einen kleinen Flächennut-
5-18

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Handrich, W.: Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren
Leichtfördersystems im Überflurbereich
MATVAR
zungsgrad aufweisen. In mehrlagigen Blocklagern ist ein aufwendiges Umschichten
der Lagergüter erforderlich, wenn nicht aus der obersten Ebene entnommen oder
sortenrein in jeder Lagersäule eingelagert wird. Blocklager erfordern beim Einsatz
des hier entwickelten Leichtkransystems für den automatischen Zugriff zusätzlich
Positioniervorrichtungen, die die Last bzw. das Lastaufnahmemittel in der obersten
Lage zentrieren.
Für die Regalbedienung mit flurfreier, innerbetrieblicher Fördertechnik gibt es bisher
Regale mit von Hand auszuziehenden Lagerböden oder Schubladen, auf die Güter
von oben manuell abgestellt und aufgenommen werden können. Sie wiederum haben
den Nachteil, dass der Ausfahrmechanismus bei höheren Lasten sehr groß baut,
eine Bedienung bisher nur manuell möglich ist und dies in Höhen über 2 m Sicherheitsrisiken
für den Bediener mit sich bringt.
Abhilfe schafft ein Lager mit Böden, die sich automatisch so verfahren lassen, dass
jeder Lagerplatz von oben mit Kranen erreichbar ist. Der Lehrstuhl LSR hat zusammen
mit der Fa. OBTec Steuerungstechnik in einem von Bayern Innovativ geförderten
Projekt ein solches Verschiebebodenregal entwickelt und aufgebaut.
Bild 10: Lagersystem mit verfahrbaren Böden
Dieses Regal ist geeignet für die Einlagerung von Kunststoff-Großladungsträgern mit
dem Leichtfördersystem im Überflurbereich. Das Regal verfährt automatisch die einzelnen
Böden, verfügt über eine Lagerverwaltung und lässt sich an ein Leitsystem
anschließen.
5-19

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Handrich, W.: Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren
Leichtfördersystems im Überflurbereich
8 Pilotanlage
Bild 11: Pilotanlage am Lehrstuhl LSR
MATVAR
5-20

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Handrich, W.: Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren
Leichtfördersystems im Überflurbereich
MATVAR
Im Rahmen dieses Projektes ist am Lehrstuhl LSR eine Pilot- bzw. Versuchsanlage
als Prototyp für ein Materialflusssystem für dynamische Produktionsstrukturen entstanden.
Sie besteht aus:
• dem Leichtfördersystem im Überflurbereich (siehe MÜLLER U.A.)
• angebundener Fördertechnik, Schwerlastrollenbahnen für Großladungsträger und
Stauförderern für VDA-Kleinladungsträger
• angebundener Lagertechnik wie Boden-, Block- und Verschiebebodenlager
• Übergabeplätzen, die sich für eine automatisierte Lastübergabe eignen und
• Staplern, die über ein Leitsystem angebunden sind.
9 Zusammenfassung und Ausblick
Mit dem Leichtfördersystem im Überflurbereich, einer Weiterentwicklung des Kranbaukastensystems
KBK der Fa. Mannesmann Dematic AG, entstand ein zukunftsweisendes
Materialflusssystem, mit dem sich gesamte Fertigungsbereiche flächendeckend
bedienen lassen. Durch die Verlagerung der Transportvorgänge in
den Überflurbereich kann auf kurzfristige Layoutänderungen in dynamischen Produktionsstrukturen
weitaus flexibler als mit herkömmlichen Fördergeräten reagiert
werden. Es lassen sich geschlossene Behälter (Kunststoff-Großladungsträger bis
500kg, Gitterboxen bis zu 1000kg und VDA-Kleinladungsträger bis 50kg) transportieren.
Für den automatisierten Transport von Lasten mit Kranen in einem Umfeld, in
dem sich Personen aufhalten, sind entsprechende Konzepte entstanden.
Um für jeden Anwendungsfall die passende Automatisierungsstufe anbieten zu können,
wurde ein in Stufen automatisierbares System entwickelt. Die Umsetzung eines
Baukastensystems nicht nur in Mechanik, sondern auch in Elektrik, Steuerung und
Programmierung ist dafür notwendig. Hier wurde mit dem Einsatz von busfähigen
Steuerungskomponenten im Kranbaukasten KBK ein erster Schritt getan.
Der Positionierung der Last bzw. des Lastaufnahmemittels kommt bei automatisierten
Anlagen immer eine besondere Bedeutung zu. Die gesamte Positionierproblematik
kann umgangen werden, wenn das automatisierte Kransystem nur in der
höchsten Hubstellung die Zielposition anfährt und dort der Werker im Produktionsumfeld
die Lastübergabe übernimmt. Aber auch für den Fall der automatischen Lastübergabe
mit dem einfachen KBK-System sind die für eine genaue Positionierung
notwendigen Komponenten entwickelt worden.
In einer Versuchsanlage am Lehrstuhl LSR wurden die wesentlichen Projektergebnisse
umgesetzt, in Betrieb genommen und getestet. Damit steht ein geeignetes und
großzügiges Testfeld für zukünftige Untersuchungen und Weiterentwicklungen zur
Verfügung.
5-21

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Handrich, W.: Entwicklung eines stufenweise automatisierbaren
Leichtfördersystems im Überflurbereich
10 Literatur
GÜNTHNER U. ALLGAYER 1997
Günthner, Allgayer:
Verbundforschungsprojekt „MATVAR“ ist angelaufen ,
Logistik im Unternehmen, Nr. 10 Oktober 1997, S. 28-30.
MATVAR
GÜNTHNER U. HANDRICH 1998
Günthner, Handrich:
Einsatzmöglichkeiten eines Leichtfördersystems im Überflurbereich, Logistik
aktuell: Automatisierte Krane- Einsatzerfahrungen und Entwicklungstendenzen,
Dresden, 15. Mai 1998, Hrsg.: H.-G. Marquardt.
GÜNTHNER U. BAMBYNEK 1998
Günthner, Bambynek:
Schnittstellenbaukasten: Integrierbarkeit eines flurfreien Leichtfördersystems,
Hebezeuge und Fördermittel, Band 38 (1998) Heft 12, S. 593-595.
HESSE 1995
Hesse:
Technik und Anwendung automatisierter Krane, Hebezeuge und Fördermittel,
Band 35 (1995) Heft 12, S. 521-524.
HOFER, LAHRES U.A. 1999
Hofer, Lahres u.a.:
Regallager-Bedienung mit Automatikkran, Hebezeuge und Fördermittel, Band
39 (1999) Heft 10, S.456-459.
STAHL 1998
N.N.:
Die Stahltronic-Komponenten. F-PB-5.3-D-04.98.
VDI 1995
VDI-Richtlinie 3653: Automatisierte Kransysteme. Düsseldorf, März 1995
5-22

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Bambynek, A.: Integration eines flexiblen Hängekransystems in den Materialfluss
,QWHJUDWLRQ HLQHV IOH[LEOHQ +lQJH
NUDQ +lQJHEDKQV\VWHPV LQ GHQ
LQQHUEHWULHEOLFKHQ 0DWHULDOIOXVV
'LSO ,QJ $OH[DQGHU %DPE\QHN
/HKUVWXKO I U )|UGHUWHFKQLN 0DWHULDOIOXVV /RJLVWLN
7HFKQLVFKH 8QLYHUVLWlW 0 QFKHQ
%ROW]PDQQVWU
*DUFKLQJ E 0 QFKHQ
MATVAR
6-1

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Bambynek, A.: Integration eines flexiblen Hängekransystems in den Materialfluss
1 Einführung
MATVAR
Eine dynamische und sich ständig im Wandel befindliche Fertigungsstruktur erfordert
anpassungsfähige Fördersysteme. Erforderlich ist dafür eine hohe Flexibilität für sich
ändernde Förderaufgaben. Sie werden durch zu transportierenden Lasten, durch die
Transportleistung und durch sich häufig wechselnde Quellen-Senken-Beziehungen
bestimmt. Die genannten Anforderungen waren der Anstoß für das Forschungsprojekt
MATVAR (GÜNTHNER U. ALLGAYER 1997), dessen Forschungsziel u.a. die Entwicklung
von variablen Materialflusssystemen in unterschiedlichen Automatisierungsgraden
ist.
Am Materialfluss sind eine Vielzahl von Komponenten zum Fördern, Lagern, Puffern
und Kommissionieren beteiligt, die zusammen den Materialfluss in der Produktion
abwickeln. Sie müssen, um ihre Funktion zu erfüllen und um im Verbund mit anderen
operieren zu können, in das Gesamtsystem integriert werden (GÜNTHNER U.
BAMBYNEK 1998). Alle Komponenten, die diese Fähigkeit besitzen, sind systemfähig
für ein innerbetriebliches Materialflusssystem. Im Arbeitspakets 5: „Informatorische,
energetische und physische Schnittstellen“, werden hierzu die gemeinsame Eigenschaften
und Verbindungen der Komponenten festlegt, damit das flexible Materialflusssystem
im Verbund mit allen daran beteiligten Komponenten funktionieren kann.
Bild 1: Systemintegration eines Hängekran- Hängebahnsystems in den innerbetrieblichen
Materialfluss
6-2

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Bambynek, A.: Integration eines flexiblen Hängekransystems in den Materialfluss
MATVAR
Im Vordergrund der Betrachtung steht ein layoutflexibles, automatisiertes Hängekran-
und Hängebahnsystem (Bild 1), welches nicht flurgebunden ist und damit keine
Einschränkungen hinsichtlich der Transportwege erfährt. Es besteht aus einer oder
mehreren parallelen Kranbahnen auf denen jeweils eine oder mehrere Kranbrücken
fahren können. Auf jeder dieser Kranbrücken können mehrere Katzen fahren, die
über ihren Seiltrieb ein Lastaufnahmemittel absenken, um Lasten im gesamten Arbeitsraum
von Kran und Katze aufnehmen oder abgeben zu können. Die Verriegelung
von je zwei Kranbrücken auf parallelen Kranbahnen ermöglicht die Überfahrt der
Krankatzen. Alternativ ist die Überfahrt auf eine Hängebahn möglich. Durch eine
Kombination der beschriebenen Möglichkeiten kann ein Produktionsfeld überspannt
werden. Es entsteht ein Materialflussnetz im Überflurbereich mit mehren Kranen auf
unterschiedlichen, parallelen Kranbahnen und Katzen. Zur Reduzierung der Personalbindung
kann das Hängekran- Hängebahnsystem in Stufen automatisiert werden:
• Manuellbetrieb
• Automatisierte Leerfahrt
• Automatisierte Lastfahrt
• Automatisierte Lastauf- und Lastabgabe
Das betrachtete Gesamtsystem besteht zusätzlich aus flurgebundenen Fördergeräten
wie Gabelstaplern. Hinzu kommt herkömmliche Stetigfördertechnik wie Rollenbahnen,
Kettenförderer und Bandförderanlagen, die zwar nicht als ortsflexibel eingestuft
werden können, aber für den Materialfluss innerhalb der Produktionszellen unverzichtbar
sind. Zu dem Materialflusssystems gehört auch die Lagertechnik. Im einfachsten
Fall werden Blocklager als fertigungsnahe Pufferlager eingesetzt, die sowohl
durch die Krananlage als auch mit dem Stapler bedient werden können. Die
Anbindung an Hochregallager ist durch Übergabe an Auf- und Abgabeplätze in der
Lagervorzone möglich.
Das beschriebene flurfreie Leichtfördersystem für Lasten bis zu 1t soll im Rahmen
des Projekts zu einer systemfähigen Materialflusskomponente entwickelt und flexibel
in den Materialflussverbund integriert werden. Das Hautaugenmerk liegt auf der Anpassung
an die Förderaufgabe und die Anbindung an unterschiedliche Materialflusstechnik
unter Berücksichtigung von Sicherheitsanforderungen. Es gibt hierzu
eine Vielzahl weiterer Aspekte (Bild 1), wie bauliche Randbedingungen, Anforderungen
hinsichtlich der Bedienung und der Einbindung in ein Steuerkonzept, die hier
zwar angesprochen, jedoch nicht weiterverfolgt werden.
6-3

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Bambynek, A.: Integration eines flexiblen Hängekransystems in den Materialfluss
2 Vorgehensweise bei der Systemeinbindung der Kran-
Hängebahnanlage
MATVAR
Am Anfang einer systematische Vorgehensweise zur Festlegung von Schnittstellen
für ein flexibles Materialflusssystem (Bild 2) steht die funktionale Analyse des Gesamtsystems.
Eine anschließende Aufteilung in Funktionsgruppen schafft unabhängige
Komponenten für ein Bauprogramm. Die unterschiedlichen Kombinationsmöglichkeiten
ermöglichen schließlich den Aufbau verschiedener Gesamtsysteme unter
der Vorgabe, dass die Änderung einer Komponente nicht zur Änderung aller anderen
des Materialflusssystems führt. Eine Anpassung darf, falls nötig, nur im vorbestimmten
Rahmen vorgenommen werden. Häufig erfolgt die Systemaufteilung nach Anlagengewerken,
für die jeweils ein Hersteller die Verantwortung trägt. Die Komponenten
werden meist nachträglich aufeinander abgestimmt. Diese Vorgehensweise führt
oft dazu, dass für unterschiedliche Gesamtsysteme nicht einheitliche Systemgrenzen
spezifiziert werden. Im ungünstigsten Fall sind bei Erweiterungen oder Umrüstungen
nachträgliche, funktionale Veränderungen notwendig. Die Flexibilität kann dadurch
eingeschränkt werden.
Anhand der Funktions- und Schnittstellenbeschreibung können bestehende Komponenten
ausgewählt oder gegebenenfalls neue Komponentenkonzepte erstellt und
bewertet werden. Wichtigstes Kriterium ist die Funktionalität. Darüber hinaus ist die
Sicherheit der Anlage zu berücksichtigen. Eine erste Beurteilung in der Konzeptphase
ist nach der EG-Maschinenrichtlinie für alle Maschinen und Anlagen vorgeschrieben,
obwohl eine umfassende Zusammenstellung der Gefahrenrisiken erst nach der
Umsetzung durch Produktbeobachtung möglich ist. Als Instrument dient die Gefahrenanalyse,
in der alle möglichen Gefahrenursachen zusammengestellt werden. Zur
Verminderung müssen Maßnahmen ergriffen und dokumentiert werden mit dem Ziel,
das Restrisiko so klein wie möglich zu halten. Der Maßstab für die Bewertung sind
der Stand und die Regeln der Technik. Hierzu zählen für den Einsatz von Krananlagen
z.B. die Unfallverhütungsvorschrift (UVV) „Krane“, die UVV „Lastaufnahmeeinrichtungen
im Hebezeugbetrieb“ und weitere anerkannte Regeln der Technik wie die
VDI 3653 „Automatisierte Kransysteme“.
Da die Funktionalität und die Sicherheit der Komponenten stets Vorrang haben, wird
die Flexibilität zuletzt bewertet. Kriterien sind die Erweiterbarkeit um Komponenten
und die Adaptierbarkeit bei Veränderung der Gesamtanlage. Ein Beispiel hierfür ist
die Erhöhung des Automatisierungsgrades der Krananlage von einem Kran mit automatisierter
Leerfahrt hin zu einem Kran mit automatisierter Lastfahrt:
6-4

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Bambynek, A.: Integration eines flexiblen Hängekransystems in den Materialfluss
MATVAR
• Flexible Lastaufnahmemittel sind weiter einsetzbar, wenn sie der neuen Aufgabe
angepasst werden
• Geeignete Behälter können auch für den automatisierten Krantransport genutzt
werden.
In der Umsetzung und Testphase ist eine abschließende Bewertung nach den Kriterien:
Funktionalität, Sicherheit und Flexibilität möglich. Die dabei überprüften
und eventuell verbesserten Spezifikationen stellen einen Vorschlag für die flexible
Integration des Hängekran-Hängebahnsystems in den Materialfluss dar.
Bild 2: Vorgehensweise bei der Festlegung von Funktionalitäten und
Schnittstellenspezifikationen
6-5

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Bambynek, A.: Integration eines flexiblen Hängekransystems in den Materialfluss
3 Aufteilung in Systemkomponenten
MATVAR
Zur Spezifikation von Schnittstellen werden die in Bild 3 dargestellten Komponenten
mit ihren zugeordneten Aufgaben und Eigenschaften festgelegt. Diese Aufzählung
enthält u.a. getrennte Beschreibungen von automatisch bedienten Förder-, Lagerund
Bodenlagerplätzen. Hinsichtlich ihrer Beziehung zum Kran treten jedoch keine
Unterschiede auf, da für den Kran nur wichtig ist, ob der automatisierte Zugriff auf
einen Platz mit einer gelernten Position möglich ist:
1. Hängekran-Hängebahnsystem:
Die in der Einführung beschriebene Anlage übernimmt die Leer- und Lastspiel in
unterschiedlichen Automatisierungsstufen, angefangen vom manuellen Kran bis
hin zur Vollautomatikfahrt. Das Kran- und Katzfahren erfolgt aus Sicherheitsgründen
und, um Pendelbewegungen der Last zu verringern, in der höchsten Hubstellung.
An den Übergabestellen wird die Last über ein Hubwerk zum An- bzw.
Abschlagen abgesenkt. Im Fall einer automatischen Anfahrt oder Bedienung des
Übergabeplatzes muss diese Position vorab „geteacht“, d.h. gelernt werden.
2. Lastaufnahmemittel:
Greifer übernehmen die formschlüssige Lastaufnahme und Lastabgabe, nachdem
sie durch den Kran hierfür positioniert worden sind. Sie steuern ihre Bewegungen
durch eine vom Kran unabhängige Steuerung und sorgen für eine sichere Lastverriegelung,
die sie selbsttätig überprüfen. Die Lastaufnahmemittel stellen nach
dem Senden der Kranfreigabe fest, ob die Verriegelung nicht mehr gewährleistet
ist.
3. Ladehilfsmittel:
Für den Transport von Lasten werden Behälter eingesetzt. Sie sichern die Ladung
gegen Absturz und schaffen einheitliche Greif- und Fördermöglichkeiten.
Sie ermöglichen zusätzlich die Stapelbildung in Lagern und auf Paletten.
4. Fördertechnik:
Rollenbahnen übernehmen den Zu- und Abfluss in den Fertigungszellen. An den
Lastabgabestellen wird das Transportgut vereinzelt und positioniert. An den Lastaufgabestellen
helfen Einführungen bei der Positionierung auf den Förderer. Die
Belegung der Aufgabe-, Abgabe- und Stauplätze werden über Sensorik überwacht.
5. Lager:
Sie werden in der Fertigung überwiegend zur Zwischenpufferung eingesetzt. In
einem Blocklager werden kompatible Behälter gestapelt. Ein Zugriff auf jeden Behälter
ist unter Umständen nur nach Umstapeln der Behälter möglich. Eine Ausnahme
bilden einlagige Bodenlager. Als Alternative hierzu bietet ein Verschiebebodenregal
den Zugriff auf jeden Behälter an. Das Lager fährt den entsprechen-
6-6

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Bambynek, A.: Integration eines flexiblen Hängekransystems in den Materialfluss
MATVAR
den Behälter in die Position, von der er vom Kran abgeholt werden kann. Die Bedienung
ist manuell als auch automatisiert möglich.
Bild 3: Schnittstellenbeziehungen zwischen den Systemkomponenten
6-7

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Bambynek, A.: Integration eines flexiblen Hängekransystems in den Materialfluss
MATVAR
6. Stapler:
Gabelstapler werden für Transporte zwischen den Auf- und Abgabepunkten benötigt,
die vom Hängekran- Hängebahnsystem nicht erreicht werden können. Sie
schaffen eine zusätzliche Redundanz für alle anderen Transportvorgänge. Ein
Staplermanagementsystem koordiniert die Aufträge für den Staplerfahrer. Sie
werden auf einem mitfahrenden Terminal angezeigt und können übernommen, im
Störungsfall zurückgegeben und nach erfolgreicher Abarbeitung quittiert werden.
7. Übergabeplätze:
Sind Auf- und Abgabeplätze nicht an Fördertechnik- und Lagerkomponenten gebunden,
so haben Übergabeplätze im Fall der automatischen Bedienung lediglich
die Aufgabe Behälter zu positionieren. Zur Unterstützung der Lastabgabe dienen
Einführungen zur Ausrichtung auf die Platzposition.
8. Sicherheitstechnik:
Das Auftreten einer Störung darf nicht dazu führen, dass eine Gefährdung von
Personen entsteht. Absperrungen mit Zugangsüberwachung verhindern, dass
Personen sich im Bereich von Übergabestellen aufhalten. Türschalter, Lichtvorhänge
oder Trittmatten registrieren, dass ein umzäunter Bereich betreten oder
verlassen wird. Dies führt normalerweise zum Not-Aus und damit zur Energieabschaltung
für die Antriebe der Automatikkrananlage. Eine Produktionsumgebung
macht es jedoch erforderlich, dass ein Betreten von Plätzen, an denen Lasten
automatisch übergeben werden, während des Betriebs der Anlage möglich ist,
ohne einen Not-Aus zu verursachen. Eine Erlaubnis zum Betreten ist an die Bedingungen
geknüpft, dass in diesem Zeitraum der Kran den Platz nicht anfahren
darf. Die Anzeige erfolgt über eine Signallampe. Ist die Erlaubnis nicht erteilt und
wird die Schutzeinrichtung verletzt, so muss der Not-Aus der Krananlage gewährleistet
sein.
9. Leitsystem:
Ein übergeordnetes Leitsystem wird benötigt, um Transportaufträge zu verwalten
und an die einzelnen Fördergeräte zu versenden. Diese enthalten die Quelle, das
Ziel und eine eindeutige Behälterbezeichnung. Der Auftrag kann darüber hinaus
um weitere Begleitdaten erweitert werden. Ohne einen Transportauftrag darf kein
Fördergerät, weder automatisiert oder manuell, einen Transport ausführen. Handelt
ein Bediener dieser Vorschrift zuwider, so muss das Abbild auf dem Leitrechner
manuell korrigiert werden. Im Arbeitspaket 3 „Materialflusssteuerung“ werden
zur Leitrechnerschnittstelle Konzepte erarbeitet und umgesetzt.
Zwischen den beschriebenen Komponenten gibt es eine Vielzahl von mechanischen,
elektrischen und informatorischen Schnittstellen, die abhängig sind von der beschriebenen
Funktionalität. Eine Bezeichnung enthält Bild 3. Eine nähere Beschreibung
erfolgt bei der Auswahl und Konzeption der Komponenten, da die Schnittstellenspezifikationen
Anforderungskriterien sind, die erfüllt werden müssen.
6-8

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Bambynek, A.: Integration eines flexiblen Hängekransystems in den Materialfluss
4 Auswahl geeigneter Behältersysteme
MATVAR
Eine Untersuchung des Lehrstuhls für Fördertechnik Materialfluss Logistik
(GÜNTHNER U. HANDRICH 1998) hat gezeigt, dass die Transportlasten im innerbetrieblichen
Materialfluss zu 93,8% unter 1t und zu 33,4% unter 50kg liegen. In Bild 4 ist
die Gewichtsverteilung der Lasten und eine Zuordnung zu geeigneten Ladehilfsmitteln
dargestellt, die zur Handhabung unterschiedlichster Lastgeometrien eingesetzt
werden. Bemerkenswert ist, dass für 62% aller Materialflussvorgänge bereits Behälter
und Paletten benutzt werden.
Bild 4: Gewichtsverteilung innerbetrieblicher Transporte mit Zuweisung geeigneter
Ladehilfsmittel
Eine geeignete Einteilung der innerbetrieblich genutzten Ladehilfsmittel in Kategorien
erfolgt nach Abmessung und Gewicht:
• Kunststoff-Kleinladungsträger im Format 600 x 400 für Lasten unter 50kg.
• Paletten, Gitterboxen und Kunststoffgroßladungsträger der Maße 1200x1000 und
1200x800 oder 800x600 für Lasten bis zu 1t.
Ein Großteil der Transporte kann in Übereinstimmung mit der Umfrage in Ladehilfsmitteln
der genannten Kategorien abgewickelt werden. Eine Ausnahme bilden die
Paletten, die für den automatisierten Krantransport ungeeignet sind, da eine Sicherung
der Ladung gegen Absturz der Last nicht immer sichergestellt ist. Die richtige
Auswahl entscheidet, ob ein durchgängiger Materialfluss möglich ist. Schließlich
6-9

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Bambynek, A.: Integration eines flexiblen Hängekransystems in den Materialfluss
MATVAR
müssen alle am Materialfluß beteiligten Fördergeräte die Behälter handhaben oder
transportieren können. Folgende Kriterien sind wichtig für die Entscheidung:
• Bodenkonstruktion, als Kriterium, ob der Transport auf eingesetzten Stetigförderen
wie Rollenbahnen oder Kettenförderern möglich ist.
• Hohes nutzbares Volumen als Kriterium für Lagerbehälter.
• Stapelfähigkeit zur kompakten Ladeeinheitenbildung und Lagerung
• Geringes Leermassen-Nutzlastverhältnis
• Hohe Lebensdauer
• Standardisierte Abmessungen
• Greifmöglichkeiten zur Handhabung
• Ausreichende Maßqualität als Voraussetzung für eine automatisiertes Greifen
durch ein Kranlastaufnahmemittel
Die Greifmöglichkeiten und deren Maßhaltigkeit entscheiden, ob der Behälter mit
dem automatisierten Kran transportiert werden kann. Der VDA-KLT (VDA-
Kleinladungsträger, Bild 5a) dient hier als Referenzbebälter für die hohe Variantenvielfalt
im Bereich niedriger Nutzlasten. Es bietet neben normierten Abmessungen
zahlreiche Greifmöglichkeiten, die für die geforderte formschlüssige Lastaufnahme
genutzt werden können. Hierzu zählen horizontale Nuten und vertikale Greifschächte.
Diese ermöglichen ein Greifen von „oben“ über Schächte und eine vollständigen
Lastverriegelung. Für diesen Greifvorgang wird, im Gegensatz zum Eingreifen in die
horizontale Nuten oder in die seitlich angebrachten Griffe kein zusätzlicher, seitlicher
Raum benötigt. Das schlechte Volumennutzungsverhältnis durch die doppelwandige
Ausführung des VDA-KLT soll an dieser Stelle nicht unerwähnt bleiben. Zahlreiche
überarbeitete Behältersysteme orientieren sich an dem in DIN 30820 T1-9 spezifizierten
Standard. Hierzu zählt beispielsweise auch der KLT-Behälter in einwandiger
Ausführung.
Ladehilfsmittel für größere Lasten (< 1t) sind für den Transport durch Flurförderzeuge
ausgelegt. Für den Krantransport können die gleichen Aufnahmen (Bild 5b) wie für
die Gabelstapler genutzt werden. Der Behälterboden hat für den sicheren Transport
eine wichtige Funktion, da das Lastaufnahmemittel im Gegensatz zum Stapler die
Last nicht vollständig, sondern nur von beiden Seiten kurz untergreift. Alternativ
müsste zur Lastauf- bzw. Lastabgabe der Kran oder die Katze verfahren, um die
Greifbewegung zu realisieren. Die Folge wären unerwünschte Pendelbewegungen
im Seiltrieb und ein großer Raumbedarf für die Greifbewegung. Im Gegensatz zum
Boden werden die Seitenwände durch den Transport nicht belastet, sichern aber die
Ladung gegen Absturz und sind die Voraussetzung dafür, dass ein automatisierter
6-10

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Bambynek, A.: Integration eines flexiblen Hängekransystems in den Materialfluss
MATVAR
Transport mit dem Kran möglich ist. Beim Stapeln begrenzt ihre Belastbarkeit die
Stapelhöhe.
Da sich viele Ladehilfsmittel der Kategorie bis zu 1t an die genormten Abmessungen
aus Bild 5b halten, kann sich die konstruktive Gestaltung der Lastaufnahmemittel an
diesen Maßen orientieren.
Griff
horizontale Greifnut
Langloch
Ziehnut vertikale Greifnut
a) Greifmöglichkeiten am VDA-KLT 600x400
145 145
100
Gabelaufnahmen
b) Greifmöglichkeiten an Paloxen 1200x1000 und 1200x800
Bild 5: Aufnahmemöglichkeiten von systemfähigen Behältern
5 Konzeption der Lastaufnahmemittel (LAM)
Die Großladungsträger und die Kleinladungsträger erfordern unterschiedliche Lastaufnahmemittel.
Je nach Behälterklasse werden unterschiedliche Greifmöglichkeiten
genutzt. In der Entwicklung wird deshalb zwischen einem VDA-KLT-Greifer für Lasten
bis 50kg und einem Großbehältergreifer für Lasten bis 1t unterschieden.
145
6-11

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Bambynek, A.: Integration eines flexiblen Hängekransystems in den Materialfluss
MATVAR
Für beide gelten jedoch gemeinsame Anforderungen. Die meisten sind erforderlich
für den Vollautomatikbetrieb der Hängekran- Hängebahnanlage:
• Die Behälter müssen formschlüssig und sicher gegriffen werden, um diese ohne
weitere Sicherheitsvorkehrungen, wie Zwischendecken, über Personen hinweg
fördern zu dürfen.
• Vor dem Anheben der Last muss die Last nachprüfbar aufgenommen und verklammert
oder abgesetzt sein.
• Die Steuerung und Erfassung des Greiferzustands übernimmt eine eigene Steuerung,
die über einen Feldbus mit der Kransteuerung kommuniziert. Sie setzt eine
Meldung ab, sobald sie eine Störung feststellt.
• Die Lastaufnahmemittel werden nur mit elektrischer, nicht aber mit pneumatischer
oder hydraulischer Energie versorgt, um den Aufwand auf den Katzen zu reduzieren.
5.1 Konzeption des VDA-KLT-Greifers
Der VDA-KLT bietet mehrere Greifmöglichkeiten an. Um den Greifer jedoch universell
einsetzen zu können, muss die Möglichkeit gewählt werden, die zum Greifen den
geringsten Raumbedarf hat. Das Aufnehmen über die Handgriffe oder die Horizontalnuten
erfordern stets seitlichen Platz. Deshalb werden die Langlöcher genutzt, in
die das Lastaufnahmemittel von oben greifen kann. Um die Finger des Greifschlosses
einführen zu können, muss das LAM relativ zum Behälter positioniert werden.
Bei der automatisierten Lastaufnahme setzt dies eine Positionierung des Behälters
voraus. Eine Einführhilfe am Lastaufnahmemittel sorgt für die erforderliche Genauigkeit.
Die konstruktive Lösung für die genannten Anforderungen (Bild 6) nutzt die Schwerkraft
für den Greifvorgang. Der Greifer besteht aus vier unabhängige Greifeinheiten.
Diese enthalten je einen im Gehäuse drehbar gelagerten Greiffinger, der über eine
Rückstellfeder gefesselt ist. An dem Finger ist eine Aufstandsrolle befestigt. Anschläge
begrenzen die beiden Schwenkstellungen des Fingers. In der geschlossenen
Stellung wird das Schloss durch einen mit Federkraft betätigten Bolzen verriegelt.
Das Öffnen des Bolzens geschieht magnetisch. Ein Einführblech verhindert,
dass der Finger in der geöffneten Stellung im Langloch des Behälters verhakt. Die
beschriebenen Greifeinheiten sind mit dem Lastaufnahmemittelrahmen verschraubt.
Die Einführhilfe besitzt sechs paarweise angeordneten Gleitleisten mit Begrenzungsstift.
Diese werden durch die Senkbewegung und über ein Parallelogrammlenkerpaar
angetrieben.
Das Aufnehmen der Last beginnt mit dem Absenken des Lastaufnahmemittels. Zuerst
setzen die Einführleisten auf dem Behälterrand auf. Durch das weitere Absenken
6-12

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Bambynek, A.: Integration eines flexiblen Hängekransystems in den Materialfluss
MATVAR
wird der Greifer so zum Behälter ausgerichtet, dass die Einführbleche in die Langlöcher
eingeführt werden. Zu diesem Zeitpunkt begrenzen die Stifte genau die Innenkante
des Behälters. Als nächstes setzen die Rollen, die auf den Greiffingern befestigt
sind, auf und schwenken diesen durch das Eigengewicht des Greifers gegen eine
Zugfeder bis zum Anschlag. Nach dem Einrasten der Verriegelungsbolzen ist der
Greifer geschlossen und verriegelt. Der Behälter kann anschließend gehoben werden.
Zum Öffnen wird, im Gegensatz zum Schließen elektrische Energie zum Betätigen
der Magnete benötigt. Ist der Behälter abgesetzt, wird der Verriegelungsbolzen
geöffnet und das Heben kann beginnen. Der Magnet hält den Bolzen geöffnet. Die
Zugfeder schwenkt den Greifhebel während des Hubvorgangs bis zum Anschlag zurück.
Das Lastaufnahmemittel ist dann geöffnet und kann weiter gehoben werden.
Bild 6: KLT-Greifer ohne Steuerung und Sensorik
Der Mechanismus des Greifers ist eigensicher. Ein versehentliches Öffnen des Verrieglungsbolzens
führt nur dann zum Öffnen der Greiffinger, wenn der Behälter abgesetzt
ist. Dies wird durch zwei Taster, die beim Absenken durch den Behälterrand
geschaltet werden, abgefragt. Die vier Verriegelungsbolzen werden ebenfalls durch
je einen Taster kontrolliert. Alle Schalter beschreiben jeden möglichen Zustand des
Greifers und genügen zur Steuerung der Magnete.
6-13

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Bambynek, A.: Integration eines flexiblen Hängekransystems in den Materialfluss
MATVAR
Die Konstruktion bietet eine Reihe von Einsatzmöglichkeiten, wie das automatisierte
Bedienen von Förderer- oder Lagerplätzen oder das manuelle Palettieren von Behältern.
Die modulare Gestaltung der einzelnen Baugruppen:
• Greifschloss
• Einführhilfen
• Rahmen
erlauben eine Anpassung an unterschiedliche Greifbilder, die durchaus von Abständen
des VDA-KLT abweichen dürfen. Dazu muss entweder der Rahmen ausgewechselt
oder einstellbar gestaltet werden. Durch den nicht vermeidbaren seitlichen
Überstand der Einführleisten wird zwar seitlicher Bauraum benötigt, ein Bedienen
dicht nebeneinander stehender Behälter ist trotzdem - wenn auch nur - lagenweise
möglich. Einführungen für das Absetzen der Behälters können entweder an
den Ecken oder unterhalb des Behälterrands montiert werden.
5.2 Konzeption des Großbehältergreifers
Da Behälter mit einer Zuladung von bis zu 1t häufig mit Gabelstaplern transportiert
werden, bietet es sich an, diese Greifmöglichkeiten auch für den Kran zu nutzen. Der
Abstand der Aufstandspunkte auf dem Greifer sollte so groß wie möglich gewählt
werden, um ein Kippen des Behälters zu vermeiden. Es ist deshalb sinnvoll, den Behälter
von der Breitseite aus zu untergreifen. Der seitliche Raumbedarf hierfür ist abhängig
von der Eingrifflänge und der Positioniergenauigkeit des Lastaufnahmemittels
durch den Kran und die Katze und der Amplitude der Pendelbewegung im Hubwerk.
Die genannten Parameter bestimmen das Öffnungsmaß und damit den seitlichen
Raumbedarf. Behältereinführungen zur Positionierung auf Rollenbahnen oder Übergabeplätzen
sind nur an den Behälterecken möglich.
Der Greifer (Bild 7) ist, um einen breiten Anwendungsbereich abzudecken, modular
aufgebaut. Er besteht aus einem einstellbaren Rahmen für Behälter der Größen
1200x1000 und 1200x800. An diesem werden vier Füße verschraubt, deren Länge
der Behälterhöhe angepaßt ist. Daran montiert ist die Greifeinheit, die einen Schlitten
zum Untergreifen des Behälters translatorisch bewegt. Das bündige Abschließen des
eingefahrenen Schlittens mit der Außenkante der Fahreinheit verhindert ein Verhaken
an der Last. Der Antrieb erfolgt über je einen Drehstrommotor. In den beiden
Endlagen wird der Schlitten, über Federkraft betätigt, verbolzt. Das Öffnen während
der Fahrbewegung übernimmt ein Hubmagnet. Taster fragen die Endlagen und die
Bolzenverriegelung ab. Damit werden die geforderten Sicherheitskriterien erfüllt. Ein
Öffnen ist nur möglich, wenn der Behälter abgestellt und der untere Lichttaster einen
Spalt zwischen Behälter und Schlitten feststellt. Der darüber liegende Lichttaster
kontrolliert, ob ein Behälter von allen vier Schlitten untergriffen wird. Das begrenzte
Motormoment verhindert ein ungewolltes Öffnen bei einem Fehler in der Steuerung.
6-14

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Bambynek, A.: Integration eines flexiblen Hängekransystems in den Materialfluss
Bild 7: Konzept zum Großladungsbehältergreifer
5.3 Steuerung der Lastaufnahmemittel
MATVAR
In einer dezentral mit Feldbustechnik aufgebauten Kransteuerung ist die Lastaufnahmemittelsteuerung
ein eigenständiger Busknoten am „Controller Area Network“
(kurz: CAN). Sie ist verantwortlich für die Greifbewegung, die Verriegelung und wirkt
unterstützend bei der Positionierung. Zur Kompatibilität mit der Kransteuerung muss
sie ein Kommunikationsprofil nach dem Standard „CAN-open“ der Nutzerorganisation
„CAN in Automation“ (kurz: CiA) unterstützen. Die Einstellung auf unterschiedliche
Katzen wird über Einträge in ein Objektverzeichnis der Steuerung realisiert. Mit einem
Konfigurationswerkzeug werden hierfür Servicedatenobjekte (kurz: SDO) geschickt.
Damit können u.a. die IDs der Prozessdatenobjekte (kurz: PDO) eingestellt
werden. Eine einheitlich ablaufende Kommunikation zwischen Lastaufnahmemittel
und Kran mit PDOs, die jeweils den gleichen Dateninhalt haben, gestattet einen
Lastaufnahmemittelwechsel ohne Anpassungsaufwand in der Programmierung. Die
festgelegten PDOs (Bild 8) lassen einen Hand- und Automatikbetrieb des Lastaufnahmemittels
zu. Sie unterstützen außerdem die Automatisierungsstufen des Hängekran-Hängebahnsystems.
Das PDO „Steuerschalter“ wird benötigt zum manuellen
Öffnen und Schließen des Lastaufnahmemittels. Alternativ steht ein Taster am Greifer
zur Verfügung. Das PDO „LAM Anweisungen“ übernimmt das automatisierten
Betrieb. Während des Hub- und Senkvorgangs sendet die Lastaufnahmesteuerung
auf Anfrage das PDO „Krananweisungen“. Der sichere Betriebszustand sowie Angaben
zum Zustand enthält das PDO „LAM Status“. Die Statusinformationen sind notwendig
für die automatisierte Leer- und Lastfahrt des Krans oder der Katze und werden
ereignisgesteuert versendet.
6-15

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Bambynek, A.: Integration eines flexiblen Hängekransystems in den Materialfluss
Sende-PDOs Empfangs-PDOs
Benennung Typ Benennung Typ
LAM-Status
Krananweisungen
ereignisorientiert
RTR
� LAM_keine_Stoerung
� LAM_offen
� LAM_geschlossen
� LAM_Last
� LAM_Fehler_0...7
� LAM_Stop
� LAM_Freigabe
� LAM_Senken_Feinhub
und
LAM_Heben_Feinhub
� LAM_Katzfahrt_rechts
und
LAM_Katzfahrt_links
� LAM_Kranfahrt_vor
und
LAM_Kranfahrt_zurück
� LAM_Senkweg_frei
Steuerschalter
LAManweisungen
ereignisorientiert
ereignisorientiert
MATVAR
� KR_Oeffnen_manuell
� KR_Schliessen_manuell
� KR_Aufnahme
� KR_Abgabe
� KR_Test
� KR_Betriebsart
Bild 8: Sende- und Empfangs-PDOs der Lastaufnahmemittel
6 Lastübergabe auf Boden-, Förderer- und Lagerplätzen
Übergabestellen können in manuell und automatisiert angefahrene Plätze unterteilt
werden. Bei den automatischen gibt es überwachte und nicht überwachte Plätze. Auf
Rollenbahnen beispielsweise werden die Plätze auf Belegung und auf die richtige
Positionierung der Behälter hin geprüft. Bei Lagertechnik und auf Bodenplätzen findet
wegen der Vielzahl der Plätze und dem damit verbundenen Aufwand keine Einzelplatzüberwachung
statt. Es muss deshalb sichergestellt sein, dass das Lagerabbild
mit dem des Lagerverwaltungsrechners übereinstimmt. Alle automatischen Plätze
müssen eine Personenabsperrung besitzen, die ihren Zustand der Steuerung von
Förder- und Lagertechnik mitteilt.
Bekommt der Kran den Auftrag, von einem dieser Plätze eine Last aufzunehmen oder
abzugeben, so ist keinesfalls sicher, dass ein Zugriff möglich ist, da auf Leitebene
die Übergabebereitschaft nicht bekannt ist. Bei Rollenbahnen bedeutet dies für
die Lastaufgabe einen vereinzelten und positionierten Behälter, für die Lastabgabe
keinen Behälter am Übergabeplatz. Zusätzlich darf auf diesen weder zu- noch abgefördert
werden. Gleiches gilt für das Anfahren von Verschiebebodenregallagern.
Der vom Kran bediente Platz muss entweder belegt sein für die Lastaufnahme oder
frei sein für die Lastabgabe. Die Zugriffsbereitschaft auf den Platz setzt voraus, dass
6-16

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Bambynek, A.: Integration eines flexiblen Hängekransystems in den Materialfluss
MATVAR
der Zugriff möglich ist und keine Lagerbewegung mehr stattfindet. Allen Plätzen ist
gemeinsam, dass sich innerhalb der Platzabsperrung keine Personen aufhalten dürfen.
Für die Kommunikation zwischen dem Kran und dem Förder- oder Lagergerät findet
deshalb für die Sicherstellung der Voraussetzungen zur Lastübergabe der Signalaustausch
auf Prozessebene statt. Die entsprechende Fördertechniksteuerung ist
der jeweilige Master für alle Anfragen des Krans, die einen ihrer Plätze betreffen. Als
Kommunikationsmedium wird der CAN-Bus der Hängekran- Hängebahn- Anlage genutzt.
Am Beispiel einer Lastaufnahme zwischen Kran und einer gesteuerten Förderer
soll der Ablauf aus Bild 9 exemplarisch erläutert werden:
Bild 9: Vereinfachtes Ablaufdiagramm für die Lastaufnahme
Der Kran bekommt einen Auftrag vom Leitrechner, einen Transportbehälter von einem
Abgabeplatz der Rollenbahn abzuholen und die Rollenbahn, den Behälter dem
richtigen Übergabeplatz zuzuführen. Die Katze ist in die korrekte Position gefahren
und hat diese überprüft. Zur Übergabe sendet der Kranrechner ein PDO „Katze will“,
das durch die Platzbezeichnung, die eine eindeutige Zuordnung der Anfrage zu dem
gewünschten Übergabeplatz und damit auch zum richtigen Förderers erlaubt und
wartet anschließend auf dessen Reaktion.
Diese kann auf zwei Arten erfolgen:
6-17

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Bambynek, A.: Integration eines flexiblen Hängekransystems in den Materialfluss
MATVAR
• Der Förderer quittiert dann den Auftag mit einem PDO „Warten“, wenn der Förderer
noch mit anderen Aufträgen beschäftigt ist, gestört ist, oder sich im Handbetrieb
befindet. Sind die Voraussetzungen erfüllt, setzt er das Signal „Katze_darf“.
• Der Förderer ist zum Zeitpunkt der Anfrage schon für eine Übergabe bereit und
antwortet direkt mit dem PDO „Katze_darf“.
Der Lastzyklus wird danach automatisch gestartet und die Katze beginnt mit dem
Senken aus der Sicherheitshöhe. Während dieser Periode müssen die Sicherheitseinrichtungen
den Platz permanent überwachen. Sollte an der Förderersteuerung
eine Störung eintreten, sendet sie das PDO „Warten“ und der Kran muss seinen
Zugriff sofort unterbrechen. Ein Fortsetzung ist möglich, wenn das Signal „Katze_darf“
wieder gesetzt ist. Ist der Lastzyklus nach dem Hub in die oberste Hubstellung
beendet, so nimmt der Kranrechner sein Signal im PDO „Katze_will“ für diesen
Platz zurück. Der Förderer quittiert den Erhalt dieses Signals mit der Rücknahme des
Signals im PDO „Katze_darf“.
Bild 10: Steuerungsarchitektur des Materialflusssystems bestehend aus einer
Hängekran-Hängebahnanlage mit gekoppelter Förder- und Lagertechnik
Nicht jede Steuerung auf dem Markt verfügt über das zur Kommunikation notwendige
CAN-Interface. Abhilfe schafft ein Umsetzer von der seriellen auf die CAN-
Schnittstelle. Der Dateninhalt des Empfangs-PDOs „Kran will“ und des Sende-PDOs
„Kran darf“ wird kontinuierlich zwischen der Kommunikationsbauguppe der Förder-
6-18

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Bambynek, A.: Integration eines flexiblen Hängekransystems in den Materialfluss
MATVAR
technik-SPS und dem Umsetzer ausgetauscht und ereignisgesteuert auf den CAN-
Bus gelegt. Der in Bild 10 dargestellte Aufbau erlaubt Erweiterungsmöglichkeiten
auch um Plätze auf Fördergeräten mit eigener Steuerung. Die Schnittstelle muss
dann um ein weiteres PDO „Kran darf“ erweitert werden. Dazu wird mit einem CAN-
Konfigurator das neue Objekt in das Verzeichnis des entsprechenden Kranmoduls,
welches den Signalaustausch durchführt, eingetragen. Eine Veränderung, z.B. durch
eine Erweiterung um zusätzliche Katzen, erfordert hingegen keinen Anpassungsaufwand.
Damit steht eine universelle Möglichkeit zum Austausch von Verriegelungssignalen
zwischen unterschiedlichen Fördertechnikkomponenten und der Kransteuerung
zur Verfügung.
7 Personschutzkonzept für zugängliche Übergabeplätze
Für die Platzüberwachung müssen Mechanismen für den Not-Aus der Krananlage
entwickelt werden, die ein Höchstmaß an Sicherheit gewährleisten und die auf den
jeweiligen Platz nur dann wirken, wenn der Kran auch auf diesen zugreift. Zur Gewährleistung
der „Ein-Fehler-Sicherheit“ während des Platzzugriffs durch den Kran
müssen zwei redundante, diversitär wirkende Sicherheitsmechanismen gewährleisten,
dass die Verletzung der Schutzeinrichtungen zu einem Not-Aus der Anlage führt.
Der Übergabezeitraum beginnt mit dem Absenken des Lastaufnahmemittels aus der
obersten Hubstellung. Das Zugriffsende wird erreicht, wenn das Lastaufnahmemittel
wieder in der obersten Hubstellung angekommen ist. Für die übrige Zeit ist der Platz
für Personen freigegeben, d.h. eine Verletzung der Schutzeinrichtung schaltet die
Krananlage nicht ab.
Türkontaktschalter an den Übergabeplätzen bewirken normalerweise eine Abschaltung
der Antriebe, wenn ihr Signal nicht mehr anliegt. Nur unter bestimmten Voraussetzungen
soll dieses Signal überbrückt werden können. Hierzu müssen die Zustände
am Übergabeplatz und an den Katzen der Krananlage bekannt sein. Da die Steuerung
von der Förder- oder Lagertechnik auch die sicherheitstechnischen Einrichtungen
auswertet, kann sie auch entscheiden, ob sie die manuelle Bedienung für die
Plätze freigibt. Ist der Platz nicht an ein gesteuertes Fördergerät gebunden, so muss
eine eigene Steuerung die Überwachungseinrichtungen auswerten. Erteilen die genannten
Steuerungen die Freigabe „Kran darf“, so müssen sie vorher das Signal zur
Überbrückung des Türkontaktschalters zurücksetzen. Die Kransteuerung fragt ihrerseits
über einen Lichtaster den Türzustand ab. Ein Reflektorspiegel, der an der Tür
montiert ist, reflektiert bei geschlossener Tür den Lichtstrahl. Damit verarbeiten die
Kran- und die Förder- oder Lagertechniksteuerung verschiedene Sensorsignale und
stellen dadurch die geforderte Redundanz sicher. Die an den Plätzen angebrachten
Not-Aus-Taster werden von diesem Konzept nicht berührt. Sie können auch nicht
überbrückt werden.
6-19

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Bambynek, A.: Integration eines flexiblen Hängekransystems in den Materialfluss
MATVAR
Bild 11: Sicherheitskonzept für vom Kran automatisiert bediente Übergabeplätze
6-20

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Bambynek, A.: Integration eines flexiblen Hängekransystems in den Materialfluss
8 Ausblick
MATVAR
Die erschlossenen Möglichkeiten der Hängekran- Hängebahnanlage im Überflurbereich
mit der Verkettung zu Förder-, Lager- und Flurfördertechnik umfassen viele der
in der Produktion auftretenden Materialflussvorgänge. Die beschriebenen Komponenten
und Geräte wie die Hängekrane und -bahnen, Behältersysteme, Lastaufnahmemittel,
Förder- und Lagertechnik wurden mit ihren spezifizierten Schnittstellen für
eine erste Versuchsanlage konzipiert, ausgewählt und in Betrieb genommen. Eine
abschließende Beurteilung ist jedoch erst nach einer umfangreichen Testphase möglich.
Dies gilt insbesondere für die Gefahrensicherheit, die anhand einer weiterführenden
Einsatzbeurteilung überprüft werden muss.
Der Kran steht mit den erzielten Ergebnissen am Anfang der Entwicklung von einem
Handhabungsgerät für schwere Lasten hin zu einem Materialflussgerät für innerbetrieblichen
Transporte. Mit ersten Schnittstellenfestlegungen sind die Grundlagen für
die weitere Entwicklung zu einer systemfähigen Komponente im Materialfluss gelegt.
Hinzukommen müssen Erfahrungen mit der Positionierung, um hier konkrete Vorgaben
für Lastaufnahmemittel und für Einführhilfen an Übergabeplätzen machen zu
können. Eine Weiterentwicklung hin zur Standardisierung hängt von weiteren Praxiserfahrungen
bei Serienprodukten im industriellen Umfeld ab.
9 Literatur
GÜNTHNER U. ALLGAYER 1997
Günthner, Allgayer :
Verbundforschungsprojekt „MATVAR“ ist angelaufen ,
Logistik im Unternehmen, Nr. 10 Oktober 1997, S. 28-30.
GÜNTHNER U. HANDRICH 1998
Günthner, Handrich :
Einsatzmöglichkeiten eines Leichtfördersystems im Überflurbereich,
Logistik aktuell: Automatisierte Krane- Einsatzerfahrungen und Entwicklungstendenzen,
Dresden, 15. Mai 1998, Hrsg.: H.-G. Marquardt.
GÜNTHNER U. BAMBYNEK 1998
Günthner, Bambynek:
Schnittstellenbaukasten: Integrierbarkeit eines flurfreien Leichtfördersystems,
Hebezeuge und Fördermittel, Band 38 (1998) Heft 12, S. 593-595.
6-21

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Müller, S., u.a. : Der Kranbaukasten KBK – Mit Neuentwicklungen in die Zukunft
MATVAR
'HU .UDQEDXNDVWHQ .%. ±
0LW 1HXHQWZLFNOXQJHQ LQ GLH =XNXQIW
6 0 OOHU
$EWHLOXQJ 7HFKQLN .%. (QWZLFNOXQJ
( 1LWLGHP 3 .RUWPDQQ 7 .OHLQHYR‰
3 :HEHU 6 8HQNLQJ - 3UDF]\N
$EWHLOXQJ $XWRPDWLVLHUXQJ *HUlWH $QODJHQ
0DQQHVPDQQ 'HPDWLF $*
5XKUVWU
:HWWHU
7-1

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Müller, S., u.a. : Der Kranbaukasten KBK – Mit Neuentwicklungen in die Zukunft
1 Einleitung
1.1 Innerbetriebliche Materialflusssysteme
MATVAR
Der innerbetriebliche Materialfluss erfolgt unter Verwendung unterschiedlicher Systeme.
Es kann unterschieden werden zwischen bodengebundenen Systemen und
solchen, die im Überflurbereich angesiedelt sind.
Bei beiden Systemen wurden unterschiedlich komplexe Lösungen gefunden. Im bodengebundenen
Materialtransport sind beispielsweise Hubwagen, Gabelstapler, aber
auch automatische, fahrerlose Transportsysteme (FTS) im Einsatz. Alle bodengebundenen
Systeme vereinigen die Eigenschaft, dass Sie Verkehrswege benötigen,
wobei die Erreichbarkeit der einzelnen Fertigungs- oder Lagerplätze zu gewährleisten
ist. Diese Verkehrswege schränken den Materialflussplaner bei der Optimierung
und damit der Erhöhung der Wirtschaftlichkeit ein.
Transportsysteme im Überflurbereich sind seit Beginn der industriellen Fertigung im
Einsatz. Hierbei ist zwischen Flächen- und Linientransport zu unterscheiden. Schon
im letzten Jahrhundert sind für den Materialtransport in der Fläche handbetriebene
Krane in Fertigungshallen genutzt worden. Gleichzeitig wurden Einschienenbahnen
entwickelt, die einen Linientransport von Material ermöglichen. Hierdurch kann beispielsweise
die Verbindung zwischen zwei Fertigungsbereichen geschaffen werden.
Die Entwicklung dieser Krane und Einschienenbahnen ist weitergeführt worden durch
die Nutzung von Handketten- (Haspel-) antrieben, elektrischen und pneumatischen
Antrieben. Heutzutage sind sowohl manuell geführte, als auch vollautomatisch über
Leitrechner gesteuerte Systeme im Einsatz.
Im Jahre 1963 ist der Kranbaukasten KBK bei der heutigen Mannesmann Dematic
AG in Wetter entwickelt worden. Ziel war es, dem Anwender ein modular aufgebautes,
flexibles, preiswertes und leichtgängiges System für das Materialhandling am
Arbeitsplatz zur Verfügung zu stellen. Der Erfolg des damals als „Junior-System“ bekannten
Baukastens führte zu einer stetigen Weiterentwicklung und Erweiterung.
Heute kann der Anwender zwischen verschiedenen, miteinander kombinierbaren
Baukastenprofilgrößen wählen (Bild 1). Integrierte Schleifleitungen ermöglichen den
kabellosen Energietransport zum Verbraucher.
Die Profile werden über doppelkardanische Aufhängungen an der Oberkonstruktion
befestigt. Baugruppen wie Verriegelungen, Weichen und Schwenkscheiben bieten
die Möglichkeit zum Aufbau eines verzweigten Materialflusssystems (Bild 2).
Dieser Baukasten bietet eine optimale Basis für die Entwicklung des modularen, flexiblen
und erweiterbaren Leichtkransystems im Überflurbereich, das im Rahmen des
Forschungsprojektes MATVAR zu entwickeln war.
7-2

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Müller, S., u.a. : Der Kranbaukasten KBK – Mit Neuentwicklungen in die Zukunft
Bild 1: Profile des Kranbaukastens KBK
Bild 2: Baugruppen des KBK Baukastens
MATVAR
7-3

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Müller, S., u.a. : Der Kranbaukasten KBK – Mit Neuentwicklungen in die Zukunft
1.2 Stand der Technik
Allgemein gilt:
MATVAR
- In der Krantechnik werden überwiegend personengebundene Steuerungen eingesetzt.
- Die Lastaufnahme und –abgabe erfolgt im Standardfall manuell, wobei der Bediener
häufig auch die Lastführung übernimmt.
- Leerfahrten des Krans werden in Standardanlagen manuell gesteuert durchgeführt.
- Für den nicht automatisierten Betrieb werden weitgehend polumschaltbare Antriebe
mit zwei Geschwindigkeiten eingesetzt.
- Automatikkrane werden in abgesicherten, nicht für Personen zugänglichen Bereichen
eingesetzt.
- Steuerungen für Automatikanlagen werden für den jeweiligen Einsatzfall konstruiert.
1.3 Aufgabenstellung im Verbundforschungsprojekt MATVAR
Im Verbundforschungsprojekt MATVAR bestand die Aufgabe, auf Basis des oben
beschriebenen Kranbaukastens KBK, ein Leichtfördersystem für den Überflurbereich
zu entwickeln. Wesentliche Merkmale dieses Systems sind der modulare Aufbau und
die Erweiterbarkeit. Hierbei ist zu beachten, dass diese Forderung sowohl für die
mechanischen, als auch für die elektrischen und steuerungstechnischen Komponenten
gilt.
Im Einzelnen bedeutet dies die Erstellung eines Anforderungskatalogs auf Basis von
Marktrecherchen, die Erstellung eines steuerungstechnischen Konzeptes, die Ermittlung
der erforderlichen mechanischen, elektrischen und elektronischen Systemkomponenten
und die Umsetzung in einer Versuchsanlage.
2 Das Leichtfördersystem im Überflurbereich
2.1 Anforderungen
Die Anforderungen an das Leichtfördersystem sind in Zusammenarbeit mit dem
Lehrstuhl fml der TU München über eine Fragebogenaktion ermittelt worden.
7-4

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Müller, S., u.a. : Der Kranbaukasten KBK – Mit Neuentwicklungen in die Zukunft
Es wurde deutlich, dass
- mehr als 90% aller zu fördernden Hublasten kleiner als 1000kg sind.
- ca. 75% aller Lasten in Ladungsträgern transportiert werden können.
- ca. 75% aller Befragten eine automatisierte Leerfahrt wünschen.
- die Positioniergenauigkeit hierbei bei 10mm oder besser liegen soll.
MATVAR
- das KBK-System für die erforderlichen Geschwindigkeiten, Einsatzdauern und
Arbeitsbereiche geeignet ist.
Auf Basis des bewährten KBK-Baukastens sollten somit erarbeitet werden:
- Lösungen für das Handling von Ladungsträgern bis 1000kg.
- Die Untersuchung der Realisierbarkeit der automatischen Leerfahrt mit der Option
weiterer Automatikstufen bis hin zur Vollautomatik unter Beachtung der Sicherheitsanforderungen.
- Einfache Nachrüstbarkeit der weiteren Automatikstufen mit geringem Aufwand,
„plug and play“-Funktionalität.
- Untersuchung und ggf. Verbesserung der Positioniergenauigkeit des Systems
2.2 Vorteile
Gemeinsam erkannt wurden folgende Punkte:
- Transportvorgänge werden in anderenfalls nicht genutzte Bereiche der Halle verlagert.
- Die erforderlichen Verkehrsflächen werden reduziert.
- Es besteht eine erhöhte Flexibilität bei der Materialflussplanung.
- Die Kombination von Linien und Flächentransport ermöglicht die Verbindung unterschiedlicher
Fertigungsbereiche.
- In der Basisausstattung für den manuellen Betrieb preiswertes und bewährtes
System.
- Modular aufgebauter Baukasten mit der Möglichkeit der Implementierung von
Automatikfunktionen.
- Möglichkeit der Anbindung an einen Steuerungs-PC, BDE- und Leitsysteme.
- Automatikfunktionen bedeuten Mitarbeiterentlastung.
7-5

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Müller, S., u.a. : Der Kranbaukasten KBK – Mit Neuentwicklungen in die Zukunft
Bild 3: Layout der Versuchsanlage am Lehrstuhl fml der TU München
3 Die Versuchsanlage am Lehrstuhl fml
3.1 Mechanische Komponenten
MATVAR
Die Versuchsanlage zeigt einen Teil der in einem Materialflusssystem im Überflurbereich
möglichen Komponenten und Leistungsmerkmale (Bild 3). Nicht dargestellt sind
Komponenten wie Schwenkscheiben, Absenk- und Stufenstationen.
Die Versuchsanlage besteht aus zwei Kranbahnen des Typs KBK II-R5 (KBK II-Profil
mit innenliegender Schleifleitung DFL), einem Einträgerhängekran KBK II-R5 und
einem Zweiträgerhängekran KBK III mit Schleifleitung DEL. Die Kranbahnen sind an
einem speziell für diese Anlage erstellten Stahlbau über kurze, pendelnde Aufhängungen
aufgehängt. Zur Vermeidung von Pendelbewegungen der Bahnen können
starre Aufhängungen eingesetzt werden.
7-6

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Müller, S., u.a. : Der Kranbaukasten KBK – Mit Neuentwicklungen in die Zukunft
Bild 4: Zweiträgerkran KBK III mit Verriegelung
MATVAR
Die Krane sind mit starren Krantraversen und Verriegelungen ausgerüstet. Der
Zweiträgerhängekran kann mit einer Zweischienenbahn verriegeln, so dass die im
System befindliche Zweiträgerkatze überfahren kann. Der Einträgerhängekran kann
mit einer Einschienenhängebahn verriegeln. Die Einschienenhängebahn ist als Ringbahn
mit neu entwickelten Weichen ausgelegt. Im System sind zwei Einschienenkatzen.
Die Weichen und die Verriegelungen sind elektrisch angetrieben, mit Sensorik
versehen und über Module an das Bussystem angeschlossen.
Die Krane und Katzen sind mit Fahrmotoren und Frequenzumrichtern unterschiedlicher
Bauart ausgerüstet. Als Hubwerke kommen eine Quadro-Seilwinde (Seilwinde
mit vier Seilabläufen) bei der Zweischienenkatze und eine Seilwinde DS 1 (Seilwinde
mit zwei Seilabläufen) bei den Einschienkatzen zum Einsatz. Die angeschlossenen
Lastaufnahmemittel dienen zur Aufnahme von Großladungsträgern (Zweischienenkatze)
bzw. Kleinladungsträgern der Type VDA-KLT (Einschienenkatze). Die Katzen
verfügen zusätzlich über Lastmesseinrichtungen, Wegmesssysteme und diverse Sicherheitssensorik.
Für den Einsatz im Automatikbetrieb können die Steuerschalter an
den Katzen über einen Kettenzug hochgezogen werden. Als Wegmesssystem in der
Horizontalen kommt das System WCS 3 der Firma Stahl zum Einsatz, das sich für
die Versuchsanlage insbesondere durch die Eignung für Kurvenfahrten anbietet.
Die eingesetzten Komponenten sind zur Gewährleistung der Sicherheit der Versuchsanlage
und der Bediener teilweise redundant ausgeführt.
7-7

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Müller, S., u.a. : Der Kranbaukasten KBK – Mit Neuentwicklungen in die Zukunft
3.2 Steuerungskonzept
MATVAR
An der Versuchsanlage am Lehrstuhl fml wurde im Rahmen des Projektes ein dezentrales
Steuerungskonzept realisiert. Zur Implementierung der Kommunikationsstruktur
zwischen den Komponenten des Systems wurde die im Bereich der Anlagenautomatisierung
verbreitete Bustechnologie eingesetzt. Umfangreiche Recherchen
haben zur Wahl eines Bussystems auf der Basis des CAN-Bus-Protokolls geführt.
Die Ergebnisse dieser Recherchen sind in Abschnitt 3.3 zusammengefasst.
Die wesentlichen Vorteile eines modularen, dezentralen Steuerungskonzeptes liegen
in der Offenheit des Gesamtsystems und damit dessen Erweiterbarkeit. Weiterhin
entfällt gegenüber einem zentralen Steuerungskonzept ohne Einsatz von Bustechnologie
ein erhebliches Maß an Verdrahtungsaufwand.
Großes Gewicht wurde auf die Skalierbarkeit des Funktions- und Leistungsumfanges
des Leichtkransystems gelegt. Es wurden unterschiedliche Automatisierungsstufen
vorgesehen. Neben einem ausschließlichen Handbetrieb, wurde ein teilautomatischer
und ein vollautomatischer Betrieb realisiert. Im teilautomatischen Betrieb besteht
zusätzlich zu den Funktionalitäten des manuellen Betriebes die Möglichkeit,
über Anforderungstaster eine automatisierte Leerfahrt durchzuführen, d. h. von bestimmten
Positionen im Produktionsfeld über einen Anforderungstaster einen Kran
anzufordern, der dann automatisch diese Position anfährt. Ist diese Position erreicht,
kann handgesteuert die zu transportierende Last mit dem Lastaufnahmemittel aufgenommen
und ebenfalls handgesteuert an die Zielposition verfahren werden.
3.3 Auswahl eines geeigneten Bussystems
Zur Gewährleistung einer ausreichenden Autonomie der Teilkomponenten wurden
für die Auswahl eines geeigneten Bussystems die Topologie und das Buszugriffsverfahren
als wichtigste Kriterien herangezogen. In Bild 5 ist eine Klassifizierung der
auf dem Markt angebotenen Bussysteme dargestellt.
Grundsätzlich wird zwischen teilnehmer- und nachrichtenorientierten Protokollen
unterschieden. Während bei der ersten Protokollart der Datenaustausch auf der Basis
von Teilnehmeradressen erfolgt, stellt die zweite eine verbindungslose Kommunikationsform
durch Nachrichtenkennung dar. Ein weiteres Unterscheidungskriterium
ist das verwendete Buszugriffsverfahren. Teilnehmerorientierte Protokolle arbeiten
mit kontrolliertem bzw. deterministischem Buszugriff, nachrichtenorientierte mit unkontrolliertem
bzw. zufälligem Buszugriff. Bei teilnehmerorientierten Zugriffsverfahren
kann unterschieden werden, ob die Vergabe des Buszugriffsrechtes durch eine zentrale
Instanz (Master) oder dezentral durch Absprache zwischen den Teilnehmern,
beispielsweise durch Weitergabe eines Tokens (Token-Passing) von Teilnehmer zu
Teilnehmer erfolgt.
7-8

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Müller, S., u.a. : Der Kranbaukasten KBK – Mit Neuentwicklungen in die Zukunft
verteiltes
Schieberegister
kontrollierter
zufälliger
Zugriff
Zugriff
(teilnehmerorientiert) (nachrichtenorientiert)
zentral dezentral CSMA
Master/
Slave
Token-
Passing
Token-
Passing
Singlemaster Singlemaster Singlemaster Multimaster
- Interbus-S
- SERCOS
- Bitbus
- DIN-Meßbus
- ASI
- PROFIBUS-
DP
- ISP
- PDV-Bus
- PROFIBUS-
FMS
Delegated
Token
Singlemaster
(Busarbiter)
mit Kollision
Erkennung
(CSMA/CD)
- Ethernet
- LON
MATVAR
mit Kollision
Vermeidung
(CSMA/CA)
- CAN
- EIB
- P-Net
- J1850
Kommunikation mit zyklischem Charakter ereignisgesteuerte Kommunikation
- FIP
Bild 5: Klassifizierung von Bussystemen [1]
Multimaster Multimaster
Bei nachrichtenorientierten Protokollen ist jeder Teilnehmer prinzipiell bezüglich des
Buszugriffes gleichberechtigt und kann auf den Bus, sobald dieser frei ist, zugreifen.
Somit sind Kollisionen verfahrensinhärent. Nach der Art der Auflösung dieser Kollisionen
werden Bussysteme nach dieser Protokollart klassifiziert.
Bei der ersten Klasse fordert ein Busarbiter über ein spezifisches Telegramm (Delegated
Token), welches durch die Übertragung einer Nachrichtenkennung (Identifier)
eine bestimmte Nachricht spezifiziert, einen für diese Nachricht zuständigen Busteilnehmer
zum Senden auf. Sie kann dann von allen, die an ihr interessiert sind, empfangen
werden. Bei einer anderen Protokollvariante werden Kollisionen erkannt (Collision
Detection CD) und durch Einführen teilnehmerspezifischer, statistischer Wartezeiten
Zeitpunkte eines erneuten Buszugriffs ermittelt. Eine weitere Möglichkeit besteht
darin, Kollisionen von vornherein durch Priorisierung von Nachrichten zu vermeiden.
Dies leisten Protokolle nach dem CSMA/CA-Verfahren (Carrier Sense Multiple
Access /Collision Avoidance ) [2, 3].
Voraussetzung für den Aufbau einer dezentralen und skalierbaren Steuerung ist,
dass die einzelnen Krankomponenten ihre Zustände unaufgefordert melden. Hiermit
scheiden alle Protokolle mit kontrolliertem Buszugriff aus, da die Kommunikation bei
ihnen einen zyklischen Charakter hat. Dagegen lässt sich eine ereignisgesteuerte
Kommunikation prinzipiell durch Protokolle mit zufälligen Buszugriffen realisieren.
7-9

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Müller, S., u.a. : Der Kranbaukasten KBK – Mit Neuentwicklungen in die Zukunft
MATVAR
Notwendige Voraussetzung ist allerdings, dass die einzelnen Teilnehmer gleichberechtigt
am Nachrichtenverkehr partizipieren (Multimasterbetrieb). Somit entfallen
auch Singlemaster-Lösungen.
Die Forderung nach Zuverlässigkeit schließt wiederum den Einsatz von Protokollen
nach dem CSMA/CD-Verfahren aus, da im Falle einer Kollision die aufgeschalteten
Nachrichten zerstört werden, und zur Auflösung des Buszugriffes eine wiederholte
Belegung des Busses notwendig ist, so dass nur statistische Aussagen über den
Erfolg eines Zugriffswunsches gemacht werden können.
Es verbleiben Protokolle nach dem CSMA/CA-Verfahren. Ein typischer Vertreter dieser
Klasse ist das CAN-Bus-Protokoll (Controller Area Network), das über zusätzliche
günstige Eigenschaften verfügt. Jeder Teilnehmer kann als Master fungieren, so
dass eine hohe Systemverfügbarkeit und eine Unabhängigkeit der Teilnehmer erreicht
wird. Weiterhin wird durch bitweise Arbitrierung garantiert, dass im Konfliktfall
eine hochpriore Nachricht immer übertragen wird. Zudem ist das CAN-Bus-Protokoll
ein offenes (veröffentlichtes) Protokoll mit einem hohen Standardisierungsgrad (CAL,
CANopen, Nutzerorganisation CiA) und ist in der Automobilindustrie weit verbreitet,
so dass erforderliche Komponenten preisgünstig erhältlich sind.
Aufgrund dieser Eigenschaften wurde das CAN-Bus-Protokoll für die Vernetzung der
Krankomponenten ausgewählt.
7-10

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Müller, S., u.a. : Der Kranbaukasten KBK – Mit Neuentwicklungen in die Zukunft
3.4 Steuerungsarchitektur des Leichtkransystems
MATVAR
Die Steuerung des Leichtkransystems ist in ihrem Funktionsumfang skalierbar. Sie
bildet die Betriebsarten des Leichtkransystems ab.
3.4.1 Steuerungsstruktur für den manuellen Betrieb
Die Steuerungsstruktur für diese Betriebsart ist in Bild 6 dargestellt.
Kranverriegelung
Weiche
Fahrwerk
Kran-
Fahrwerk
verriegelung
elektrische
Anpassung
CAN ISO-Layer 1
Energiebus
Hubwerk
(Last)
ortsfeste Komponenten mobile Komponenten
Lastaufnahmemittel
Kran Katze
CAN-Bus
CANopen
Schleifleitungs- oder Funkbus
Baugruppen
CANopen
Steuerschalter
Bild 6: Steuerungsstruktur des Leichtkransystems für den manuellen Betrieb
Die mobile Baugruppe Katze besteht dabei aus den Komponenten Fahrantrieb,
Steuerschalter, Lasthubwerk und Lastaufnahmemittel. Die mobile Baugruppe Kran
enthält den Fahrantrieb und die Kranverriegelung. Innerhalb der Baugruppen sind die
einzelnen Komponenten über den CAN-Bus und zwei verschiedene Energiebusse
miteinander verbunden.
Über den CAN-Bus werden Nachrichten bzw. Daten ausgetauscht. Der erste Energiebus
mit Spannungen über 230 V übernimmt die elektrische Versorgung der Antriebe.
Der zweite mit einer Spannung von 24 V dient der Versorgung der Steuereinheiten.
Der Einsatz eines Moduls zur elektrischen Anpassung der Datenleitung ist auf die
relative Bewegung der Baugruppen „Kran“ und „Katze“ zurückzuführen. Zwei der im
KBK-Profil vorhandenen Schleifleitungen werden für die Informationsübertragung
verwendet (Schleifleitungsbus). Darüber hinaus ist auch eine Informationsübertragung
über Funk vorgesehen, die vom Projektpartner HBC realisiert wurde.
7-11

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Müller, S., u.a. : Der Kranbaukasten KBK – Mit Neuentwicklungen in die Zukunft
MATVAR
Im manuellen Betrieb erfolgt die Steuerung aller Antriebe über den Steuerschalter.
3.4.2 Steuerungsstruktur für den teilautomatischen Betrieb
Die Steuerungsstruktur für diese Betriebsart ist in Bild 7 dargestellt.
Kranverriegelung
Weiche
Fahrwerk
Kran-
Fahrwerk
verriegelung
Positionserfassung
(Kran)
Anforderungstaster
elektrische
Anpassung
CAN ISO-Layer 1
Positionserfassung
(Katze)
Energiebus
Hubwerk
(Last)
Positionserfassung
(Last)
ortsfeste Komponenten mobile Komponenten
Lastaufnahmemittel
Kran Katze
CAN-Bus
CANopen
Prozessebene
Schleifleitungs- oder Funkbus
CANopen
Steuerschalter
Hubwerk
(Steuerschalter)
Baugruppen
Bild 7: Steuerungsstruktur für den teilautomatischen Betrieb
Im Vergleich zum manuellen Betrieb werden die einzelnen Baugruppen insbesondere
um Komponenten zur Positionserfassung erweitert. Während auf der Baugruppe
„Kran“ die Koordinaten einer einzigen Achse erfasst werden, sind in der Baugruppe
„Katze“ zwei Positionserfassungssysteme (Katze, Last) integriert. Anforderungen
werden durch die im Produktionsfeld verteilten busfähigen Anforderungstaster übermittelt.
Die CAN-Bus-Knoten zur Überwachung der Ruftaster übernehmen zusätzliche für
die automatisierte Leerfahrt erforderliche Funktionalitäten. Dazu gehören z. B. das
Teachen der anzufahrenden Positionen und die Überwachung der Anforderungstaster.
Bei Anforderung eines Krans über die Taster wird zusätzlich geprüft, ob der Haken
leer und in oberster Hakenstellung ist (bei beladenem Haken oder abgesenktem
Haken bleibt die Anforderung unbeachtet), anschließend wird die Fahrt zu der anfordernden
Position angestoßen.
7-12

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Müller, S., u.a. : Der Kranbaukasten KBK – Mit Neuentwicklungen in die Zukunft
3.4.3 Steuerungsstruktur für den Automatikbetrieb
MATVAR
Zentrale Komponente des Leichtkransystems im vollautomatischen Betrieb ist der
Kran-PC. Er verwaltet, kontrolliert und führt Aufträge für die gesamte Anlage aus, die
von einem Leitrechner oder vom Bediener vorgegeben werden. Eine komfortable
Bedieneroberfläche erleichtert die Bedienung und erhöht durch die Visualisierung der
Krandaten die Verfügbarkeit.
Beispielhaft ist in Bild 8 ein möglicher Zustand der Bedienoberfläche abgebildet.
Bild 8: Bedienoberfläche des Kran-PCs
Rechts unten ist eine Übersicht der Anlage dargestellt, in der im Betriebsfall die Positionen
der Krane und Katzen und die Stellungen der Weichen angezeigt werden.
Ebenso werden Bewegungsrichtungen der Krane, Katzen und der Hubwerke dargestellt.
Über die Icons im linken unteren Teil der Anlagenübersicht kann der Status des
PC, des CAN-Busses und der Ethernet-Verbindung zum Leitrechner überwacht werden.
Eventuelle Fehler werden sofort hier und detaillierter in unterlagerten Dialogfenstern
angezeigt.
Weiterhin kann über die Bedienoberfläche für alle Krane und Katzen der aktuelle
Status abgerufen werden. Im linken oberen Teil der Bedienoberfläche ist in Bild 8
exemplarisch der Statusdialog der Einschienenkatze 1 dargestellt. Darin werden die
aktuelle Betriebsart und der aktuelle Bearbeitungsschritt angezeigt. Die Betriebsart
7-13

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Müller, S., u.a. : Der Kranbaukasten KBK – Mit Neuentwicklungen in die Zukunft
MATVAR
kann ebenso wie das Lastaufnahmemittel und das Lasthandling in diesem Dialog
vorgewählt werden. Zusätzlich ist die Anzeige der aktuellen Last vorgesehen.
Im vollautomatischen Betrieb werden zwei Unterbetriebsarten unterschieden. In der
Betriebsart „Automatikbetrieb ohne Leitrechner“ (vgl. Abschnitt 3.4.3.1) ist keine Verbindung
zum übergeordneten Leitrechner vorhanden. Die Fahraufträge werden vom
Bediener am Kran-PC oder vom PC selbst als vordefiniertes Fahrprogramm erzeugt.
In der Betriebsart „Automatikbetrieb mit Leitrechner“ (vgl. Abschnitt 3.4.3.2) gibt ein
übergeordneter Leitrechner die Fahrbefehle vor.
Im Automatikbetrieb ohne Leitrechner ist es zusätzlich möglich, innerhalb eines Auftrags
in den Handbetrieb und nach Quittierung durch den Bediener, wieder zurück in
den Automatikbetrieb zu wechseln (z. B. Lasthandling).
3.4.3.1 Automatikbetrieb ohne Leitrechner
In dieser Betriebsart wird das Leichtkransystem vom Kran-PC gesteuert. Dieser befindet
sich in der Kommunikationshierarchie in der Prozessebene und wird an den
CAN-Bus angeschlossen.
Kranverriegelung
Weiche
Fahrwerk
Kran-
Fahrwerk
verriegelung
Positionserfassung
(Kran)
Steuerrechner
(Kran-PC)
elektrische
Anpassung
CAN ISO-Layer 1
Positionserfassung
(Katze)
Energiebus
Hubwerk
(Last)
Positionserfassung
(Last)
ortsfeste Komponenten mobile Komponenten
Lastaufnahmemittel
Kran Katze
CAN-Bus
CANopen
Prozessebene
Schleifleitungs- oder Funkbus
CANopen
Steuerschalter
Hubwerk
(Steuerschalter)
Baugruppen
Bild 9: Steuerungsstruktur für den Automatikbetrieb ohne Leitrechner
7-14

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Müller, S., u.a. : Der Kranbaukasten KBK – Mit Neuentwicklungen in die Zukunft
Funktionalitäten des Kran-PC sind:
• Steuerung der Krane:
- Fahrten von einer definierten Position zu einer anderen
- Abarbeitung definierter Fahrprogramme
• Auftragsverwaltung
• Synchronisation an Überfahrstellen
• Kollisionsvermeidung über Steuerung und Sensorik
• Weichensteuerung über CAN-Bus
• Umfahrsteuerung
• Bahnplanung
• Ressourcenplanung (Disposition der Katzen)
• Gerätevisualisierung und Statusanzeige
• Protokollierung aller Aktivitäten
• Protokollierung von Fehlern
MATVAR
Die Fahraufträge werden in dieser Betriebsart über die Bedienoberfläche eingegeben.
Dazu können im Dialog „Bildschirmbetrieb“ (vgl. Bild 10) Fahraufträge manuell
zusammengestellt werden. Das entsprechende Gerät wird ausgewählt und vorher
eingeteachte und bezeichnete Positionen werden als Start- und Endpositionen vorgegeben.
Zusätzlich kann automatisch das Lastspiel (Heben / Senken der Last)
durchgeführt werden.
Bild 10: Dialog zur direkten Eingabe von Fahraufträgen am Kran-PC
7-15

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Müller, S., u.a. : Der Kranbaukasten KBK – Mit Neuentwicklungen in die Zukunft
3.4.3.2 Automatikbetrieb mit Leitrechner
MATVAR
Kennzeichnend für diese Betriebsart ist die Integration des Leichtkransystems in förder-
oder produktionstechnische Anlagen und Systeme. Das Kransystem erhält Aufträge
von einem übergeordneten Leitrechner, die dann vom Kran-PC in konkrete
Fahrbefehle umgesetzt und entsprechend weitergeleitet werden. Dieser Leitrechner
wurde vom Projektpartner OBTec realisiert.
Bei der Auftragserteilung des Leitrechners an den Kran-PC sind unterschiedliche
Transportauftragsarten vorgesehen. Möglich sind Einzelaufträge ohne und mit einer
auftragsspezifischen Priorität. Weiterhin können jedoch auch Großaufträge mit Sequenzen
durchgeführt werden, z. B. um bestimmte Werkstücke nacheinander auf
unterschiedlichen Werkzeugmaschinen zu bearbeiten.
In dieser Betriebsart hat der Kran-PC zusätzlich zu den in Abschnitt 3.4.3.1 beschriebenen
Funktionalitäten den Aufbau, den Betrieb und die Überwachung der
Netzwerkverbindung zum Leitrechner und gegebenenfalls zu anderen Steuerungen
und einem Prozessvisualisierungsrechner vorzunehmen (Bild 11).
Kranverriegelung
Weiche
Fahrwerk
Kran-
Fahrwerk
verriegelung
Positionserfassung
(Kran)
Leitrechner
Steuerrechner
(Kran-PC)
elektrische
Anpassung
CAN ISO-Layer 1
Positionserfassung
(Katze)
Prozessvisualisierung
Hubwerk
(Last)
Positionserfassung
(Last)
ortsfeste Komponenten mobile Komponenten
ETHERNET (TCP-IP)
Energiebus
Lastaufnahmemittel
Kran Katze
CAN-Bus
CANopen
Prozessebene
Schleifleitungs- oder Funkbus
CANopen
Steuerschalter
Hubwerk
(Steuerschalter)
Baugruppen
Leitebene
Bild 11: Steuerungsstruktur für den Automatikbetrieb mit Leitrechner
Der Leitrechner befindet sich in der obersten Ebene der Kommunikationshierarchie
und hat im wesentlichen die Aufgabe, fördertechnische Aufträge an den Kran-PC zu
erteilen. Kran-PC und Leitrechner kommunizieren über das TCP/IP-Protokoll über
LAN
7-16

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Müller, S., u.a. : Der Kranbaukasten KBK – Mit Neuentwicklungen in die Zukunft
MATVAR
eine ETHERNET-Verbindung. An dieses Netzwerk können weitere Prozess- und
Steuerungsrechner angeschlossen werden.
4 Ergebnisse
Die Bauteile des Kranbaukastens KBK sind für die gestellten Aufgaben geeignet. Es
sind für die Positioniergenauigkeit in der Horizontalen kurze oder starre Aufhängungen
zu verwenden. Dies betrifft auch die Aufhängungen des Hubwerks am Katzrahmen
und des Katzrahmens an den Fahrwerken. Es sind in den vergangenen drei
Jahren spezielle Fahrwerke zur starren Lastankopplung entwickelt worden (Bild 12).
Sie zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie durch eine besondere Lagerung
der Fahrwerksrollen Toleranzen und Verformungen in der Bahn ausgleichen
und dadurch immer gleichmäßig tragen.
Bild 12: Fahrwerke für starren Lastanschluss
Zusätzlich wurden durch Gummilagerungen gedämpfte Bahnaufhängungen entwickelt.
Diese können Ungenauigkeiten im Stahlbau und Verformungen des Systems
aufnehmen. In der Versuchsanlage kommen diese Bauteile bislang noch nicht zum
Einsatz.
Für die Positionierung in der Vertikalen sind geringere Durchbiegungen der Bahnen
und Krane als im Standard erforderlich. In der Versuchsanlage ist daher am Einträgerhängekran
eine Spannbrücke zur Versteifung nachgerüstet worden. Es sind starre
Krantraversen zu verwenden.
Die Fahrantriebe sind frequenzgeregelt zu steuern. Die Anbringung eines Wegmesssystems
ist dann erforderlich, wenn mehrere, wechselnde Positionen anzufahren
sind. Über die Nutzung von Initiatoren ist die geforderte Flexibilität nicht gegeben.
Auch für geringe Automatisierungsgrade ist eine umfassende Ausrüstung des Systems
mit Komponenten und Sensorik erforderlich (z.B. Hubwerk für Steuerschalter,
7-17

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Müller, S., u.a. : Der Kranbaukasten KBK – Mit Neuentwicklungen in die Zukunft
MATVAR
Ruftaster, Wegmesssystem, Lasterkennung). Hinzu kommen die sicherheitsbedingten
Erfordernisse an das Lastaufnahmemittel. Ein modulares, erweiterbares System
ist zudem mit einem Bus-Steuerungssystem wie in Abschnitt 3 dargestellt auszurüsten.
Hierzu sind die Komponenten des Systems mit einer entsprechenden Schnittstelle
zu versehen. Diese Schnittstelle kann entweder in der Komponente eingebaut
sein oder ist durch den zusätzlichen Einbau von Schnittstellenmodulen zu gewährleisten.
5 Zusammenfassung
Im Verbundforschungsprojekt MATVAR hat die Mannesmann Dematic AG in Zusammenarbeit
mit den Projektpartnern ein modulares, flexibles und dezentral gesteuertes
Leichtfördersystem erstellt.
Die Möglichkeit der Aufrüstung eines handgesteuerten Krans über unterschiedliche
Ausbau- und Automatisierungsstufen bis hin zu einem Materialflussnetz mit vollautomatisch
fahrenden Katzen und Kranen ist insbesondere für kleine und mittelständische
Unternehmen interessant, da die Anfangsinvestitionen relativ gering sind und
die Anlage entsprechend den steigenden Anforderungen schrittweise ausgebaut
werden kann. Die Automatisierungsstufen können dabei passend zum benötigten
Einsatzfall ausgewählt werden. Das Baukastenprinzip gewährleistet eine einfache
Erweiterbarkeit in mechanischer, elektrischer und steuerungstechnischer Hinsicht.
Dieses Leichtfördersystem entspricht damit den hohen Anforderungen des Forschungsprojektes
und bietet die Basis für Neuentwicklungen im Bereich der Materialflusstechnik.
6 Literatur
[1] Nitidem, E.: Dezentrales Signalverarbeitungssystem für komplexe Überwachungs-
und Regelungsaufgaben, Fortschritt-Bericht VDI, Reihe 8, Nr. 746,
VDI-Verlag, Düsseldorf, 1999.
[2] Etschberger, K., Lorinser, A., Schlegel, Ch., Suters, T.: CAN; Grundlagen, Protokolle,
Bausteine, Anwendungen, Hanser Verlag, München, Wien, 1994.
[3] Lawrenz, W. (Hrsg.): CAN, Grundlagen und Praxis, Hüthig Verlag, Heidelberg,
1997.
[4] N.N.: KBK classic, Kranbaukasten KBK 100, I, II-L, II, III Projektierung und
Bauteile, Mannesmann Dematic AG Druckschrift 20297544
[5] N.N.: KBK ergo, KBK I, II-L, II, Mannesmann Dematic AG Druckschrift
20330844
7-18

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflusssteuerung in dyn. Produktionsstrukturen
*HVWDOWXQJ GHU 0DWHULDOIOXVV
VWHXHUXQJ LQ G\QDPLVFKHQ 3URGXN
WLRQVVWUXNWXUHQ
MATVAR
'U ,QJ 6WHIDQ %OHVVLQJ
,QVWLWXW I U :HUN]HXJPDVFKLQHQ XQG %HWULHEVZLVVHQVFKDIWHQ
LZE
7HFKQLVFKH 8QLYHUVLWlW 0 QFKHQ
%ROW]PDQQVWU
*DUFKLQJ
8-1

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflusssteuerung in dyn. Produktionsstrukturen
1 Einleitung
MATVAR
Das vielfach diskutierte turbulente Umfeld der Unternehmen erfordert häufige Veränderungen
auf der Ebene der Produktionssysteme, zu deren Umsetzung sehr wenig
Zeit besteht. Der derzeit dazu am meisten diskutierte Lösungsansatz besteht darin,
Unternehmen und ihre Produktionssysteme wandlungsfähig zu machen (REINHART
U.A. 1999, WESTKÄMPER U.A. 1999). Zur Definition von Wandlungsfähigkeit gibt es
verschiedene Ansätze (SELKE 1998, HARTMANN & SPIEWACK 1999), die jedoch alle
prinzipiell in der Forderung münden, Veränderungen jeglicher Art auf wirtschaftliche
Art und Weise durchführen zu können.
Dazu bestehen eine Vielzahl von Möglichkeiten, die auf allen Unternehmensebenen
angesiedelt sein können. Virtuelle Unternehmensstrukturen (vgl. NABER U.A. 1996,
EVERSHEIM 1999) stellen einen Ansatz auf Unternehmensebene dar. Innerhalb der
Unternehmen bzw. auf der Ebene der Produktionssysteme werden ebenfalls organisatorische
(z.B. KÖNIG 1997) und technische Ansätze (z.B. GALLASCH & DECKER 1996
REEK 1999) entwickelt, die insgesamt die Wandlungsfähigkeit eines Unternehmens
steigern sollen.
Dem innerbetrieblichen Materialfluss kommt dabei eine besondere Bedeutung zu.
Gerade die Funktionen, welche die Vernetzung eines Produktionssystems bilden,
sind in besonderem Maße von Veränderungen betroffen und müssen damit der Forderung
nach Wandlungsfähigkeit gerecht werden. Wandlungsfähigkeit stellt aber
neue und sehr hohe Anforderungen an die zur Steuerung des Materialflusses in einem
Produktionssystem eingesetzten Verfahren und Werkzeuge, die derzeit noch
nicht vollständig erfüllt werden können.
Die Gründe dafür sind vielfältig. Besonders die Forderung, das Materialflusssystem
schnell und einfach an Veränderungen des Produktionssystems anpassen zu können,
scheitert an dem meist zu hohen Veränderungsaufwand der Materialflusssteuerung.
Ein weiteres Manko stellt die fehlende Kompatibilität und Durchgängigkeit der
eingesetzten Steuerungssysteme dar, so dass manuelle und automatisierte Elemente
nicht gleichzeitig eingesetzt werden können. Die wachsende Bedeutung des
Materialflusses und die bei der Steuerung des innerbetrieblichen Materialflusses bestehenden
Defizite bilden den Ausgangspunkt für diese Arbeit.
Der effektive Einsatz von informationsverarbeitenden Systemen in der dynamischen
Produktion erfordert neue Ansätze und Systemkonzepte. Dementsprechend wird in
diesem Beitrag ein grundlegendes Konzepte zur Gestaltung dynamikgerechter, informationsverarbeitender
Systeme vorgestellt. Das Ziel dieses Beitrags ist, ein Konzept
zur Gestaltung der Materialflusssteuerung in dynamischen Produktionsstrukturen
zu entwickeln, dessen prototypische Umsetzung zu zeigen und damit die Funktionsfähigkeit
des Konzepts nachzuweisen.
8-2

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflusssteuerung in dyn. Produktionsstrukturen
Standortübergreifender
Materialfluss
Innerwerklicher
Materialfluss
Innerbetrieblicher
Materialfluss
Materialfluss
am Arbeitsplatz
Bild 1: Betrachtungsgegenstand ist der innerbetriebliche Materialfluss
MATVAR
2 Auswirkungen des dynamischen Umfelds auf die Materialflusssteuerung
2.1 Betrachtungsgegenstand Materialflusssteuerung
Der Materialfluss ist definiert als die Verkettung aller Vorgänge beim Gewinnen, Beoder
Verarbeiten sowie bei der Verteilung von Gütern innerhalb festgelegter Materialflussebenen
(VDI 1970). Häufig wird in diesem Zusammenhang vom Materialfluss
erster bis vierter Ordnung gesprochen (BULLINGER & LUNG 1994).
Betrachtungsgegenstand des vorliegenden Beitrags ist der innerbetriebliche Materialfluss,
d.h. der Materialfluss dritter Ordnung. Der Grund dafür ist, dass besonders
der innerbetriebliche Materialfluss entscheidend für die Qualität der logistischen
Leistung eines Produktionssystems ist (NEDELJKOVIC-GROHA 1995, S. 6). Der Betrachtungsgegenstand
erstreckt sich nur auf rechnergestützte Materialflusssteuerungen,
da sich auf diese Veränderungen der Produktion stärker auswirken. Eine rechnergestützte
Materialflusssteuerung kann dabei sowohl Teil eines übergeordneten
IV-Systems sein, als auch als ein eigenständiges System in die betriebliche Informationsverarbeitung
eingebunden sein.
8-3

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflusssteuerung in dyn. Produktionsstrukturen
MATVAR
2.2 Veränderungen in der Materialflusssteuerung auf Grund
von Veränderungen in der Produktion
2.2.1 Veränderungen der Aufbauorganisation
Veränderungen der Aufbauorganisation einer Materialflusssteuerung können als Reaktion
auf Veränderungen des Produktionssystems erforderlich werden, ebenso aber
auch eine Folge von Veränderungen innerhalb des Materialflusssystems selbst sein.
Vergrößert sich ein Produktionssystem, nimmt meist auch die Anzahl der Arbeitsstationen
und die Anzahl der Mitarbeiter zu und es müssen beispielsweise mehr Eingabeterminals
zur Verfügung gestellt werden. Zusätzlich werden neue Transportmittel
für das erhöhte Transportaufkommen in der vergrößerten Produktion erforderlich, die
dem Materialflusssystem hinzugefügt und damit auch in die Materialflusssteuerung
integriert werden müssen. Diese beiden Beispiele zeigen auf, wodurch Veränderungen
der Aufbauorganisation einer Materialflusssteuerung erforderlich werden können.
Mit der Vergrößerung eines Produktionssystems erfolgt meist auch eine Anpassung
der Aufgaben- und Verantwortungsbereiche innerhalb der Produktion. Die Strukturierung
der Aufgaben- und Verantwortungsbereiche innerhalb einer Materialflusssteuerung
basiert auf den Gegebenheiten im Produktionssystem und muss die dort stattfindenden
Veränderungen deshalb berücksichtigen.
Die Vergrößerung eines Produktionssystems soll hier lediglich als ein Beispiel für
eine Veränderung in der dynamischen Produktion verstanden werden. Natürlich sind
Verkleinerungen, Teilungen, Umstrukturierungen etc. ebenso möglich. Diese führen
im Kern jedoch auf dieselben Veränderungen für die Materialflusssteuerung.
2.2.2 Veränderungen der Ablauforganisation
Die Strukturierung der Aufgaben- und Verantwortungsbereiche des Produktionssystems
sowie insbesondere der Materialflusssteuerung bestimmt in hohem Maße die in
der Materialflusssteuerung verwendeten Strategien zur Planung und Steuerung der
Materialflussabläufe. Darüber hinaus wirken sich organisatorische Veränderungen
eines Produktionssystems, insbesondere Veränderungen der Steuerungsstrategie
und der Ablaufvorschriften, direkt auf die Ablauforganisation einer Materialflusssteuerung
aus.
Ein Beispiel ist die Veränderung der Arbeitspläne. Ein Arbeitsplan enthält alle Angaben,
die zur Herstellung eines Erzeugnisses erforderlich sind. Im Arbeitsplan sind
alle Arbeitsgänge mitsamt der erforderlichen Abarbeitungsreihenfolge beschrieben
(MEINBERG & TOPOLEWSKI 1995, S. 33). Eine Veränderung dieser führt zu einer Ver-
8-4

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflusssteuerung in dyn. Produktionsstrukturen
MATVAR
änderung der Reihenfolge, in der Material von einer Bearbeitungsstation zur nächsten
transportiert wird, und wirkt sich damit direkt auf den Materialfluss aus.
Eine Veränderung der Produktionsstruktur, beispielsweise die Einführung von Fertigungsinseln,
hat zwar direkten Einfluss auf die Aufbauorganisation einer Materialflusssteuerung,
auf deren Ablauforganisation wirkt sich diese Veränderung jedoch
nur indirekt aus. Im Zuge dieser organisatorischen Veränderung erfolgt meist auch
eine Anpassung der Steuerungsstrategie des Produktionssystems, die sich wiederum
direkt auf die Materialflusssteuerung auswirkt, da mit der Verteilung der Arbeit
auch die Verteilung des Materials gekoppelt ist. Bei Anwendung einer Engpasssteuerung
nach dem OPT-Prinzip (GOLDRATT & COX 1996) in der dynamischen Produktion
wandern die Engpässe auf Grund der schwankenden Auftragslage bzw. auf Grund
von technischen oder organisatorischen Veränderungen. Da vor einem Engpass
Aufgaben nach dem Zieh-Prinzip und nach dem Engpass nach dem Schiebe-Prinzip
verteilt werden, muss auch die Ablauforganisation einer Materialflusssteuerung zwischen
den verschiedenen Steuerungsprinzipien (Bring- und Holprinzip) wechseln
können.
2.3 Anforderungen an die Materialflusssteuerung in der dynamischen
Produktion
Aus den genannten Veränderungen ergeben sich vier wesentliche Anforderungen an
die Materialflusssteuerung in der dynamischen Produktion.
Die wichtigste Anforderung an die Aufbauorganisation einer Materialflusssteuerung
im dynamischen Produktionsumfeld besteht darin, Veränderungen des Produktionssystems
schnell und einfach abbilden zu können. Darunter sind Veränderungen der
Anordnung der Betriebsmittel, also des Layouts, ebenso zu verstehen wie Veränderungen
organisatorischer Art. Der Austausch von Transportmitteln oder die Erweiterung
der eingesetzten Transportmittel um weitere Komponenten muss von einer
Materialflusssteuerung ebenfalls beherrscht werden können.
Neben der Fähigkeit, diese Veränderungen abbilden zu können, ist von Materialflusssteuerungen
in der dynamischen Produktion zu fordern, dass sie auch die Neuund
Umplanungsvorgänge unterstützen. Dies kann auf unterschiedliche Arten erfolgen.
Zum einen sollten aktuelle Daten z.B. über die Auslastung der Transportmittel,
die benutzten Fahr- und Verkehrswege oder über die häufigsten Störungsursachen
einem Materialfluss-Planer zur Verfügung gestellt werden. Darüber hinaus sollte bereits
das System der Materialflusssteuerung die Möglichkeit bieten, alternative
Konstellationen, z.B. bezüglich der Art und Anzahl der eingesetzten Fördermittel,
bewerten zu können. Damit sollte es möglich werden, Planung und Betrieb einer
Materialflusssteuerung quasi zu parallelisieren und somit Planungs- und Inbetriebnahmezeiten
zu verkürzen.
8-5

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflusssteuerung in dyn. Produktionsstrukturen
Veränderungsfähigkeit
Layout
Transportmittel
Organisationsprinzip
Aufbauorganisation
Ablauforganisation
Materialflusssteuerung
Strategievariabilität
MATVAR
BRING HOL
Planungsunterstützung Aktualität der Planung
Vier wesentliche Anforderungen an die Gestaltung
der Materialflusssteuerung
Bild 2: Anforderungen an die Gestaltung der Materialflusssteuerung
Auf Grund der Veränderungen, die besonders die Ablauforganisation der Materialflusssteuerung
betreffen, ist an diese die Forderung zu stellen, dass sowohl ein
Wechsel des Steuerungsprinzips jederzeit und einfach möglich sein muss als auch
verschiedene Steuerungsstrategien innerhalb eines Materialflusssystems verwendet
werden können. Das heißt, dass z.B. in einer Produktion mit einem wandernden
Engpass die Steuerungsstrategie für einen Bereich von Bringprinzip auf Holprinzip
umgestellt werden kann, ohne dass zuvor die gesamte Materialflusssteuerung aufgeteilt
und neu eingestellt werden muss.
Damit verbunden ist die Forderung nach der Optimierung der Abläufe in der Materialflusssteuerung
unter Berücksichtigung der aktuellen Situation in der Produktion.
Die hohe Dynamik in der Produktion bringt es mit sich, dass einmal geplante Abläufe
im nächsten Moment nicht mehr optimal sind, da sich die Planungsgrundlagen verändert
haben. Störungen an den Bearbeitungsstationen durch technisches oder
menschliches Versagen können z.B. eine Veränderung einmal geplanter Abläufe
notwendig werden lassen. Damit wird es erforderlich, mit möglichst kurzen Planungshorizonten
zu planen. Allerdings schrumpft mit dem Planungshorizont auch die
Möglichkeit zur Optimierung von Abläufen. Die Forderung nach der Aktualität der
Planung ist deshalb mit der Forderung nach einem Optimum zwischen Planungshorizont
und Abläufen verbunden.
8-6

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflusssteuerung in dyn. Produktionsstrukturen
Veränderungsfähigkeit
Unstetig fördernde
Transportmittel
Materialflusssteuerung
durch ein Leitsystem
Strategievariabilität
MATVAR
Dezentrale
Ansätze
Handlungsbedarf
Planungsunterstützung Agentenbasierte
Ansätze
Aktualität der Planung
Anforderungen werden lediglich teilweise erfüllt
Bild 3: Stand der Technik und Handlungsbedarf
3 Stand der Technik und Handlungsbedarf
Die Systemarchitektur einer Materialflusssteuerung ist meist von außen nicht sichtbar.
Das Hauptaugenmerk bei Betrachtungen liegt eher auf der Funktion eines Systems
und weniger auf seinen inneren Eigenschaften. Dies gilt jedoch dann nicht
mehr, wenn Systeme und damit auch ihre innere Aufbauorganisation häufiger verändert
werden müssen. Bei den aus der Literatur bekannten Ansätzen zur Materialflusssteuerung
lassen sich zentrale und dezentrale Systemarchitekturen unterscheiden.
Bei zentralen Ansätzen sind die Funktionen der Materialflusssteuerung in einem Leitsystem
integriert (NEDELJKOVIC-GROHA 1995, S. 13). Leitsysteme können Materialflussvorgänge
wie Bearbeitungsaufträge einplanen und diese an die zur Verfügung
stehenden Transportmittel verteilen. Voraussetzung ist hierzu, dass Materialflussvorgänge
genau wie die im Arbeitsplan aufgeführten Fertigungs- und Montagevorgänge
dem Leitsystem als Planungsgrundlage zur Verfügung gestellt werden.
Ein Leitsystem ist unterhalb der Produktionsplanung und –steuerung angesiedelt
(MERTINS U.A. 1994, S. 14-57) und plant mit einem kürzeren Zeithorizont unter Berücksichtigung
der zur Verfügung stehenden Maschinen- und Personalkapazität. Besonders
nach dem Werkstatt- oder Inselprinzip organisierte Produktionssysteme eignen
sich für den Einsatz von Leitsystemen. Beispiele hierzu sind u.a. von SCHRÖDEL
8-7

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflusssteuerung in dyn. Produktionsstrukturen
MATVAR
(1992), CHA & PARK (1996), PARUNAK (1998), REINHART & ANSORGE (1997) und
GERDES (1997) bekannt.
Dezentral aufgebaute Systeme sind in erster Linie dadurch gekennzeichnet, dass die
Funktionen der Materialflusssteuerung von einem Steuerungssystem unterhalb der
Leitebene wahrgenommen werden. Dies setzt die Entkopplung von Fertigungs- und
Materialflussaufgaben voraus (NEDELJKOVIC-GROHA 1995, S. 13). Das Materialflusssteuerungssystem
kann selbst wiederum aus einem oder mehreren Subsystemen
bestehen. NEDELJKOVIC-GROHA (1995) beschreibt ein System eines Materialfluss-
Zellenrechners. Dieser ist unterhalb der Leitebene angesiedelt und wird deshalb vom
Autor als dezentral bezeichnet. Ein weiterer Schritt in der Dezentralisierung der
Funktionalität einer Materialflusssteuerung führt zu agentenbasierten Ansätze, bei
denen die Aufteilung der Materialfluss-Funktionen nicht nur nach funktionalen Kriterien,
sondern auch anhand der Topologie der zu steuernden Anlage erfolgt. Hierzu
sind Arbeiten u.a. von CASSANDRAS (1986), PARUNAK (1988), KUSIAK (1986),
GAUSEMEIER U.A. (1996) und LI (1996) bekannt.
Industriell eingesetzte Systeme zur Materialflusssteuerung sind meist entweder als
Bestandteil eines Leitrechners oder als eigenständiger Materialflussrechner realisiert.
Zwar werden letztere hier auch als dezentraler Ansatz bezeichnet, die Konzentration
aller Materialflussfunktionen in einem Rechnersystem weist jedoch häufig die gleichen
Eigenschaften auf, wie zentrale Lösungen (Leitrechner). Agentenbasierte Ansätze
werden derzeit ausschließlich in der Forschung untersucht. Ihre Vorteile liegen
in der transparenten Abbildung der realen Produktion durch entsprechende Wahl und
Zuordnung einzelner Agenten. Derartige Architekturkonzepte wurden vor allem für
Leitsysteme entwickelt, ihre Übertragung auf Materialflusssteuerungen wurde bislang
nur selten vorgenommen.
Eine ideale Materialflusssteuerung für den Einsatz in der dynamischen Produktion
sollte alle vier Anforderungen erfüllen, und dabei die Kriterien noch besser erfüllen,
als die derzeit verfügbaren Ansätze. Vor diesem Hintergrund wird deutlich, dass
Handlungsbedarf zur Entwicklung einer Materialflusssteuerung besteht, die den Forderungen
nach Veränderungsfähigkeit und Unterstützung bei Um- und Neuplanungen,
Aktualität der Planung und Flexibilität der eingesetzten Steuerungsstrategien
gleichzeitig genügt. Vor allem die fehlende Unterstützung bei der Planung von Veränderungen
der Aufbau- und Ablauforganisation der Materialflusssteuerung erfordert
eine theoretische Basis für die Entwicklung und Veränderung der Systemarchitektur.
Diese muss den Planer des Steuerungssystems unterstützen und idealer weise zusätzlich
eine gemeinsame Sprachbasis für die Zusammenarbeit mit dem Materialflussplaner
bieten. Es besteht demnach Handlungsbedarf zur Entwicklung eines
neuen Ansatzes, der unter Vermeidung dieser Defizite die Möglichkeiten schafft, den
Materialfluss auch in dynamischen Produktionssystemen mit informationstechnischer
Unterstützung wirtschaftlich zu betreiben.
8-8

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflusssteuerung in dyn. Produktionsstrukturen
Verteilte
Materialflusssteuerung
Lokale
Materialverwaltung
Materialbereitstellung
Bestand verwalten
Bedarf ermitteln
Material anfordern
Transporteinheit
Umgebungsmodell
Materialbesorgung
Plätze verwalten
Transportgut verwalten
Teilaufgaben verteilen
Transportmittel
Transport
Wege planen
Wege reservieren
Weg optimieren
Bild 4: Die Aufbauorganisation besteht aus vier Dienstleistern
MATVAR
4 Konzeption einer dynamikgerechten Materialflusssteuerung
4.1 Aufbauorganisation
Auf Basis der in (BLESSING 1999, S. 41 FF.) entwickelten konzeptionellen Grundlagen
ergibt sich eine verteilte Aufbauorganisation, die das vormals monolithische Materialflusssteuerungssystem
in drei verschiedene Typen Systemelementen unterteilt. Die
wichtigsten am realen Materialfluss beteiligten Komponenten Transportmittel, Transporteinheit
und Quellen und Senken, wie z.B. Lager-, Bearbeitungs- und Montagezellen,
werden als eigenständige Dienstleister betrachtet, die mit Hilfe ihrer informationstechnischen
Abbilder in der Materialflusssteuerung Dienste erbringen bzw.
Dienste anderer in Anspruch nehmen können. Als zusätzliche Informationsquelle und
viertes Systemelement steht eine Datenbasis, das sog. Umgebungsmodell, zur Verfügung,
die relevante Modellinformationen ermittelt und diese allen Systemelementen
als Dienstleistung zur Verfügung stellt.
Die Aufbauorganisation der Materialflusssteuerung ergibt sich damit zu einem Verbund
verschiedener Dienstleister, die in einem Kunden-/Lieferanten-Netz zusammenarbeiten.
Dies ermöglicht eine prinzipiell hohe Veränderbarkeit des Systemaufbaus.
8-9

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflusssteuerung in dyn. Produktionsstrukturen
Planung
Ablaufsteuerung
VMD /
Treiber
Steuerung
Kommunikationsplattform
Planung Planung
Kran-PC
Fahrerloses
Transportfahrzeug Stapler Hallenkran
Bild 5: Systemarchitektur der Dienstleister Transportmittel
4.1.1 Transportmittel
Ablaufsteuerung,Feldbusankopplung
MATVAR
Die Systemarchitektur der Dienstleister vom Typ Transportmittel ist gekennzeichnet
durch eine Trennung der Funktionen Kommunikation, Planung, Ablaufsteuerung und
Kontrolle in voneinander unabhängige Software-Agenten (vgl. Blessing 1999, S. 26).
Je nach Einsatzfall sind für den Dienstleister Transportmittel entweder alle Agenten
erforderlich, oder auf einzelne kann verzichtet werden, etwa wenn die Funktion von
einem Bediener ausgeführt wird. Die einheitliche Kommunikationsplattform unterstützt
diese Trennung der Funktionen durch kompatible Schnittstellen.
Diese Architektur erlaubt es, verschiedenartige Transportmittel prinzipiell mit derselben
Steuerungsarchitektur unter einem Dach zusammenzufassen. Dadurch wird es
möglich, heterogene Fuhrparks mit einer Steuerung gemeinsam zu verwalten, und
die Kapazitäten der einzelnen Transportmittel insgesamt optimal auszunutzen. Bild 5
zeigt verschiedene Konstellationen unterschiedlicher Dienstleister vom Typ Transportmittel.
Während bei automatisierten Transportmitteln (z.B. FTF) Agenten für Planung,
Ablaufsteuerung und Anpassung an die maschinenspezifische Steuerung
(Treiber) erforderlich sind, kommt die Integration eines Gabelstaplers unter Einbeziehung
des Bedieners mit einem Planungsagenten aus.
8-10

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflusssteuerung in dyn. Produktionsstrukturen
Kommunikationsplattform
Planung Auftragsplan Materiallisten
Ablaufsteuerung
Bedienober-
fläche
MATVAR
Modellinformation
Bild 6: Systemarchitektur der Dienstleister lokale Materialverwaltung
4.1.2 Lokale Materialverwaltung
Die Systemarchitektur der Dienstleister vom Typ lokale Materialverwaltung ist vergleichbar
mit der Systemarchitektur der Transportmittel-Dienstleister. Ausgehend von
der systemweiten Kommunikationsplattform ist ein Planungsagent für die Entgegennahme
von Aufgaben und deren terminliche Einordnung zuständig. Zur Ausführung
werden die Aufgaben an den Steuerungsagenten weitergegeben. Die Weitergabe
daraus abgeleiteter einzelner Aktionen an einen Treiberagenten ist nur bei vollständig
automatisierten Bearbeitungszellen erforderlich. In der Regel kommuniziert der
Steuerungsagent über geeignete Bedienoberflächen mit dem Zellenbediener. Somit
übernimmt der Bediener dann auch die operative Ausführung der Dienstleistungen.
Dies entspricht im wesentlichen einem neuen Aufgabenverständnis der Zellenbediener,
wie es z.B. von DIESCH (1999) beschrieben wird.
Grundlage der Aktionen des Planungsagenten sind die aktuellen zellenspezifischen
Informationen über die eingeplanten Aufgaben, das zur Verfügung stehende Material
und die Topologie und Eigenschaften der Bearbeitungszelle. Zu letzteren gehören
Informationen über Anzahl, Art und aktuellen Status der Lastübergabepunkte, die
zelleninternen Fördermittel sowie die geometrischen Abmaße der Zelle.
8-11

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflusssteuerung in dyn. Produktionsstrukturen
Planung
Ablaufsteuerung
Bedienoberfläche
Kommunikationsplattform
Auftragsplan
Belegungslisten
Bild 7: Systemarchitektur der Dienstleister Transporteinheit
4.1.3 Transporteinheiten
MATVAR
Die Systemarchitektur der Dienstleister vom Typ Transporteinheit ist prinzipiell ähnlich
zu den Systemarchitekturen der beiden beschriebenen Systemelemente. Allerdings
sind im Gegensatz zu diesen die Transporteinheiten keine aktiven Systemelemente,
d.h. sie verfügen alleine über keine Möglichkeit sich oder andere physisch zu
verändern. Dennoch müssen sie über die Möglichkeit verfügen, Veränderungen an
sich selbst oder in ihrer Umgebung zu erfahren. Auf der untersten Agentenebene ist
deshalb eine Bedienoberfläche angesiedelt, mit der ein Bediener Zustandsänderungen
in der Belegung der Transporteinheit abbilden kann. Bei entsprechender sensorischer
Ausstattung der Transporteinheit und des Transportguts mit einem Identifikationssystem,
könnte hier auch eine VMD zum Einsatz kommen, die automatisch die
aktuelle Belegung der Transporteinheit ermittelt. Der darüber liegende Steuerungsagent
überwacht die Aktionen der darunter liegenden Ebene und schreitet gegebenenfalls
ein.
Die Grundlage für die Planungen des Planungsagenten ist die aktuelle Situation der
Transporteinheit, die durch die Einträge in den Belegungs- und Auftragslisten sowie
durch die Ergebnisse der Verhandlungen mit den Unterauftragnehmern gekennzeichnet
ist. Den Transporteinheiten kommt bei der entwickelten Strukturierung der
Materialflusssteuerung die Rolle eines Koordinators zu.
8-12

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflusssteuerung in dyn. Produktionsstrukturen
Umgebungsmodellserver
Kommunikationsplattform
Umgebungsmodell
Topologie- und
Positionsdaten
Bild 8: Systemarchitektur des Dienstleisters Umgebungsmodellserver
4.1.4 Umgebungsmodellserver
MATVAR
Aufgabe des Dienstleisters Umgebungsmodellserver ist es, Informationen der einzelnen
Dienstleister zu kombinieren und auf Basis der angereicherten Informationen
dienstleisterübergreifende Entscheidungen zu treffen. Aus dieser Aufgabenstellung
ergeben sich Eigenschaften und Systemaufbau des Dienstleisters Umgebungsmodellserver,
die in vielerlei Hinsicht unterschiedlich zu den zuvor beschriebenen
Dienstleistern sind. Zunächst ist ein wesentlicher Unterschied zu den jeweils mehrfach
vorhandenen Dienstleistern Transporteinheit, Transportmittel und lokale Materialverwaltung,
dass der Umgebungsmodellserver nur ein einziges Mal im System vorhanden
ist.
Ein weiterer Unterschied ist der Systemaufbau. Im Gegensatz zu den beschriebenen
Dienstleistern ist kein Planungsagent zur Bildung einer Ausführungsreihenfolge erforderlich.
Besondere Bedeutung kommt dem Datenteil des Umgebungsmodellservers
zu. Das Umgebungsmodell, das den Aktionen zu Grunde liegt, darf keine Redundanz
zu den lokalen Modellen der einzelnen Dienstleister aufweisen. Sonst wäre
bei Veränderungen im System ein doppelter Anpassungsaufwand erforderlich. Vielmehr
soll das zentrale Umgebungsmodell ohne zusätzlichen Aufwand aus den lokalen
Modellen entstehen. Dazu ist es erforderlich, dass die lokalen Modelle vereinbarten
Systemstandards genügen und untereinander redundanzfrei sind. Das Gesamtmodell
ergibt sich quasi als Puzzle aus den Einzelmodellen.
8-13

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflusssteuerung in dyn. Produktionsstrukturen
1
4
2 3
5
Flexibles Ablaufkonzept
4.2 Ablauforganisation
4.2.1 Holprinzip
6
1
4
?
? A B
Produktionszellen,
lokale
Materialverwaltungen
Aufgabenverteilung nach
dem Verhandlungsprotokoll
Transportträger
Aufgabenverteilung nach
dem Verhandlungsprotokoll
Bild 9: Ablauforganisation Holprinzip
Transportmittel
MATVAR
Auf Basis dieser prinzipiellen Verhaltensmuster ergeben sich nun in Abhängigkeit
von der anwendungsspezifischen Aufbauorganisation und den implementierungsspezifischen
Zielsystemen der einzelnen Dienstleister unterschiedliche Abläufe. Der
einfachste Fall ist eine Materialflussanforderung nach dem Holprinzip.
Der Materialflussvorgang wird durch eine Bearbeitungszelle ausgelöst, deren lokale
Materialverwaltung aufgrund neuer Bearbeitungsaufträge einen Materialbedarf festgestellt
hat. Die lokale Materialverwaltung verteilt über die Kommunikationsplattform
daraufhin eine Ausschreibung an sämtliche Transporteinheiten im System (Schritt €
in Bild 9). Diese wiederum prüfen die in der Ausschreibung enthaltene Aufgabe und
erstellen daraufhin ein Angebot ó. Dieses Angebot wird besonders gut ausfallen,
wenn das gewünschte Material bereits auf der Transporteinheit vorhanden ist und
schlechter, wenn das Material erst z.B. von einem Lager besorgt werden muss. Die
Transporteinheit, die den Zuschlag zur Bereitstellung des gewünschten Materials
erhalten hat ì, startet anschließend eine Ausschreibung ö, um ein Transportmittel
mit dem eigentlichen Transportvorgang zu beauftragen ú, ÷.
8-14

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflusssteuerung in dyn. Produktionsstrukturen
1
2
3 3 3
4 5
?
Produktionszellen,
lokale
Materialverwaltungen
Ankündigung / Platzreservierung
durch direkte Anfrage
Transportträger
? A B Aufgabenverteilung nach
dem Verhandlungsprotokoll
Erfüllung der Anforderungen nach
– Strategievariabilität
– Veränderungsfähigkeit
– Planungsaktualität
4.2.2 Bringprinzip
Transportmittel
Bild 10: Ablauforganisation Bringprinzip
MATVAR
Ganz ähnlich ergeben sich die Abläufe bei einer nach dem Bringprinzip organisierten
Materialflusssteuerung. Allerdings entfällt hier die Suche nach der Materialquelle, da
dies zu Beginn des Materialflussvorgangs bekannt ist. Ebenso ist das Ziel des Vorgangs
bekannt. Damit reduziert sich der erste Teil des Ablaufs, die Kommunikation
zwischen einer lokalen Materialverwaltung und einer Transporteinheit auf eine einfache
synchrone Anfrage nach der Verfügbarkeit von Pufferplätzen (Schritt € in Bild
10). Der zweite Teil des Materialflussvorgangs, die Bestimmung eines Transportmittels,
verläuft analog zu dem Ablauf beim Holprinzip (ó, ì, ö). Neu hinzugekommene
Dienstleister werden sofort in die Aufgabenverteilung integriert. Im in Bild 9 dargestellten
Beispiel sind die beiden Gabelstapler jedoch wegen technischer oder kapazitiver
Gründe nicht in der Lage, den ausgeschriebenen Auftrag auszuführen,
weshalb schließlich doch das FTF mit der Transportaufgabe beauftragt wird.
Welcher der Dienstleister des Systems einen Auftrag annimmt und ausführt, hängt
damit vor allem von den Zielen der einzelnen Dienstleister und den Randbedingungen
einer Aufgabenbeschreibung ab. Die Abstimmung zwischen Zielen und Randbedingungen
erfolgt bei der initialen Konfiguration einer spezifischen Implementierung.
8-15

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflusssteuerung in dyn. Produktionsstrukturen
Transportmittel
Planung
Steuerung
Treiber
Transportträger
Planung
Ablaufsteuerung
Lokale Materialverwaltung
Planung
Ablaufsteuerung
Bedienoberfläche
1:1 Abbildung des Materialflusssystems in
agentenbasierter Software
MATVAR
Bild 11: Abbildung des realen Materialflusssystems in der Materialflusssteuerung
5 Die verteilte Materialflusssteuerung in der iwb-
Modellfabrik
Die iwb-Modellfabrik besteht aus zwei automatischen Flurförderfahrzeugen sowie
insgesamt vier Produktionszellen: einer Montagestation, zwei Bearbeitungszentren
und einem Lager (GALLASCH & SCHNEIDER 1997). Jede Produktionszelle verfügt über
einen Zellenrechner, der zum einen den Bediener bei der Steuerung der internen
Abläufe unterstützt, zum anderen die Verbindung zur Auftragsverteilung (REINHART &
ANSORGE 1997) bildet. Die Aufgabe der Materialflusssteuerung ist in diesem Produktionssystem,
das von den Zellen zur Bearbeitung angeforderte Material im Produktionssystem
zu besorgen und an die anfordernde Zelle zu transportieren.
Die Aufbauorganisation der Materialflusssteuerung entspricht direkt zu steuernden
Materialflusssystem, d.h. in der Steuerung werden so viele Objekte z. B. vom Typ
Transportmittel erzeugt, wie auch reale Transportmittel vorhanden sind. Die Konfiguration
der einzelnen Dienstleister, d.h. die Anpassung der Agenten an den vorliegenden
Einsatzfall, erfolgt über eine Anpassung der bei (Blessing 1999, S. 110 ff.) beschriebenen
Parameter. Dazu können auch Daten aus anderen Quellen, z.B. einem
Layout-Planungstool verwendet werden. Die Aktivierung der einzelnen Dienstleister
erfolgt durch Starten der jeweiligen Programme und Anmelden der instantiierten
verteilten Objekte an der Kommunikationsplattform.
Kommunikationsplattform
8-16

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflusssteuerung in dyn. Produktionsstrukturen
Laststand frei
für Anlieferung
1
2
3
1
Material in
LMV vorhanden
Transportträger
mit Material
Analyse der
Einflussgrößen und Faktoren
Die verteilte Materialflusssteuerung ist
funktionsfähig, wenn
– ausreichend Transportkapazität vorhanden und
– benötigtes Material im System vorhanden ist
Abk. Bedingung a a1 b
LMV1
TTM
LMV2
TMA
Material in LMV
vorhanden
Transportträger mit
Material
LMV_2 mit Material und
freiem Laststand
Transportmittel für
Transport A frei und
bereit
1 0 0
x x 1
x x x
x x 1
Materialfluß i.O. 1 0 1
Kombination der Faktoren
= Versuchsplan
MATVAR
Bild 12: Vorgehensweise bei der Evaluierung der verteilten Materialflusssteuerung
6 Evaluierung
Zur Evaluierung der verteilten Materialflusssteuerung wurde ein Verfahren bestehend
aus einer sorgfältigen Versuchsplanung und der Versuchsdurchführung in einem industrienahen
Umfeld verwendet. Aus dem zur Verfügung stehenden Prozesswissen
wurden die Einflussgrößen ermittelt, zu Faktoren zusammengefasst und ein Versuchsplan
erzeugt, der nur wenige Versuche erforderte. Die Versuche wurden in der
iwb-Modellfabrik durchgeführt, da dort sämtliche Bausteine eines vollständigen Produktionssystems
vorhanden sind und in die verteilte Materialflusssteuerung eingebunden
werden können. Die Übertragung der Versuche aus dieser Mikroumgebung
in ein industrielles Umfeld (Makroumgebung) ist dann möglich, wenn dort dieselben
Randbedingungen vorliegen.
6.1 Überprüfung der Funktionsfähigkeit
Anhand des Einsatzbeispiels in der iwb-Modellfabrik konnte die Tauglichkeit der
verteilten Materialflusssteuerung für den Einsatz in einem kleinen Produktionssystem
nachgewiesen werden. Wenn die für eine erfolgreiche Abwicklung einer Materialflussanforderung
entscheidenden Kriterien erfüllt sind, kann davon ausgegangen
werden, dass die verteilte Materialflusssteuerung auch in einer anderen Einsatzum-
8-17

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflusssteuerung in dyn. Produktionsstrukturen
MATVAR
gebung Materialflussanforderungen ausführen und das Ziel der Materialflusssteuerung
erfüllen kann.
Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass die in (BLESSING 1999, S. 132) ermittelten
Erfolgskriterien auch in der neuen Einsatzumgebung erfüllt sind. Die verteilte Materialflusssteuerung
kann in einem Produktionssystem eingesetzt werden, wenn
é gemessen am Transportaufkommen ausreichend Transportkapazität (Transportmittel
und Transporteinheit) vorhanden und in die verteilte Materialflusssteuerung
eingebunden ist,
é die entsprechende informationstechnische Infrastruktur an den Zellen vorhanden
ist, um die vorhandenen Bediener in die Abläufe zu integrieren,
é die Kapazitätsabschätzung der groben Auftragsplanung die Transportkapazitäten
berücksichtigt und damit verhindert, dass mehr Transporte erforderlich
sind, als zur Verfügung stehen und
é die Materialbedarfsplanung sicherstellen kann, dass das zu den aktuellen
Aufträgen gehörende Material im Materialflusssystem vorhanden ist.
Besonders die beiden letztgenannten Kriterien stellen spezielle Anforderungen an die
Systeme der betrieblichen Informationsverarbeitung. Heute auf dem Markt verfügbare
Systeme können bei entsprechender Anpassung diese Aufgaben jedoch durchaus
erfüllen.
6.2 Vergleich des Veränderungsaufwands
Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal der vorgestellten verteilten Materialflusssteuerung
zu bisher bekannten Systemen und Ansätzen ist der wesentlich geringere
Aufwand, den Veränderungen des Materialflusssystems mit sich bringen. Anhand
eines Vergleichs zweier Szenarien konnte dies in (BLESSING 1999, S. 136) belegt
werden.
Neben der größeren Anzahl an durchzuführenden Arbeitsschritten erfordern konventionell
aufgebaute Systeme in der Regel auch ein höheres Qualifikationsniveau der
Bearbeiter, die Veränderungen in der Produktion in der Materialflusssteuerung abbilden
müssen.
Die verteilte Materialflusssteuerung ist durch die leicht zu verändernde Aufbauorganisation
(vgl. Abschnitt 4.1) in der Lage, die in dynamischen Produktionsstrukturen
auftretenden häufigen Veränderungen in der Materialflussteuerung wesentlich einfacher
und schneller abzubilden. Zusätzlich werden kleinere Veränderungen auf Grund
der flexiblen Ablauforganisation (vgl. Abschnitt 4.2) im laufenden Betrieb berücksichtigt.
8-18

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflusssteuerung in dyn. Produktionsstrukturen
Dynamiktauglichkeit heutiger
Materialflusssteuerungen unzureichend
Verteilte Materialflusssteuerung auf Basis
des Kunden-/Lieferanten-Prinzips
Wichtigste Elemente Elemente sind „Lokale „Lokale
Materialverwaltungen“, „Transportmittel“
und „Transportträger“
Umsetzung Umsetzung in der iwb-Modellfabrik
Nachweis der Funktionsfähigkeit
7 Zusammenfassung
Bild 13: Zusammenfassung
MATVAR
Wandlungsfähigkeit von Unternehmen wird zu einem entscheidenden Wettbewerbsfaktor
werden. Eine wesentliche Voraussetzung hierfür ist, dass auch das Produktionssystem
eines Unternehmens wandlungsfähig ist, d.h. mit den dynamischen Veränderungen
auf den Absatz- und Beschaffungsmärkten mit Hilfe einer immer wirtschaftlich
arbeitenden Produktion Schritt halten kann. Diese Forderung richtet sich
sowohl an das Produktionssystem als Ganzes, als auch an seine Komponenten.
Eine der wesentlichen Komponenten eines Produktionssystems ist der Materialfluss,
der die einzelnen Bearbeitungsschritte einer Produktion verknüpft und damit von
Veränderungen besonders betroffen ist. Hieraus entsteht die Forderung nach einer
hohen Wandlungsfähigkeit der Materialflusssteuerung, die den Ausgangspunkt dieser
Arbeit bildete.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Anforderungen an Materialflusssteuerungen
ausgehend von den Anforderungen an das Produktionssystem abgeleitet. Dabei
wurden die drei wesentlichen Veränderungsbereiche eines Produktionssystems
identifiziert und die sich daraus ergebenden Veränderungen in der Materialflusssteuerung
ermittelt. Das entwickelte Anforderungsprofil für die Aufbau- und Ablauforganisation
zukünftiger Materialflusssteuerungen bildete die Ausgangsbasis für
die Analyse heute verfügbarer Systeme zur Materialflusssteuerung und der in der
Forschung entwickelten Ansätze. Dies ergab, dass die ermittelten Anforderungen
8-19

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflusssteuerung in dyn. Produktionsstrukturen
MATVAR
hinsichtlich Wandlungsfähigkeit nur unzureichend erfüllt werden. Heute verfügbare
Systeme sind auf einen Typ eines Transportmittels spezialisiert und können Transportmittel
anderer Typen nur mit erheblichem Aufwand verwalten und steuern. Auch
fehlen bislang Systeme, die dem Benutzer erlauben, das System einfach und mit geringem
Aufwand zu verändern und an die veränderte Situation in der Produktion anzupassen.
Die Aufgabenstellung für diese Arbeit besteht somit aus der Konzeption
und Entwicklung einer Materialflusssteuerung, die den Anforderungen der dynamischen
Produktion genügt.
Grundsätzliche Überlegungen zur Gestaltung von informationsverarbeitenden Systemen
in der Produktion führten zu einer auf dem Kunden-/Lieferanten-Prinzip basierenden
Gestaltungsmaxime. Insbesondere die Forderung nach einfacher Veränderbarkeit
bei gleichzeitiger Transparenz können bei nach diesem Prinzip organisierten
Systemen besser gelöst werden, als dies bei den heute immer noch üblichen zentral
organisierten Systemen der Fall ist.
Auf dieser Grundlage wurde ein Konzept zur Steuerung des Materialflusses in der
dynamischen Produktion entwickelt. Die wichtigsten am realen Materialfluss beteiligten
Komponenten Transportmittel, Transporteinheit und Quellen und Senken, wie
z.B. Lager-, Bearbeitungs- und Montagezellen, werden als eigenständige
Dienstleister betrachtet, die mit Hilfe ihrer informationstechnischen Abbilder in der
Materialflusssteuerung Dienste erbringen bzw. Dienste anderer in Anspruch nehmen
können. Diese konsequente Umsetzung des Kunden-/Lieferanten-Prinzips führt zu
einem einfach wandelbaren Materialflussnetz.
Die Realisierung der Dienstleister erfolgte in der iwb-Modellfabrik auf Basis der
Kommunikationsplattform CORBA. Die Hauptbestandteile der Dienstleister wurden in
sog. Agenten als verteilte Objekte realisiert, die untereinander über die Kommunikationsplattform
beliebige Informationen austauschen können. Auftragsinformationen
bzw. Dienstanforderungen werden von speziellen Kommunikationsagenten mit Hilfe
eines Verhandlungsprotokolls an andere Dienstleister verteilt. Damit ist es sehr leicht
möglich, neue Dienstleister in die Abläufe einzubinden und die Materialflusssteuerung
zu verändern.
Die Funktionsfähigkeit des entwickelten Systems, der verteilten Materialflusssteuerung,
konnte anhand eines Einsatzbeispiels in der iwb-Modellfabrik gezeigt werden.
Durch die Analyse der Einflussfaktoren und deren Auswirkungen auf die Materialflusssteuerung
konnten die Kriterien ermittelt werden, die beim Einsatz der Materialflusssteuerung
in einer größeren, industriellen Produktion erfüllt sein müssen.
8-20

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflusssteuerung in dyn. Produktionsstrukturen
8 Literatur
MATVAR
BULLINGER & LUNG 1994
Bullinger, H.-J.; Lung, M. M.: Planung der Materialbereitstellung in
der Montage. Stuttgart: B.G. Teubner, 1994.
BLESSING 1999
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflußsteuerung in dynamischen
Produktionsstrukturen. München: Utz, ssenschaftt, 1999.
(iwb Forschungsberichte 134).
CASSANDRAS 1986
Cassandras, C. G.: Autonomous Material Handling in Computer-
Integrated Manufacturing. In: Kusiak, A. (Hrsg.): Modelling and
Design of Flexible Manufacturing Systems. Amsterdam: Elsevier
Science Publishers B.V., 1986, S. 81-98.
CHA & PARK 1996
Cha, Sang K.; Park, Jang H.: Object-oriented model for FMS
control. Journal of Intelligent Manufacturing 7 (1996) 5, S. 387-
391.
DIESCH 1999
Diesch, R: Steigerung der organisatorischen Verfügbarkeit von
Fertigungszellen. München: Utz, Wissenschaft, 1999. (iwb Forschungsberichte
128).
EVERSHEIM U.A. 1999
Eversheim, W.; Bauernhansl, T.; Schuth, S.: Kompetenzbasierte
Konfiguration Globaler Virtueller Unternehmen. ZwF 94 (1999) 1-
2, S. 25-28
GALLASCH & DECKER 1996
Gallasch, A.; Decker, F.: Information macht Dynamik erst möglich.
Logistik Heute 18 (1996) 8, S. 42-44.
GALLASCH & SCHNEIDER 1997
Gallasch, A.; Schneider, B.: Modellfabrik – Viel mehr als ein Spielzeug.
Die Neue Fabrik 1997. Landsberg/Lech: Verl. Moderne Industrie,
1997, S. 18-19.
8-21

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflusssteuerung in dyn. Produktionsstrukturen
MATVAR
GAUSEMEIER U.A. 1996
Gausemeier, J.; Gehnen, G.; Buxbaum, H.-J.; Förste, S.: Decentral
Control Architecture for Modular Material Flow Systems.
In: Conf. on CAD/CAM, Robotics and Factories of the Future.
London: Springer, 1996.
GERDES 1997
Gerdes, K.-H.: Architekturkonzeption für Fertigungsleitsysteme
der flexibel automatisierten Fertigung. Paderborn: HNI-
Verlagsschriftenreihe, 1997.
GOLDRATT & COX 1996
Goldratt, E.M.; Cox, J.: Das Ziel - Höchstleistung in der Fertigung.
London: McGraw Hill, 1996.
HARTMANN & SPIEWACK 1999
Hartmann, M; Spiewack, M.: Infoblatt Nr. 2 zu Stratema: Wachstumsstrategien
durch marktorientierte Wandlungsfähigkeit und
produktnahe Dienstleistungen. Online im Internet
http://www.stratema.de/transfer/info2/info2_07.html am 1.5.99
KUSIAK 1986
Kusiak, A.: Parts and Tool Handling Systems. In: Kusiak, A.
(Hrsg.): Modelling and Design of Flexible Manufacturing Systems.
Amsterdam: Elsevier Science Publishers B.V., 1986, S. 99-110.
LI 1996
Li, S.: Verteilte Steuerung kooperativer autonomer Roboter für
Transportaufgaben. Fortschritts-Berichte VDI Reihe 8, Nr. 599.
Düsseldorf: VDI-Verlag, 1996.
MEINBERG & TOPOLEWSKI 1995
Meinberg, U.; Topolewski, F.: Lexikon der Fertigungsleittechnik.
Berlin: Springer, 1995.
MERTINS U.A. 1994
Mertins, K.; Süssenguth, W.; Jochem, R.: Modellierungsmethoden
für rechnerintegrierte Produktionsprozesse. München, Wien: Hanser,
1994.
NABER U.A. 1996
Naber, H.; Schliffenbacher, K.; Mehler, B. H.: Eine flexible Kooperationsform
für kleine und mittelständische Unternehmen. VDI-Z
138 (1996) 10, S. 60-63
8-22

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Blessing, S.: Gestaltung der Materialflusssteuerung in dyn. Produktionsstrukturen
MATVAR
NEDELJKOVIC-GROHA 1995
Nedeljkovic-Groha, V.: Systematische Planung anwendungsspezifischer
Materialflußsteuerungen. Berlin: Springer, 1995. (iwb
Forschungsberichte 86).
PARUNAK 1988
Parunak, H. V. D.: Distributed Artificial Intelligence Systems. In:
Kusiak, A. (Hrsg.): Artificial Intelligence - Implications for Computer
Integrated Manufacturing. Berlin: Springer, 1988.
PARUNAK 1998
Parunak, H. V. D.: Practical and Industrial Applications of Agent-
Based Systems. Technical Paper Industrial Technology Institute
1998. Online im Internet http://www.iti.org/~van/papers.htm am
10.01.99.
REEK 1999
Reek, A.: Auf neue Anforderungen schneller reagierern. Industrieanzeiger
121 (1999) 15, S. 154-156
REINHART & ANSORGE 1997
Reinhart, G.; Ansorge, D.: Beherrschung flexibler Abläufe durch
dezentrale Leittechnik. ZwF 92 (1997) 10, S. 514-517.
REINHART U.A. 1999
Reinhart, G.; Dürrschmidt, S.; Hirschberg, A.; Selke, C.: Wandel -
Bedrohung oder Chance. io management 68 (1999) Nr. 5, S. 20-
24.
SCHRÖDEL 1992
Schrödel, O.: Flexible Werkstattsteuerung mit objektorientierten
Softwarestrukturen. In: Feldmann, K. (Hrsg.): Fertigungstechnik –
Erlangen Bd. 30. München: Hanser, 1992.
SELKE 1998
VDI 1970
Selke, C.: Wandel: Was steckt dahinter?. iwb newsletter 6 (1998)
4, S. 3.
VDI: VDI Richtlinie 2411 - Begriffe und Erläuterungen im Föderwesen.
Düsseldorf: VDI-Verlag, 1970.
WESTKÄMPER U.A. 1999
Westkämper, E.; Ritter, A.; Schaeffer, C.: Asimov-Holonic Multi-
Agent-Systems for AGVs. Second International Workshop on Intelligent
Manufacturing Systems IMS '99, Leuven, Belgium, 1999.
8-23

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schuster, G.: Konfig. Materialflusssteuerung für das dyn. Produktionsumfeld
.RQILJXULHUEDUH 0DWHULDOIOXVV
VWHXHUXQJ I U GDV G\QDPLVFKH
3URGXNWLRQVXPIHOG
'LSO ,QJ * QWKHU 6FKXVWHU
2%7HF 6WHXHUXQJVWHFKQLN *PE+
:LHGHQHU 6WUD‰H
6FKHFKHQ
MATVAR
9-1

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schuster, G.: Konfig. Materialflusssteuerung für das dyn. Produktionsumfeld
1 Stand der Technik zu Beginn des Verbundprojektes
MATVAR
Die eingesetzte materialflussbegleitende Informations- und Datentechnik wird durch
relativ starre Strukturen der Hard- und Software geprägt. Es bestehen wenig Möglichkeiten
alte und neue informationstechnische Systeme und unterschiedliche Steuerungsebenen
zu integrieren. Diese relativ starren Steuerungsarchitekturen ermöglichen
keine schnelle und kostengünstige Reaktion auf Störungen und Veränderungen,
die das dynamische Produktionsfeld voraussetzt. Die Steuerungsarchitekturen
sind geprägt durch hohe Komplexität und mangelnde Konfigurierbarkeit. Meist wurden
zentralistische Systemarchitekturen realisiert, was zu nicht integrierbaren Insellösungen
geführt hat. Die hohe Komplexität von Materialflusssteuerungen bei gleichzeitiger
mangelnder Modularität, Konfigurierbarkeit und Parametrierbarkeit erschwert
die Anpassung des Materialflusses an Veränderungen des Layouts, der Ablaufstruktur
und der Mengengerüste, die das dynamische Produktionsfeld mit sich bringen.
Bei den meisten installierten Materialfluss- und Lagersystemen ist eine stufenweise
Automation nicht möglich.
Die informatorischen Schnittstellen zeichnen sich vor allem durch mangelnde Datensicherheit,
inkonsistente Daten und anlagenspezifische, inkompatible Lösungen aus.
Die Vielfalt der spezifischen Schnittstellen verhindert dabei eine Modifizierung, die
einfach und schnell durch den Anwender ausgeführt werden kann. Weiterhin wird
durch unterschiedliche Datenqualitäten und Datenumfänge sowie ungeeignete Systemarchitekturen
der flexible Datenaustausch in hohem Maße erschwert.
Die fehlende Integration verschiedenster Informationsträger wie z.B. Barcodes oder
Transponder führt häufig zu wiederholter Datengenerierung und zu unterschiedlichen
Datenstrukturen und verhindert so eine durchgängige und sichere Datenhaltung.
In den meisten Produktionsfeldern ist eine durchgängige Bestandsführung und eine
damit eng verbundene Chargenverfolgung nicht gegeben. Meistens werden die Bestände
in den Lagerstätten korrekt verwaltet, aber über die Bestände in der Produktion
können die meisten Betriebe keine sichereren Aussagen treffen.
Eine Schnittstelle zwischen Produktivsystemen und Planungs- und Simulationssystemen
zur Verifizierung der Planungsansätze anhand von Echtdaten wurde bisher
nicht angedacht.
9-2

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schuster, G.: Konfig. Materialflusssteuerung für das dyn. Produktionsumfeld
1.1 Ziele im Projekt MATVAR:
MATVAR
• Entwicklung eines modularen, skalierbaren Materialflusssystems, das Standardtransportelemente
enthält. Als Basis für dieses System sollen gängige
SQL-Datenbanken wie z.B. Oracle, Microsoft SQL-Server, Centura SQLBase
unter dem Betriebssystem Windows NT zum Einsatz kommen.
• Entwicklung eines informatorischen Schnittstellenbaukastens zu den Materialflusssubsystemen,
Produktionssteuerungen und Planungs- und Simulationstools.
• Integration von Online-Prozesskontrollen in das Leitsystem.
Was kann man mit diesen Entwicklungen erreichen?
1. Bestandsverwaltung
• Bestandsverwaltung für das gesamte Produktionsumfeld
• Bestandsidentifizierung über den gesamten Betrieb
• Bearbeitungsstrategien
• Auftragseinlastung, Auftragsterminierung, Auftragsoptimierung
2. Materialflussverwaltung und -steuerung
• Gesamtheitliche Koordination der Teilsysteme
• Leitstandsfunktionen für Fertigungsinseln
• Transportsteuerung
• Transportoptimierung
• Schnelle Reaktion durch automatisches Umlenken des Materialflusses im
Störfall
• Flexibilität in den Abläufen und Steuerungsstrategien
3. Betriebsdatenerfassung
• Messung der Laufzeiten, Maschinenverfügbarkeit und Maschinenauslastung
• Stördatenerfassung und -auswertung
• Rechnergestützte Störungsbehebung
• Schwachstellenanalyse
• Aufbereitung der Daten für Planungs- und Simulationssysteme
9-3

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schuster, G.: Konfig. Materialflusssteuerung für das dyn. Produktionsumfeld
1.2 Spezifizierung von geeigneten Datenschnittstellen
MATVAR
Zur Spezifizierung der informatorischen Schnittstellen kann der Datenfluss in ein Ebenenmodell
eingeteilt werden.
Bild 1: Schematische Einstufung des Informationsflusses
Im nächsten Schritt können die einzelnen Programmpakete oder Softwaremodule
diesem Ebenenmodell zugeordnet werden.
Bild 2: Beispiel: Informationsfluss im dynamischen Produktionsumfeld
9-4

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schuster, G.: Konfig. Materialflusssteuerung für das dyn. Produktionsumfeld
MATVAR
Bei der Analyse der Daten zwischen den einzelnen Ebenen hat sich ergeben, dass
es wenige Klassen an Informationen sind, die ausgetauscht werden.
Von den übergeordneten Ebenen werden Transport- und Fertigungsaufträge an die
untergeordneten Ebene übertragen. Diese wiederum antworten mit Vollzugs- oder
Statusmeldungen.
Anhand dieser Analyse und dem Ebenenmodell ergaben sich folgende Klassen an
Kommunikationselementen:
1.2.1 Schnittstelle Planungsebene - Leitebene
Planungsebene -> Leitebene
Aktion Inhalt
Layoutdaten Automatische Abbildung der physikalischen
Anlagenlayouts auf dem
Leitsystem/Visualisierungssystem
Arbeitsabfolgen Materialflussdaten
Steuerungsstrategien Entscheidungsstrategien der Leitebene
Leitebene -> Planungsebene
Aktion Inhalt
Betriebsdaten Maschinenzeiten, Stördaten
Spielzeiten Transportzeiten, Leistungsdaten auf
Auftrags- Artikelebene
Verfügbarkeit Störzeiten, Störanzahl
Tatsächliche Leistungsdaten
9-5

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schuster, G.: Konfig. Materialflusssteuerung für das dyn. Produktionsumfeld
1.2.2 Schnittstelle Leitebene - Produktionsebene
Leitebene -> Produktionsebene
Aktion Inhalt
Transportaufträge Herkunft (Quelle), Ziel (Senke), Termin,
Reihenfolge, Priorität, Ladungsträger
Auftragsstorno
Produktionsaufträge Programm, Anzahl, Produktionsanweisung,
Termin
Produktionsebene -> Leitebene
Aktion Inhalt
Statusmeldung Verfügbarkeit
Auftragsquittung Positiv/negativ
Visualisierungstelegramm Stau, Mangel, Störung, Standort,
Aktion, Auftragsstatus, Laufzeiten,
Schaltspiele
MATVAR
9-6

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schuster, G.: Konfig. Materialflusssteuerung für das dyn. Produktionsumfeld
1.2.3 Schnittstelle Verwaltungsebene - Leitebene
Verwaltungsebene -> Leitebene
Aktion Inhalt
Stammdaten z.B. Artikelstamm, Kundenstamm,
Lieferantenstamm
Stücklisten
Produktionsplanung Produktionsdaten, Mengen, Termine
Avisdaten Ladeeinheiten, Stückzahlen, Termine
Kundenaufträge Ladeeinheiten, Stückzahlen, Termine
Leitebene -> Verwaltungsebene
Aktion Inhalt
Auftragszustände Produktion und Lieferung
Vollzugsmeldungen Lieferaufträge und Produktionsaufträge
Bestände Summarisch
Bewegungsdaten Transporteinheitsverfolgung, Chargenverfolgung,
Qualitätssicherung
MATVAR
9-7

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schuster, G.: Konfig. Materialflusssteuerung für das dyn. Produktionsumfeld
Bild 3: Visualisierungsbild MATVAR-Pilotanlage
MATVAR
9-8

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schuster, G.: Konfig. Materialflusssteuerung für das dyn. Produktionsumfeld
2 Die MATVAR-Pilotanlage
Bild 4: Visualisierungsbild Blockbodenlager
MATVAR
Im Rahmen des Verbundprojektes MATVAR wurde die Schnittstelle zwischen der
Leitebene und der Produktionsebene, insbesondere zum Kransystem der Mannesmann
Dematic weiter spezifiziert (Datenformate) und realisiert. Ebenso wurden die
Dateninhalte für die Schnittstelle Planungsebene und Leitebene definiert und beispielhaft
realisiert.
2.1 Anlagen-Konfiguration
Transportmittel...
• Kransystem (Einschienenkran, Zweischienenkran)
• Rollenbahn (Stauförderer, Schwerlastrollenbahn)
• Stapler
• (Mensch)
Anlagenpositionen...
• Blockbodenlager
9-9

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schuster, G.: Konfig. Materialflusssteuerung für das dyn. Produktionsumfeld
• Verschiebebodenregal
• I-Punkt (Aufgabepunkt für Transporteinheiten)
• Arbeitsplätze 1 + 2 (Staplerübergabeplatz)
• Montagezellen 1 – 3
2.2 IT-Konfiguration
Bild 5: IT-Konfiguration
Die Pilotanlage besteht aus den IT-Komponenten
• Leitrechner
• Terminals (Clients)
• Staplermanagementsystem
• Materialfluss- und Visualisierungs-Rechner
• Kran-PC
• SPS (Rollenbahnen, Verschiebebodenregal)
MATVAR
9-10

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schuster, G.: Konfig. Materialflusssteuerung für das dyn. Produktionsumfeld
MATVAR
Der Leitrechner enthält in seiner Eigenschaft als Datenbankserver alle Informationen
zur Materialflusssteuerung und Lagerverwaltung. Für die MATVAR-Pilotanlage wurde
ein ORACLE 8.0.5 Server auf Basis des Betriebssystems Windows NT 4.0 eingesetzt.
Als Materialflusssteuerer ist der Leitrechner für die Aufgaben Transportauftragsgenerierung,
Stellplatzsuche im Lager, Reservierung von Transporteinheiten
und Transportmittelauswahl zuständig.
Die Datenbankstruktur teilt sich in vier logische Bereiche. Materialflussplanungsdaten
enthalten Informationen zu Arbeitsplänen, Transportmitteln, –strecken und Lagerstätten.
Zu den Materialflussbewegungsdaten gehören im wesentlichen Transportaufträge,
Transporteinheiten und Zustände von Transportmitteln und Lagerstellplätzen.
Die Stammdaten umfassen Informationen zu Artikeln, Stücklisten, Kunden, Lieferanten,
etc.. Die systemadministrativen Daten betreffen die Benutzer- und Berechtigungsverwaltung
und die Systemeinstellungen des Anwenderprogramms.
Die vier Bereiche des Datenbankmodells:
• Materialflussplanungsdaten
• Materialflussbewegungsdaten
• Stammdaten
• Systemadministrative Daten
Die Terminals als Bedienoberfläche (siehe Bild 9) für den Anwender umfassen sämtliche
dialoggeführten Funktionen der Materialflusssteuerung, der Lagerverwaltung
und der systemadministrativen Daten. Entsprechend der oben beschriebenen Datenbankstruktur
ergeben sich für den Anwender die Bereiche Fertigungsauftragsgenerierung,
Fahrauftragsverwaltung, Wareneinlagerung und -auslagerung, Stammdaten,
System- und Benutzerverwaltung.
Staplermanagementsystem:
Das Staplermanagementsystem zeigt die dem Transportmittel Stapler zugeordneten
Transportaufträge auf dem am Fahrzeug mitfahrenden Terminal an (siehe Bild 6).
Der Staplerfahrer entscheidet welche Transportaufträge er ausführt und quittiert nach
Vollzug der Fahrt diese am Terminal. Zudem können am Terminal manuelle Transportaufträge
generiert werden. Die Touch-Screen-Technologie ermöglicht dabei den
Dialog direkt auf der Bildschirmoberfläche ohne die üblichen Eingabegeräte Tastatur
und Maus.
9-11

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schuster, G.: Konfig. Materialflusssteuerung für das dyn. Produktionsumfeld
Bild 6: Staplermanagementsystem
MATVAR
Die drahtlose Funkverbindung vom Stapler-Terminal zum LAN über sogenannte Access-Points
ermöglicht die Mobilität des Fahrzeugs im innerbetrieblichen wie im betriebsübergreifenden
Produktionsumfeld. Diese wurde in der Pilotanlage durch die
Anbindung der Betriebsstätte iwb-Modellfabrik über einen Access-Point und ein stationäres
Terminal an die fml-Krananlage realisiert (siehe Bild 7). Das Staplermanagementsystem
erhöht so im Verbund mit dem Konzept der konfigurierbaren Materialflusssteuerung
die Flexibilität bei der Materialflussplanung zusätzlich.
Bild 7: IT-Konfiguration Staplermanagementsystem
9-12

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schuster, G.: Konfig. Materialflusssteuerung für das dyn. Produktionsumfeld
MATVAR
Der Materialfluss- und Visualisierungs-Rechner bildet die informatorische Schnittstelle
vom Leitrechner zu den unterlagerten IT-Systemen der automatischen Transportmittel.
In einer standardisierten Kommunikation wird z.B. das Transportauftrags-
Handling durchgeführt und die Verfügbarkeit von Transportmitteln gemeldet. In der
Pilotanlage sind die Kommunikationspartner der Kran-PC und die speicherprogrammierbaren
Steuerungen der Rollenbahnen und des Verschiebebodenregals.
Die Visualisierung als Bedien- und Beobachtungsterminal zeigt schematisch die Pilotanlage
mit den Signalzuständen der Sensoren und Aktoren und unterstützt so zusammen
mit der statistischen Stördatenanalyse die technische Anlagenbedienung
(siehe Bild 3 und 4). Unter direktem Zugriff auf die Datenbank des Leitrechners werden
alle im System befindlichen Transporteinheiten mit ihrer eindeutigen Nummer
und ihrer Anlagenposition am Terminal visualisiert. Dies ermöglicht eine kontinuierliche
Verfolgung des Materialflusses auf Anlagenebene im engen Verbund mit dem
Leitrechner.
Bild 8: Transportauftrag
9-13

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schuster, G.: Konfig. Materialflusssteuerung für das dyn. Produktionsumfeld
2.3 Beispiel: Vom Fertigungsauftrag zum Transportauftrag
(siehe Bild 8)
MATVAR
Nachfolgend ist vereinfacht der logische und datentechnische Ablauf beschrieben,
wie der Leitrechner über eine Fertigungsauftragseingabe am Terminal die Transportaufträge
generiert und so den Materialfluss mit den Transportmitteln in der Pilot-
Anlage steuert.
1.Schritt: Der Fertigungsauftrag generiert eine Artikelliste
Durch die Eingabe eines Fertigungsauftrags am Terminal mit der Produktnummer
und der Menge wird über die Stücklisten-Stammdaten eine Artikelbedarfstabelle generiert,
welche über die Beziehungstabelle Positions-Stückliste (d.h. welcher Artikel
wird in welcher Menge auf welcher Position für die Produktion benötigt) auch die
Zielpositionen des einzelnen Artikels enthält. Die Arbeitsplan-Stammdaten bestimmen
zudem den Weg der Leerbehälter aus dem Lager zur schrittweisen Aufnahme
des Fertigprodukts.
Bild 9: Fertigungsauftrag
2. Schritt: Reservierung von Transporteinheiten im Lager
Die in der Artikelbedarfstabelle enthaltenen Artikel werden in den im Lager zur Verfügung
stehenden Transporteinheiten gesucht und bei Erfolg der entsprechende
Stellplatz und die Transporteinheit für die Auslagerung reserviert.
9-14

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schuster, G.: Konfig. Materialflusssteuerung für das dyn. Produktionsumfeld
3. Schritt: Transportaufträge generieren
MATVAR
Mit der Annahme, dass die Artikel und die Leerbehälter zur Entsorgung der Produktion
im Lager verfügbar sind, ergeben sich daraus bereits transportmittelunabhängige
Transportaufträge mit den Dateninhalten...
• Fertigungsauftrags-Nr.
• Transportauftrags-Nr.
• Quelle
• Ziel
• Transporteinheits-Nr.
4. Schritt: Aufsplittung von Fahraufträgen über Sequenzen
Vor der Zuordnung von Transportmitteln zu Transportaufträgen muss aufgrund seiner
Quelle-Ziel-Daten ermittelt werden, ob ein einzelnes Transportmittel den Transportauftrag
ausführen kann, oder eine Aufsplittung in mehrere sequentiell ablaufende
Transportaufträge mit quasi Zwischenzielen – die dann mit unterschiedlichen Transportmitteln
ausgeführt werden - nötig ist. Die Information über die einzelnen Positionen
einer Sequenz finden sich in einer Sequenz-Positions-Tabelle, in der auch der
Transporteinheiten-Typ (kleiner, großer Behälter) berücksichtigt werden muss.
5. Schritt: Zuordnung von Transportmitteln zu Transportaufträgen
Als letzter Schritt für die Transportauftragsdaten erfolgt die Zuordnung eines Transportmittels.
Dazu wird als erstes auf die Stammdatentabelle Transportmittel-
Positionen zugegriffen, um zu ermitteln, welche Transportmittel die Quelle-Ziel-
Verbindung befriedigen können und damit grundsätzlich in Frage kommen. Anschließend
werden Kriterien wie Verfügbarkeit, Auslastung und Kosten berücksichtigt und
eine Transportmittelauswahl getroffen.
9-15

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schuster, G.: Konfig. Materialflusssteuerung für das dyn. Produktionsumfeld
6. Schritt: Transportauftrag starten
Bild 10: Fahrauftrag
MATVAR
Mit der Zuordnung des Transportmittels ist der Transportauftrag vollständig beschrieben
und wird in einen Bearbeitungsstatus gesetzt, der die Kommandos an die unterlagerten
Transportmittel auslöst (siehe Bild 10).
Der Materialflussrechner greift direkt auf die Transportauftrags-Tabelle der Leitrechner-Datenbank
zu und leitet die Informationen in einem gesicherten Hand-Shake an
die unterlagerten IT-Systeme der Transportmittel weiter, die ihrerseits den Vollzug
des Transportauftrags in entgegengesetzter Richtung an den Leitrechner melden.
In der Pilotanlage sind die unterlagerten IT-Systeme der PC des Kransystem und die
SPS-Steuerungen der Rollenbahnen und des Verschiebebodenregals.
Wenn alle Transportaufträge abgeschlossen sind, befinden sich sämtliche Transporteinheiten
mit ihren Artikel und Fertigprodukten ebenso wie die leeren Transporteinheiten
wieder im Lager und stehen dort für einen neuen Fertigungsauftrag oder
eine Warenauslagerung bereit. Dem Bediener wird der Fertigungsauftrag am Terminal
als beendet angezeigt.
2.4 Zusammenfassung
Alle Informationen, die zur Umsetzung eines Fertigungsauftrags in einzelne Transportaufträge
und damit der Materialflusssteuerung einer Produktionsanlage nötig
sind, befinden sich zentral in der Datenbank des Leitrechners. Das Datenbankdesign
ist konsequent so gestaltet, dass alle Parameter die den Materialfluss bestimmen,
9-16

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schuster, G.: Konfig. Materialflusssteuerung für das dyn. Produktionsumfeld
MATVAR
vorgegeben und verändert werden können, um so letztendlich das Produktionsumfeld
dynamisch gestalten zu können.
Die gleiche Flexibilität gilt auch für die Lagerung der Transporteinheiten. D.h. Lagerstätten
können flexibel in Größe, Aufstellungs-Ort und Art parametriert werden. Dabei
besteht auch die Möglichkeit einzelnen Lagerpositionen (Stellplätze) unterschiedliche
Transportmittel (z.B. Kran, Stapler, Personen) zuzuordnen.
Gleichzeitig stehen die einzelnen Tabellen der Datenbank aber auch in einer engen
und schlüssigen Beziehung zueinander und ermöglichen somit Zusammenhänge im
Materialflusssystem schnell und einfach zu verstehen und Inkonsistenzen im Datenbestand
zu vermeiden.
Externe Materialfluss-Planungs-Tools können über standardisierte und automatisierte
Schnittstellen als Datenlieferanten fungieren, so den Administrationsaufwand
am Leitrechner minimieren und Datenkonsistenz gewährleisten. Detaillierte Informationen
über Transportmittel, Transporteinheiten und Transportwege stehen dabei im
Vordergrund.
In entgegengesetzter Richtung erhalten die Planungs-Tools vom Leitrechner Feedback-Daten
aus dem Produktionsumfeld, wie z.B. Statistiken über die Einsatzhäufigkeit
von Transportmitteln, Transporteinheiten oder der Transportstrecken. Die Kommunikation
zwischen den Systemen Leitrechner und Planungs-Tool kann so eine
analytische Materialflussoptimierung unterstützen.
Die Aufgabe des Leitrechners als vollständiges Lagerverwaltungssystem erzwingt
darüber hinaus geradezu ein Zusammenspiel mit übergeordneten Warenwirtschaftsund
Produktionsplanungssystemen. Als typisches Beispiel sei hier der Lagerbestand
genannt, der für solche Systeme von großer Bedeutung ist.
Erweiterungen bzw. Veränderungen im Produktionsumfeld haben zwangsläufig auch
Auswirkungen auf die IT-Konfiguration. Der Einsatz eines LAN’s und die Programmierung
der Materialflusssteuerung als Client-Server-Modell werden der Forderung
nach Flexibilität gerecht. Denn Terminals, die den Dialog zur Materialflusssteuerung
darstellen, können in beliebiger Anzahl an allen relevanten Positionen im Produktionsumfeld
eingesetzt werden. Dies gilt gleichermaßen für das Visualisierungssystem
und das Staplermanagementsystem.
Da im Front-End der Materialflusssteuerung sämtliche Dialog-Funktionalitäten in einer
Anwendung beinhaltet sind (z.B. Fertigungsaufträge generieren, Warenauslagerung,
Transportauftrags-Start, Stammdatenverwaltung, etc..), sorgt eine personenbezogene
Zugangsberechtigung auf die einzelnen Programmteile mit getrennten Leseund
Schreibrechten auch bei einer umfangreichen Verteilung von Terminals im Produktionsumfeld
für eine administrierbare und damit überschaubare Sicherheit im Gesamtsystem.
9-17

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schwarz, D. u. Brendel, W.: Integration von Funkstrecken in Feldbussystemen (CAN)
,QWHJUDWLRQ YRQ )XQNVWUHFNHQ LQ
)HOGEXVV\VWHPHQ &$1
'LHWHU 6FKZDU] 6\VWHPHQWZLFNOXQJ
:ROIJDQJ %UHQGHO *HVFKlIWVOHLWXQJ
+%& UDGLRPDWLF *PE+
+DOOHU 6WU
&UDLOVKHLP
MATVAR
10-1

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schwarz, D. u. Brendel, W.: Integration von Funkstrecken in Feldbussystemen (CAN)
Busteilnehmer
1
Busteilnehmer
2
1 Aufgabenstellung
Funkstation mit CAN
Interface
Busteilnehmer
3
Überfahrbereich
mit Unterbrechung
der Schleifbahn
Busteilnehmer
n
Funkstation mit CAN
Interface
CAN Bus
Bild 1: Funkanbindung Krankatze zum CAN Bus
MATVAR
In vielen Branchen müssen die verfügbaren Produktionsmittel immer effektiver eingesetzt
werden. Daher sollte die Produktionsumgebung schnell an sich verändernde
Anforderungen angeglichen werden können. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen
Materialflusssysteme und Produktionsstrukturen flexibler zum Einsatz kommen.
Derartige Anforderungen bedingen ein hohes Maß Flexibilität der Leitebene und der
darunter arbeitenden Steuerungssysteme. Eine wichtige Komponente innerhalb dieser
Systeme ist das Bussystem, über das die Antriebs- und Positionsinformationen
übertragen werden. Dieses Bussystem muss oft bewegliche Elemente der Fertigungsanlagen
erreichen (z.B. Kranantriebe, Krankatzen, Hängebahnkatzen, Gabelstapler
o.ä.). Dies kann zum Beispiel über Schleppleitungen, Schleifbahnen, Datenlichtschranken
- oder per Funk geschehen. Kabelverbindungen sind meist dann ein
Problem, wenn bewegliche Elemente relativ frei durch den Raum bewegt werden.
Schleifleitungen stellen hier eine deutliche Verbesserung dar.
Der Montageaufwand kann sich bei Schleifleitungen jedoch deutlich erhöhen, wenn
Weichen oder Überfahrbereiche vorhanden sind (Bild 1). Eine Verbindung mit Datenlichtschranken
um Bögen oder Ecken ist so z.B. ein technisch nur sehr aufwendig
lösbares Problem.
10-2

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schwarz, D. u. Brendel, W.: Integration von Funkstrecken in Feldbussystemen (CAN)
MATVAR
Die Integration von Funktechnik zur Übertragung von Bus-Informationen stellt sich in
diesem Problemzusammenhang als eine sinnvolle Ergänzung zu den anderen Übertragungsmedien
dar. Eine wichtige Anforderung ist dabei die Integrationsfähigkeit
des Funksystems in die gesamte Busstruktur, d.h. das Funksystem sollte dem technischen
Ideal eines Kabels möglichst nahe kommen. Dabei soll von der Annahme
ausgegangen werden, dass die seriell vorliegenden Daten ohne vorheriges Umformen
- z.B. in das Parallelformat – und ohne Bewertung des Dateninhaltes über die
Funkstrecke übertragen werden sollen. Dadurch wird ein zusätzlicher Softwareaufwand
bei dem Systembetreuer vermieden. Der mechanische Montageaufwand sollte
nicht zu hoch sein und das Funksystem sollte auf der Basis von kostengünstigen
Komponenten realisiert werden.
2 Ausgangssituation/ Problemstellung
Der Maschinen- und Anlagenbau ist wie keine zweite Branche dem Kostendruck und
der Effizienzsteigerung ausgesetzt. Innovationszyklen beschleunigen sich zusehends.
Der Druck auf die Hersteller und Dienstleister in diesem Bereich, mit immer
stärker optimierten Produkten die Effizienz ihrer Kunden weiter zu steigern, nimmt
stetig zu. Aus diesem Grund werden immer häufiger SPS-Systeme oder andere Mikrocomputereinheiten
zur Steuerung des Fertigungsablaufes eingesetzt.
Der verstärkte Einsatz mikroprozessorbasierter Steuerungssysteme macht die Datenübertragung
zu einer wichtigen Komponente des Gesamtprodukts, wenn nicht
sogar zur entscheidenden. Mit Feldbussystemen wie CAN ist es möglich, Komponenten
verschiedener Hersteller (z.B. Kran = Hersteller 1, Ringbahn = Hersteller 2,
Materialflusslogistik = Hersteller 3 etc.) miteinander zu verbinden und kommunizieren
zu lassen. Dieses stellt die Grundlage für eine übergeordnete Steuerungsebene dar,
mit welcher dann das Zusammenspiel der einzelnen Produktionselemente koordiniert
werden kann. Je flexibler die Gesamttechnologie ist, desto effizienter können Prozessressourcen
auch betriebswirtschaftlich genutzt werden. Sogar nachträgliche
Umbau- oder Erweiterungsmaßnahmen können bei einem solchen System rationell
realisiert werden, ohne dass das Gesamtsystem ineffizient wird.
Ein Hauptproblem bei Bussystemen besteht darin, dass die Topographie der Leitungsführung
sich im normalen Fertigungsablauf nicht ändern sollte. Auch Stichleitungen
sollten in den meisten Bussystemen nicht vorkommen. Dies hat zur Folge,
dass zu abgelegenen Busteilnehmern eine Leitung hin sowie auch eine Leitung zurück
verlegt werden muss (Bild 2). Dadurch können sich in größeren Produktionsstätten
leicht Busleitungslängen von über 1000 m ergeben. Die Folge ist, dass auf
Grundlage der meisten Herstellerempfehlungen von CAN Modulen (z.B. Weidmüller
WINbloc CAN) die Baudrate nicht größer als 50kBit/s eingestellt werden soll. Dieser
Wert kann aber für viele Anwendungen zu langsam sein. Üblicherweise werden
Baudraten von 125 oder 250kBit/s benötigt. Daher sollte bei der Leitungsplanung
10-3

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schwarz, D. u. Brendel, W.: Integration von Funkstrecken in Feldbussystemen (CAN)
CAN-Knoten
Schleppleitung Kabellänge: 20m 40 m Busleitung
Bild 2: Beispiel Schleppleitung an Krankatze
MATVAR
versucht werden, die Gesamtlänge nicht über 500m (max. 125kBit/s) ausdehnen zu
müssen.
3 Vorgehensweise
CAN Bus hat die Eigenschaft, die Datenbits einzeln auf den Bus zu legen und gleichzeitig
zu prüfen, ob die Busleitungen den richtigen Zustand haben (Busarbitrierung).
Diese Fähigkeit ist die Grundlage für die Prioritätensteuerung im gesamten CAN
Bussystem.
Das zeitkritische Prüfen der Leitungszustände über eine Funkverbindung wäre allerdings
nur mit extrem hohen Aufwand möglich, daher scheidet diese Möglichkeit aus
Kostengründen vorerst aus. Angestrebt wird, CAN-Knoten-Gruppen zusammenzufassen
und zu segmentieren. Solch ein Segment - oder „Insel“ - kann dann per Funk
mit dem Gesamt-Bussystem verbunden werden, d.h. CAN-Telegramme einer Insel
werden von einem Funkknoten genau wie von jedem anderen CAN-Knoten aufgenommen.
Danach erfolgt eine Aufbereitung für die Übertragung auf dem Funkweg.
Dieser Datensatz wird dann auf einen Hochfrequenz (HF)-Träger aufmoduliert.
10-4

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schwarz, D. u. Brendel, W.: Integration von Funkstrecken in Feldbussystemen (CAN)
Z.B. SPS KPC
Position
Katzfahrt
Hubwerk
RX/TX 1.1
RX/TX 1.2
Antriebe
Katzfahrt
Hubwerk
Funkempfänger
Steuerschalter
mit CAN Interface
Position
Katzfahrt
Hubwerk
RX/TX 2.1
RX/TX 2.2
Antriebe
Katzfahrt
Hubwerk
Funkempfänger
Steuerschalter
mit CAN Interface
Position
Katzfahrt
Hubwerk
11 bit Identifier
CAN 125 kbits/s
RX/TX 3.1
RX/TX 3.2
Antriebe
Katzfahrt
Hubwerk
Funkempfänger
Steuerschalter
mit CAN Interface
Kran
Position
RX/TX 4.1
Katze 1 Katze 2 Katze 3 Kran 1 Kran 2
CAN CAN CAN
Funksteuerschalter Funksteuerschalter Funksteuerschalter
RX/TX 5.1
RX/TX 5.2
RX/TX 4.2
CAN CAN
Kran
Motor
Bild 3: Übersicht der Bussegmente an der Musteranlage
Kran
Position
Kran
Motor
MATVAR
Auf der Empfangsseite werden die Informationen - aus dem HF-Signal gefiltert - wieder
in das CAN-Format zurück konvertiert und gemäß den Protokollvorschriften auf
dem anderem Segment ausgegeben. Zur funktechnischen Übertragung soll ein stationäres
Funksystem mit 125 kBit/s Übertragungsrate dienen, das CAN-Daten bidirektional,
ohne inhaltliche Betrachtung, zwischen den „Inseln“ überträgt.
Der zweite Teil der Applikation ist ein drahtloser Kransteuerschalter. Über ihn können
die Steuerbefehle für die Krane und Krankatzen betätigt werden. Der Empfänger soll
auch diese Daten auf den CAN-Bus ausgeben. Darüber hinaus soll dieser Funksteuersender
auch kompatibel zum alternativen Kabelkransteuerschalter sein. Wichtig ist
hierbei, dass die Sicherheitsaspekte der Maschinenrichtlinie (98/37/EG) eingehalten
werden. Deswegen müssen Maßnahmen gegen unbeabsichtigte Bewegungen getroffen
werden und ein überwachter Not-Stop-Kreis vorhanden sein. Als Bedienelemente
sollen ein Not-Stop-Schlagschalter, ein Schlüsselschalter, 10 zweistufige
Drucktaster und 2 Drehschalter vorgesehen werden. Die Stromversorgung des
Funksteuersenders bzw. Kransteuerschalters erfolgt mittels eines wiederaufladbaren
NiCd-Akku. Eine Betriebs- und Unterspannungsanzeige soll ebenso vorgesehen
werden.
10-5

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schwarz, D. u. Brendel, W.: Integration von Funkstrecken in Feldbussystemen (CAN)
CAN H
CAN L
AC
CAN-Interface
125 kbit
CAN
TTL
MCU 1
85 - 265V AC
FIF0
MCU2
FIF0 MCU3
12 V DC
4 Erzielte Ergebnisse
HF
HF
FIF0
FIF0
Bild 4: Blockschaltbild CAN zu CAN Modul
CAN-zu-CAN-Übertragung
MCU
MCU
12 V DC
MCU
85 - 265V AC
MATVAR
Das CAN-zu-CAN Übertragungsmodul ist in einem Aluminiumgehäuse (360 x 260 x
195 mm/ B x H x T) untergebracht. Der Versorgungsspannungsbereich beträgt AC
85 - 265V 50Hz. Die Einheit ist in der Lage, CAN-Busdaten mit einer Bitrate von
125kBit/s bei ca. 80% Buslast zu übertragen. Das System soll dazu dienen, bewegliche
Teile mit CAN-Busdaten zu versorgen.
MCU1 (Microcomputer Unit)
Die Daten vom CAN-Bus werden über das CAN-Interface in die MCU1 eingelesen
und die empfangenen Daten wieder ausgegeben. Da die Daten auf dem CAN-Bus
eine schnelle Reaktion erfordern, ist hierfür ein eigener Mikrocontroller vorgesehen.
TTL
CAN
AC
10-6

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schwarz, D. u. Brendel, W.: Integration von Funkstrecken in Feldbussystemen (CAN)
MATVAR
Dieser schreibt die zu versendenden Daten in das Sende-FIFO (first-in-first-out) und
prüft, ob im Empfangs-FIFO Daten zur Ausgabe vorliegen.
MCU2
Die MCU2 wartet ständig auf Daten aus dem HF-Baustein. Wenn ein kompletter
String empfangen wurde, wird er für MCU1 aufbereitet und in dem FIFO Baustein für
MCU1 abgelegt.
MCU3
Die MCU3 wartet ständig auf Daten aus dem FIFO Baustein. Wenn ein kompletter
Datensatz dem FIFO entnommen werden konnte, wird er „versandfertig“ aufbereitet
und in einem String dem HF Baustein zugeführt.
HF
Die HF-Baugruppe arbeitet auf 10 Trägerfrequenzen mit einem Kanalabstand von
1728 kHz und belegt den Bereich 1880...1900 MHz. Als Modulation kommt GFSK
(Gaussian Frequency Shift Keying) zum Einsatz. Die Ausgangsleistung ist auf
250mW (24dBm) begrenzt. Um mehrere Systeme in einem Funkfeld unterzubringen,
ist ein Zeitrahmen von 10ms festgesetzt. Dieser Zeitrahmen ist wiederum in 24 Zeitschlitze
unterteilt. Dadurch ergeben sich 120 Vollduplex – Kanäle. Vorteilhaft an diesem
System ist, dass jedes Gerätepaar selber die benötigten freien Zeitschlitze sucht
und belegt. Auch Funkstörungen, die während der Laufzeit auftreten, werden durch
die Möglichkeit des Ausweichens auf andere Frequenzen und Zeitschlitze weitgehend
unbedeutend.
Was kann ein solches System leisten?
Der Einsatz eines solches Systems ist immer dann sinnvoll, wenn mobile oder verfahrbare
Teilnehmer am CAN-Busverkehr teilnehmen müssen. So können jetzt z.B.
Gabelstapler eine Datenanbindung erhalten. Aber auch bei Krankatzen oder Kranantrieben
kann durch ein solches System eine aufwendige Schleppleitungs- oder
Datenstromschienenmontage vermieden werden. Ein weiterer Vorteil des Systems
ist, dass die über Funk überbrückten Distanzen nicht als Busleitung berücksichtigt
werden müssen und daher auch die Busleitungslängen nicht mehr als erforderlich
ausgedehnt werden müssen.
10-7

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schwarz, D. u. Brendel, W.: Integration von Funkstrecken in Feldbussystemen (CAN)
VCO
AF-LPF
NF-Tiefp.
8
D
AT
A
2
AF
SK
*1)
Modem
P
PBW
7 R
O
Synthesizer
: 2
TCXO
12,8 MHz
Mikrocontroller
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
PC
0
PC
1
PC
2
PC
3
PC
4
PA
7
PA
6
Befehle *2)
PA
5
4.2 Kransteuerschalter
PA
4
PA
3
PA
2
Kanalwahl *1)
PA
1
PA
Endstufe
Regler
+ 3 V
Regler
+ 5 V
LPF
Tiefpaß
Bild 5: 70-cm-Synthesizer-Sender; Blockschaltbild
MATVAR
14 Antenne
400...475 MHz
+ 10 dBm
12 Ub +5,8...14 V
7 RESET
30
29
Ub
Normalbereich
Ub
Unterspannung
Der Sender für den drahtlosen Kransteuerschalter ist in einem Kunststoffgehäuse
(ca. 215 x 63 x 50 mm/ L x B x H) untergebracht. Der Sender verfügt über 10 zweistufige
Drucktaster sowie zwei Drehschalter (mit jeweils drei Stellungen). Gemäß
Maschinenrichtlinie (98/37/EG) verfügt er über einen Schlüsselschalter mit abziehbarem
Schlüssel sowie über einen Not-Stop-Schlagschalter.
VCO (Spannungsgesteuerter Oszillator)
Der VCO besteht aus zwei Stufen, dem eigentlichen Oszillator, der auf der Endfrequenz
schwingt, und einer Trennstufe, um Rückwirkungen zu vermeiden. Die Abstimmbandbreite
beträgt ca. 30 MHz. Um den Frequenzbereich von 395 - 492 MHz
zu überstreichen, kommen VCOs mit 4 verschiedenen Mittenfrequenzen zur Anwendung:
A = 410 MHz, B = 434 MHz, C = 460 MHz und D = 480 MHz. Die VCO-
Ausgangsleistung beträgt ca. 0 dBm.
10-8

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schwarz, D. u. Brendel, W.: Integration von Funkstrecken in Feldbussystemen (CAN)
Trägereinschwingunterdrückung
MATVAR
Beim Einschalten des Senders sind die Endstufe und der Pin-Diodenschalter solange
gesperrt, bis der Synthesizer auf seine Sollfrequenz eingeschwungen ist. Der HF-
Träger wird somit am Antennenanschluss während der Einschwingphase um ca.
50 dB unterdrückt. Ca. 50 ms nach dem Einschalten gibt der Mikrocontroller den Pin-
Diodenschalter und die Endstufe zum Betrieb frei.
Senderendstufe
Die Senderendstufe verstärkt das VCO-Signal um ca. 12 dB. Das folgende dreipolige
Tiefpassfilter unterdrückt die Oberwellen des Trägers um ca. 60 dB. Die HF-
Ausgangsleistung beträgt +10 dBm (10 mW).
Frequenzsynthesizer und TCXO (temperature controlled crystal oscillator)
Der Funkbaustein arbeitet mit einem integrierten Synthesizer-IC MB 1511. Der
Schaltkreis beinhaltet drei konfigurierbare Frequenzteiler, einen UHF-Vorteiler sowie
einen Phasendetektor mit „peak hold“-Funktion zur Erzeugung der Fehlerspannung,
die den VCO über ein passives Schleifenfilter nachregelt. Die Daten zur Frequenzund
Kanalrastereinstellung werden über drei Leitungen (CLK; DATA und LE) seriell
vom Mikrocontroller ausgegeben und konfigurieren die internen Teiler. Der Frequenzvergleich
wird mit einem stabilen TCXO auf 12,8 MHz vorgenommen.
Die Frequenzstabilität von ± 2,5 ppm (- 10 °C bis + 55 °C) gewährleistet eine zum
schmalbandigen 12,5 kHz-Raster ausreichende Frequenzgenauigkeit im UHF-
Bereich. Die Frequenzdrift über den gesamten Temperaturbereich beträgt max. ±
500 Hz. Der Takt wird durch 2 geteilt und dem Modem sowie dem Mikrocontroller
zugeführt. Der integrierte Vorteiler wird vom VCO über ein Dämpfungsglied mit einer
Leistung von ca. -12 dBm gespeist. Die Einschwingzeit beim Einschalten des Senders
beträgt etwa 50 ms, während die Umschaltzeit auf einen anderen HF-Kanal im
Betrieb < 20 ms beträgt.
Modulator
Der Sender wird vom internen Modem frequenzmoduliert. Das NF-Signal durchläuft
ein 5-gradiges NF-Filter. Am Ausgang wird mit einem Potentiometer der Sollhub eingestellt.
10-9

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schwarz, D. u. Brendel, W.: Integration von Funkstrecken in Feldbussystemen (CAN)
Modem
MATVAR
Der Mikrocontroller erzeugt ein zyklisches Datentelegramm, welches seriell als binäre
Bitfolge dem Modem zugeführt wird. Es erzeugt ein AFSK-Signal (audio frequency
schift keying) abhängig vom binären Eingangssignal. Beide Töne stehen sinusförmig
dem Modulator zur Verfügung.
Gebermodul
Das Gebermodul besteht aus einem Mikrocontroller, über den alle Befehlsgeber eingelesen,
auf Plausibilität geprüft und der HF-Baustein gesteuert werden.
Die Sendedaten gelangen seriell in den Sendebaustein. Außerdem wird im Gebermodul
der Zustand des Akkus überwacht und über eine LED angezeigt. Bei leerem
Akku setzt der Controller das Einschaltflipflop in den “Aus“-Zustand, um eine Beschädigung
des Akkus zu vermeiden.
Antenne
400...475 MHz
TCXO
12,8 MHz
Synthesizer
VCO
1. ZF 21,4 MHz
2. ZF 455 kHz
AF-LPF
NF-Tiefp.
Squelch
Regler
: 2 Mikrocontroller B
Ub +5,8...14 V
+ 5 V
Bild 6: 70-cm-Synthesizer-Empfänger; Blockschaltbild
AF
AFF
Freq.-Cod.
10-10

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schwarz, D. u. Brendel, W.: Integration von Funkstrecken in Feldbussystemen (CAN)
4.3 Der Empfänger
MATVAR
Der Empfänger für den drahtlosen Kransteuerschalter ist in einem Aluminiumgehäuse
(270 x 160 x 50 mm/ H x B x T) untergebracht.
HF-Eingangsverstärker
Das 70-cm-Antennensignal gelangt über ein Dreifach-Wendelkreisfilter zum Vorverstärker-MMIC
(monolithic microwave integrated circuit), der das Eingangssignal um
ca. 26 dB verstärkt. Mit dem nachfolgenden Dreifach-Wendelkreisfilter wird
die Weitabselektion verbessert und das Signal dem ersten Mischer zugeführt. Die
Spiegelfrequenzselektion beträgt am Mischereingang > 70 dB.
Erster Mischer und Quarzfilteranpassung
Das 70-cm-Eingangssignal gelangt mit einer Impedanz von 50 Ohm auf den Eingang
des „Schottky-Double-Balance“-Ringmischers. Das Oszillatorsignal wird ebenfalls mit
50 Ohm Impedanz und einer Leistung von ca. + 1 dBm auf den Oszillator Eingang
des Mischers geführt. Das ZF-Signal steht am Ausgang des Mischers mit 50 Ohm
Quellimpedanz zur Verfügung. Der Sperrschicht-FET verstärkt das 21,4 MHz-ZF-
Signal und sorgt für die Impedanzanpassung an das folgende vierpolige monolithische
Quarzfilter. Dieses gewährleistet eine Nachbarkanalselektion von > 70 dB.
Ausgangsseitig wird das ZF-Signal nochmals verstärkt und dem folgenden ZF-IC zugeführt.
ZF-Verstärker mit FM-Diskriminator
Das ZF-Signal (21,4 MHz) gelangt in den integrierten aktiven Mischer (ca.25 dB Verstärkung)
und wird mit dem Oszillatorsignal (XT1: 20,945 MHz) auf die zweite ZF von
455 kHz gemischt.
Anschließend durchläuft das Signal ein Keramikfilter mit einer Nachbarkanalselektion
> 30 dB und dann den zweiten ZF-Verstärker, der das Signal um ca. 50 dB verstärkt.
Vom keramischen Diskriminator wird das ZF-Signal demoduliert und gelangt über
einen integrierten NF-Verstärker zum Ausgang. Über ein Tiefpassfilter gelangt das
NF-Signal zum Ausgang des Empfängermoduls.
10-11

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schwarz, D. u. Brendel, W.: Integration von Funkstrecken in Feldbussystemen (CAN)
Aktives NF-Tiefpassfilter
MATVAR
Das NF-Signal gelangt in ein 5-gradiges Tiefpassfilter mit der Grenzfrequenz von
5,5 kHz. Am Ausgangspin des Empfängermoduls steht das gefilterte NF-Signal zur
Verfügung.
Rauschsperre (Squelch)
Das ungefilterte NF-Signal wird ausgekoppelt und gelangt in ein aktives NF-
Hochpassfilter, in dem die NF-Nutzanteile ausgefiltert und nur die Rauschanteile des
NF-Signals verstärkt werden. Diese Rauschanteile werden gleichgerichtet und bilden
den Schaltpunkt des integrierten Squelch-Triggers. Der Squelch-Einstellbereich umfasst
den Empfängerempfindlichkeitsbereich von -126 dBm bis -100 dBm bei einer
Hysterese von < 2 dB.
Stromversorgung
Die Betriebsspannung kann + 5,8 V bis + 14 V betragen. Die Empfängerstufen werden
über zwei interne stabilisierte Regelschaltungen mit + 5 V versorgt.
Modem
Das AFSK-Signal wird dem Modem zugeführt. Der daraus gewandelte Datenstrom
verlässt das Modem und wird dem DATA-Ausgang des Empfängermoduls sowie den
Mikrocontrollern zur Auswertung zugeführt.
Mikrocontroller
Als Auswerter des binären Datentelegramms dienen die Mikrocontroller. Beide Controller
arbeiten autark. Auswerter A erzeugt seinen Betriebstakt selbst mit dem 6,4
MHz-Quarz. Auswerter B erhält seinen Betriebstakt aus dem TCXO mit darauffolgendem
Frequenzteiler (6,4 MHz) . Die von den Mikrocontrollern dekodierten Daten
werden über die entsprechenden I/O-Ports ausgegeben.
CAN-Interface
Aus dem Empfängerbaustein gelangen die empfangenen Daten über einen seriellen
String zu zwei Mikrocontrollern. Einer der Controller übernimmt die eine Hälfte der
Sicherheitsfunktionen, der zweite Controller übernimmt die zweite Hälfte der Sicherheitsfunktionen
und steuert das CAN-Interface, über das die Daten auf den Anwen-
10-12

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Schwarz, D. u. Brendel, W.: Integration von Funkstrecken in Feldbussystemen (CAN)
MATVAR
derbus gelangen. Diese Schnittstelle kann an unterschiedlichen Bedürfnissen angepasst
werden.
5 Zusammenfassung und Ausblick
Zusammenfassend kann ausgesagt werden, dass es sinnvoll ist, das in der Versuchsanlage
zur Anwendung gekommene Konzept weiter zu verfolgen. Der Einsatz
von Funkanlagen kann in Zukunft bei solchen Applikationen kostengünstig und sicher
bewegliche oder abgelegene Busteilnehmer am Feldbus ankoppeln. Als nächster
Schritt wäre es sinnvoll, die Buskommunikation auch Maschinenhersteller übergreifend
zu vereinheitlichen, um Abläufe zwischen den unterschiedlichen Transportmedien
besser koordinieren zu können.
6 Literatur
ETSCHBERGER 1994
Etschberger, Konrad (Hrsg.): Controller area network: CAN. Grundlagen,
Protokolle, Bausteine, Anwendungen. München, Wien: Hanser 1994
ETS 175 1..9
HBC-HANDBUCH FUST 671
10-13

xzeuge zur
Einsatzplanung

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Kohler, U.; Werner, M.: Durchgängige Produktions- und Logistikplanung
'XUFKJlQJLJH 3URGXNWLRQV
XQG /RJLVWLNSODQXQJ
'LSO ,QJ 8OULFK .RKOHU
'LSO ,QJ 0DUWLQ :HUQHU
,QVWLWXW I U 3URGXNWLRQVWHFKQLN *PE+ LIS
+HLVHQEHUJERJHQ
$VFKKHLP 'RUQDFK
MATVAR
11-1

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Kohler, U.; Werner, M.: Durchgängige Produktions- und Logistikplanung
Erfolgsfaktoren
Geringe Produktionskosten
Hohe Produktqualität
Kurze Lieferzeit
Kurze Innovationszyklen (Time to Market)
Produktions- und Logistikplanung in kürzer werdenden Projektphasen ...
1 Einleitung
1.1 Die Erfolgsfaktoren
MATVAR
... mit steigender Anforderung an die Planungsqualität
Bild 1: Erfolgsfaktoren am Standort Deutschland
Die produzierende Industrie am Standort Deutschland unterliegt einem sich stetig
verschärfenden, globalen Wettbewerb [UHLMANN 1998]. Langfristig werden sich Unternehmen
mit einer Produktion in Deutschland nur behaupten können, wenn die im
Vergleich überdurchschnittlich hohen Produktionskosten [VDMA 1999] durch innovative,
hoch preisfähige Produkte gerechtfertigt werden [MILBERG 1997].
Die Forderung nach Innovation setzt eine hohe Wandlungsfähigkeit der Unternehmen
voraus. Die Bereitschaft zum schnellen Um- und Neugestalten der Produkte,
Betriebsmittel und Prozesse sowie der Unternehmensstrukturen ist für viele Unternehmen
der Schlüssel zum Erfolg geworden. Schneller Wandel ist jedoch auch mit
Risiken verbunden [REINHART ET AL. 1999], die sich nicht zuletzt auf die Kostenstrukturen
der Produkte auswirken können.
Deshalb müssen Produktions- und Logistikplanungen, die den Wandel einleiten, in
immer kürzeren Zeitabständen durchgeführt werden mit einer steigenden Anforderung
an die Planungsqualität.
11-2

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Kohler, U.; Werner, M.: Durchgängige Produktions- und Logistikplanung
100 %
Produktionsspektrum
B
A
Neuplanung Flexible Def. neuer flexibler Umplanung
Produktionssteuereung Fertigungssegmente
C
D
Zeit
„Hohe
Produktvielfalt und
kurze Innovationszyklen
führen zu sich laufend
verändernden
Produktionsbedingungen“
Optimierung der Logistik durch fortlaufende Betriebsanalyse und
Anpassung der Arbeitsabläufe
Bild 2: Erfolgsfaktoren am Standort Deutschland
MATVAR
Die Reaktion auf Veränderungen im Produktionsumfeld ist jedoch stark abhängig von
dem Grad des Wandels. In dem oben dargestellten Beispiel wurde das Produktionsund
Logistikkonzept bei der Neuplanung auf zwei Hauptprodukte A und B ausgelegt.
Die Einführung eines zusätzlichen neuen Produktes C kann meist noch durch eine
flexible Produktionssteuerung abgefangen werden. Ab einem bestimmten Zeitpunkt
hat jedoch das neue Produkt gegenüber den alten Produkten einen so großen Anteil
gewonnen, dass erste strukturelle Anpassungen notwendig werden. Da die in
MATVAR erarbeiteten flexiblen Fördertechnikkonzepte eine Modifizierung zulassen,
kann in dieser Phase von einer Anpassung der flexiblen Fertigungssegmente gesprochen
werden. Erst wenn die beiden ursprünglichen Produkte völlig ausgelaufen
sind, müssen u.U. größere Anpassungen in der Produktion und Logistik vorgenommen
werden.
Das dargestellte Szenario verdeutlicht, dass der planerische Eingriff in die Produktion
und Logistik sich sehr unterschiedlich gestalten kann. Zudem müssen Planungssysteme
auf einem ständig aktuellen Stand gehalten werden, damit zum einen die aktuelle
Ist-Situation mit dem ursprünglich geplanten verglichen werden kann und zum
anderen ein direktes Einsetzen der Planungsmaßnahmen zu jedem Zeitpunkt möglich
ist.
Die Planung wird zum Bestandteil der flexiblen Produktion und bietet die Basis einer
fortlaufenden Betriebsoptimierung.
11-3

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Kohler, U.; Werner, M.: Durchgängige Produktions- und Logistikplanung
Umsatzanteil
der Logistikkosten
30%
20%
10%
0%
Transportkosten Durchlaufzeitanteile Innovationszyklen
Nahrungsmittel
Metall- und
Metallverarbeirung
Elektrotechnik
Textil
Papier- und
Papiererzeugung
Elektronik und
Minimierung von
Wegen
Auswahl geeigneter
Fördertechnik
Maschinenbau
Effiziente Nutzung der
Fördertechnik
Transport Lagerung
Prüfen
Handhaben, 3%
Rüsten und
Bearbeiten
10%
2% 5%
Aufenthalt
80%
Jahre
7
6
5
4
MATVAR
Quelle: fml/AT Kearney Quelle: Wiendahl Quelle: Bullinger
Optimierung der Losgröße
Engpassoptimierung
Strategien zur Störungskompensation
Steuerungsstrategien für
Fördertechnik
Durchschnittliche
Produktlebenszeit
3
2
1
0
19781980198219841986 1988 1990 1992 1994
Verwendung vorhandener
Produktions- und
Planungsdaten
Quantitative Planungsergebnisse
bei hoher
Planungssicherheit
Bild 3: Potenziale der Produktions- und Logistikplanung
Strukturierte Vorgehensweise
1.2 Potenziale der Produktions- und Logistikplanung
Die Erschließung von Potenzialen mit einer fortlaufenden Produktions- und Logistikplanung
ergeben vielfältige Anforderungen an das Planungswerkzeug. Einsparungen
in den Logistikkosten, die derzeit z.B. im Maschinenbau ca. 10% des Umsatzes einnehmen,
können durch eine Minimierung der Transportwege und durch eine Auswahl
und effiziente Nutzung einer geeigneten Fördertechnik erschlossen werden. Diese
statischen Optimierungen können nur durch die Verarbeitung von Weginformationen
vorgenommen werden, weshalb das angestrebte Planungstool eine CAD-basierte
Layoutkomponente erfordert.
Neben dieser statischen Planung des Produktions- und Logistiksystems bietet die
dynamische Anpassung große Potenziale zur Reduktion von Liegezeiten im Auftragsdurchlauf.
Ansätze können beispielsweise die Anpassung von Losgrößen, Engpässen
oder Steuerungsstrategien sein. Die Planung dieser oder ähnlicher Optimierungsaufgaben
sind aufgrund der Komplexität und der gegenseitigen Beeinflussung
der einzelnen Optimierungsparameter mit konventionellen Hilfsmitteln nur schwierig
zu lösen. Durch den Einsatz der Ablaufsimulation können auch komplexe Produktions-
und Logistiksysteme im Rechner nachgebildet und alternative Systemkonfigurationen
anhand verschiedener Kennzahlen bewertet werden.
Deshalb kann die Forderung nach einer hohen Planungsqualität vor allem durch Einsatz
der Simulationstechnik gewährleitstet werden.
11-4

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Kohler, U.; Werner, M.: Durchgängige Produktions- und Logistikplanung
Qualität der
Dokumentation
11%
geeignete Software
13%
profensionelles
Projektmanagement
17%
transparente
Ergebnispräsentation
7%
abgestimmtes
Pflichtenheft
17%
kompentente
Durchführung
35%
MATVAR
Copyright © iwb, FABS 1997
Bild 4: Faktoren für den erfolgreichen Einsatz von Simulation
Letztlich ergeben sich aus den kurzen Innovationszyklen der Produkte, die eine
schnelle und zielgerichtete Anpassung der Produktions- und Logistikstruktur erfordern,
die Anforderungen an eine strukturierte Vorgehensweise. Zudem müssen vorhandene
Produktions- und Planungsdaten automatisiert verarbeitet werden. Neben
dem Ausbau der Schnittstellen zur Übernahme von Daten müssen auch die Schnittstellen
zur Übergabe der fertigen Planungsergebnisse verbessert werden.
Eine durchgeführte Umfrageaktion in deutschen Unternehmen [REINHART ET AL. 1997]
belegt diese Annahmen. Sie zeigt, dass als Hauptfaktoren für einen erfolgreichen
Einsatz der Simulation eine kompetente Durchführung, ein professionelles Projektmanagement,
eine geeignete Software sowie eine ausreichende Qualität der Plandaten
gesehen werden.
11-5

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Kohler, U.; Werner, M.: Durchgängige Produktions- und Logistikplanung
Planungsebene Planungsinhalt Simulationsmodell
Anlage
Zelle
Komponente
- Anlagenlayout
- Materialfluß/Logistik
- Systemleistung
- Fertigungsprinzip
- Steuerungsstrategien
- Entstörstrategien
- Zellenlayout
- Ablaufvorschriften
- RC-/NC-Programmierung
- Kollisionsvermeidung
- Taktzeitoptimierung
- Betriebsmittelbeanspruchung
- Prozeßparameter
- Werkzeuge
- Hilfsmittel
Ablaufsimulation (grob)
Ablaufsimulation (fein)
Graphische 3D-Simulation
MATVAR
Finite-Elemente-Methode (FEM)
Graphische 3D-Simulation
Mehrkörpersimulation (MKS)
Copyright © iwb 1997
Bild 5: Übersicht über die derzeit verfügbaren Simulationssysteme
2 Stand der Forschung und Technik
Für den Einsatz der Simulationstechnik in der Produktions- und Logistikplanung, insbesondere
zur Analyse der Steuerung, eignen sich Ablaufsimulationssysteme. Die
derzeit am Markt verfügbaren Systeme bieten jedoch nur teilweise spezifische Anpassungen
an den vorliegenden Anwendungsfall. Sie können zwar die Planung unterstützen,
jedoch existieren derzeit keine EDV-Werkzeuge, die von der Aufbereitung
der Plandaten über die Optimierung der Transportkosten und der Auftragssteuerung
bis zur Realisierung der Planung den Anwender unterstützen. Deshalb kommen
heute zu unterschiedlichen Planungsphasen unterschiedliche Werkzeuge zum Einsatz;
redundante Datengenerierung, Planungsfehler und lange Projektdurchlaufzeiten
sind die Folge.
In der Zusammenfassung der Umfrage zum Thema Simulationssysteme [REINHART
ET AL. 1997] werden zudem folgende Ansätze zu Verbesserung der bestehenden
Systeme genannt:
• Benutzerfreundlichkeit
• Datentechnische Integration – Schnittstellen
• Modellierung und Validierung
• Experimentdefinition, Ergebnisauswertung, -interpretation und -darstellung
11-6

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Kohler, U.; Werner, M.: Durchgängige Produktions- und Logistikplanung
Datenübernahme aus dem informationstechnischen Umfeld der Produktion und Logistik
MATVAR
Definition und Optimierung von Produktionsabläufen unter Berücksichtigung logistischer Aspekte
Unterstützung der statischen Planung des Produktionssystems (Fabrikplanung)
Auswahl und Dimensionierung des Logistiksystems
Erprobung unterschiedlicher Steuerungsstrategien für das Produktions- und Logistiksystem
Bewertung der Planungsalternativen anhand quantitativer Kriterien
Bild 6: Anforderungen an die EDV-basierte Produktions- und Logistikplanung
3 Ableitung des Handlungsbedarfs
Neben den vorgestellten Ergebnissen aus der Analyse der derzeitig verfügbaren
Planungshilfsmittel und der Einschätzungen aus Sicht der Unternehmen erfolgte für
die Festlegung der Anforderungen an das entwickelnde Planungstool eine enge Zusammenarbeit
mit den Partnern im Projekt MATVAR.
So erfolgte im ersten MATVAR-Förderjahr eine ausführliche Analyse des innerbetrieblichen
Materialflusses in den Produktionsbereichen Vorfertigung und Oberfläche
der Firma BSH in Traunreut. Basierend auf den Erfahrungen aus dem Auftaktprojekt
wurden die Problempunkte bei der Durchführung von Produktions- und Logistikplanungen
aufgezeigt und in Anforderung an die Entwicklung eines ganzheitlichen EDV-
Werkzeuges umgesetzt.
Die Schwerpunkte der oben dargestellten Anforderungen werden primär in der ganzheitlichen
Unterstützung des Anwenders während der Planung gesehen. Dies setzt
voraus, dass eine systematische Planungssystematik dem EDV-Werkzeug hinterlegt
wird, wodurch der Anwender zu jeder Planungsphase auf geeignete EDV-Unterstützung
zurückgreifen kann.
11-7

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Kohler, U.; Werner, M.: Durchgängige Produktions- und Logistikplanung
Arbeitsplanerstellung
- Optimierung der
Arbeitsabfolgen
- Definition von
variablen Fertigungssegmenten
Datenbank
Fördertechnikplanung
- Auswahl
- Kapazitätsabschätzung
Layoutplanung
- Standortoptimierung
- Kapazitätsabschätzung
- Detaillierung der
Transportwege
- Definition der
Produktionssteuerung
Leitstand
Simulation
- Pufferdimensionierung
- Maschinenauslastung
- Fördertechnikauslastung
- Personalauslastung
Prozess-Controlling
MATVAR
Prozesskostenrechnung
Feinplanung
Umsetzung
Bild 7: Konzept der EDV-basierten Produktions- und Logistikplanung
4 Konzeptentwicklung
In Zusammenarbeit mit den MATVAR-Partnern fml und OBTec wurden die Systemschnittstellen
für einen durchgängigen Datentransfer von der Planung über die Realisierung
bis zum Prozess-Controlling definiert. Sie bilden die Rahmenbedingungen für
das zu entwickelnde Planungswerkzeug.
Am Beginn der Planung werden die Produktionsdaten in die Planungsdatenbank
übernommen. Basierend auf diesen Planungsdaten werden im ersten Modul, der Arbeitsplanerstellung,
die Produktionsprozesse optimiert oder neu definiert. Die resultierenden
Abläufe werden in der Layoutplanung graphisch im Layout dargestellt.
Durch die Anpassung der Produktionsstruktur an die Abläufe werden alternative Layoutszenarien
entwickelt. Über einen automatischen Datenaustausch zum Fördertechnikmodul
erfolgt zudem die Planung und Dimensionierung der Logistik. Die hieraus
resultierenden Alternativen für das Produktions- und Logistikkonzept müssen
zudem in ihrer Steuerung weiter detailliert werden.
Aufgrund der Vielzahl an Gestaltungsparameter können sehr vielfältige Lösungsansätze
gefunden werden. Deshalb werden die unterschiedlichen Konzepte basierend
auf den Prozesskosten miteinander verglichen und eine Systemauswahl vorgenommen.
Über eine weitere Schnittstelle werden die Ergebnisse der Planung zur Realisierung
und dem Controlling an den Leitstand zurückgegeben.
11-8

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Kohler, U.; Werner, M.: Durchgängige Produktions- und Logistikplanung
Derzeitige Situation:
Laufende Produktion von 4 Produkten
Erfolgreiche Einführung des
neuen Produktes D
Vorgabe:
Hohe Entwicklungschance für
Produkt D, jedoch Reduktion der
Herstellkosten und der Durchlaufzeit erforderlich
Die Produkte A und B werden teilweise durch ein
Nachfolgeprodukt E ersetzt
* Das von ifp entwickelte Softwaretool MATFLOW wird
anhand des oben beschriebenen Fallbeispiels parallel
zu diesem Vortrag direkt am Rechner vorgestellt
Bild 8: Fallbeispiel einer Fertigungs- und Montageanlage
4.1 Beschreibung des Planungsbeispieles
Absatzentwicklung
C
A
B
D
heute
MATVAR
E
Prognose
Zur Verdeutlichung der Funktionalitäten des von ifp innerhalb von MATVAR entwickelten
EDV-Werkzeuges MATFLOW werden innerhalb dieses Abschlussvortrages
die wesentlichen Systemfunktionalitäten direkt am Rechner vorgestellt.
Um neben den einzelnen Funktionen auch die von ifp entwickelte Planungsmethodik
vorstellen zu können, wurde im Vorfeld dieses Vortrages in Zusammenarbeit mit dem
fml ein Planungsbeispiel erarbeitet, mit dessen Hilfe auch das Zusammenspiel der
einzelnen Softwaremodule des ifp und fml dargestellt werden kann.
In der Ausgangssituation des Planungsbeispiels werden vier Endprodukte montiert.
Die einzelnen Endprodukte setzten sich aus verschiedenen Eigenfertigungs- und Zukaufteilen
zusammen. Die Montage und Anlieferung der Zukaufteile befindet sich in
der Halle des fml. Die Herstellung der Eigenfertigungsteile befindet sich in der Halle
des iwb. Der physikalische Materialfluss zwischen den beiden Hallen wird mit Hilfe
eines manuellen Gabelstaplers realisiert.
Ziel der im folgenden beschriebenen Planung ist die Ermittlung der optimalen Produktions-
und Logistikstruktur bei verändertem Auftragsszenario. Innerhalb des neuen
Auftragsszenarios werden im Wesentlichen die beiden Hauptprodukte Produkt A
und B teilweise durch ein Nachfolgeprodukt E ersetzt. Hierdurch ergeben sich neben
einer geänderten Betriebsmittelauslastung auch geänderte Logistikanforderungen.
11-9

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Kohler, U.; Werner, M.: Durchgängige Produktions- und Logistikplanung
Arbeitsplanerstellung
Beurteilung der
Ausgangssituation
Berücksichtigung vielfältiger
Informationen
Maschinenauswahl nach technologischen
Kriterien
Festlegung des Materialflusses
als Nebenprodukt der
Arbeitsplanerstellung
Konstruktionszeichnungen
Stücklisten
Rohteil
Prozessdefinition
Determinierung
der Logistikkosten
Arbeitsvorgangsfolge
Fertigungsmittel
Kapazitäten
Vorgabezeit
Arbeistbewertung
Bild 9: Ausgangssituation bei der Arbeitsplanerstellung
4.2 Arbeitsplanerstellung
MATVAR
Festlegung des
innerbetrieblichen Materialflusses
In der heutigen Arbeitsplanerstellung wird ausgehend von den Stücklisten und den
Konstruktionszeichnungen ein Rohteil und die Bearbeitungsfolge abgeleitet
[EVERSHEIM ET AL. 1996] [HEINEN 1991]. Über CAD/CAP-Hilfsmittel kann dieser Schritt
teilweise mit Planungswerkzeugen unterstützt werden, die zudem die Ermittlung von
Vorgabezeiten und die Auswahl von Fertigungsmitteln aus technisch konstruktiver
Sicht ermöglichen. Unberücksichtigt bleiben jedoch in der heutigen Arbeitsplanerstellung
jegliche materialflusstechnischen Gesichtspunkte, obgleich die Arbeitspläne
eines Produktes den innerbetrieblichen Materialfluss und somit die Logistikkosten
bereits festlegen.
Deshalb müssen bei der Planung von Produktions- und Logistiksystemen die bestehenden
Arbeitsabfolgen analysiert und an die bestehende Produktionsstruktur angepasst
werden. Zudem sollte das Planungswerkzeug eine Neudefinition von Arbeitsplänen
anwendungsfreundlich ermöglichen, damit alle notwendigen Informationen
über potenzielle neue Produkte im Planungswerkzeug generiert werden können.
11-10

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Kohler, U.; Werner, M.: Durchgängige Produktions- und Logistikplanung
���������������������
����� ����������������������
� ���������� ��� ��������������
��� ��������
� ����������� ���������� ���
������������� ����� �������
��� ������������������
� ���������� ������������
����������� ��� ����� ���
������������������ ��� ���
�������������
��������� ��� ������������
��� ���������� ��� ���������������
MATVAR
���������� ��� �������������� ���
������������������ ��� �����������
�������������� ��� ������������
��� ���������� ��� �������������
! " #
$ % ! & %# $
' ( ) $
! " # * ! +#
, - .
% / # !
/ % - % 0 # %
$ ( % !
$ %
% ( % ' ! 1 %
% & % 0
2 3 !
% %
' /4
% & % 2 3 ! &
( * %# $ #
!

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Kohler, U.; Werner, M.: Durchgängige Produktions- und Logistikplanung
Layoutplanung
Modul Layoutplanung:
Visualisierung und
Optimierung der Produktionsprozesse
im Sankey-
Diagramm auf Basis von
Stückzahlen
Definition der Transportwege
für flurgebundene und flurfreie
Fahrzeuge
4.3 Layoutplanung
Definition der Transportwege
für flurgebundene Fahrzeuge
Optimierung der der Maschinenanordnung
auf auf Basis
der der Materialflusskennzahl
Bild 11: Planung der Produktions- und Logistikstruktur
MATVAR
Definition der Transportwege
für flurfreie Fahrzeuge
Mit Vorgabe der materialflusstechnisch optimierten Produktionsabfolgen findet in der
Layoutplanung die Planung des Produktions- und Logistikkonzeptes satt. Zunächst
werden dem Anwender die Materialflüsse basierend auf der Kennzahl „Stück pro
Jahr“ im Sankey-Diagramm graphisch dargestellt.
Im nächsten Schritt der Layoutplanung findet die Optimierung der physikalischen
Produktionsstruktur statt. Hierbei werden mit Hilfe eines Optimierungsalgorithmus im
Vertauschungsverfahren die Betriebsmittelstandorte vertauscht und die Verbesserungen
oder Verschlechterungen im Materialfluss berechnet. Letztlich wird dem Anwender
vom System ein am Materialfluss optimiertes Layout vorgeschlagen.
Basierend auf der Materialflussdarstellung im Produktionslayout findet nun die Definition
der Transportwege statt. Hierbei wird unterschieden zwischen den flurgebundenen
und flurfreien Transportwegen. Die Definition der flurgebundenen Transportwege
(Stapler, FTS etc.) erfolgt über die Vorgabe eines Wegenetzes durch den Anwender.
Die Berechnung der eigentlichen Transportwege wird vom System automatisch
durchgeführt. Aufwendige Wegedefinitionen entfallen somit. Die flurfreien
Transportwege (Kräne, Hängebahn etc.) werden vom Anwender über sogenannte
Stützpunkte definiert, die z.B. die Laufbahnen einer Hängebahn fixieren oder vom
Kran nicht überfahrbare Bereiche ausklammern. Letztlich werden noch physikalisch
fest installierte Fördermittel (Stetig- oder Starrförderer) im Layout positioniert.
11-12

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Kohler, U.; Werner, M.: Durchgängige Produktions- und Logistikplanung
Fördertechnikplanung
Modul Fördertechnikplanung:
Definition der Transport- und
Transporthilfsmittel
Planung der Fördertechnikabläufe
Statische Kapazitätsberchnung
der eingesetzten Fördertechnik
Wegedefinition (Fahrzeug,
Kran, Förderer)
VON NACH WEGEART X1 Y1 X2 Y2 X3 Y3 X4 Y4 X5 Y5 X6 Y6
COILLAGER PROFIL FREI 5.05 41.05 5.95 36.8
COILLAGER PROFIL FAHRZEUG 5.05 41.05 6.75 41 12.6 41 12.6 35.45 7.75 35.45 6.3 35.45
COILLAGER PROFIL FOERDERER 5.05 41.05 5.95 36.8
COILLAGER PROFIL KRAN 5.05 41.05 5.95 36.8
COILLAGER SAEGE1 FREI 5.05 41.05 12.65 24.5
COILLAGER SAEGE1 FAHRZEUG 5.05 41.05 6.75 41 12.6 41 12.6 35.45 7.75 35.45 7.75 22.4
COILLAGER SAEGE1 FOERDERER 5.05 41.05 12.65 24.5
COILLAGER SAEGE1 KRAN 5.05 41.05 12.65 24.5
COILLAGER GRATRUND FREI 5.05 41.05 25.9 27.4
COILLAGER GRATRUND FAHRZEUG 5.05 41.05 6.75 41 12.6 41 12.6 35.45 7.75 35.45 7.75 22.4
COILLAGER GRATRUND FOERDERER 5.05 41.05 25.9 27.4
COILLAGER GRATRUND KRAN 5.05 41.05 25.9 27.4
COILLAGER RSCHLEIF FREI 5.05 41.05 37.5 27.3
COILLAGER RSCHLEIF FAHRZEUG 5.05 41.05 6.75 41 12.6 41 12.6 35.45 7.75 35.45 7.75 22.4
COILLAGER RSCHLEIF FOERDERER 5.05 41.05 37.5 27.3
Betriebsmitteldaten
BETRIEBSMITTEL B_X B_Y Q_X Q_Y S_X S_Y
COILLAGER 7.3 41.05 5.05 41.05 5.05 41.05
PROFIL 4.1 35.9 5.95 36.8 5.95 36.8
SAEGE1 13.5 27.5 12.65 24.5 12.65 24.5
GRATRUND 24.7 26.45 25.9 27.4 25.9 27.4
RSCHLEIF 34.9 28.7 37.5 27.3 37.5 27.3
SCHW EISS 48.7 6.65 48.55 7.55 48.55 7.55
SAEGE2 5.65 5.3 5 8.05 5 8.05
ENTGRAT 19.3 6.65 19.3 7.65 19.3 7.65
AUSKLINK 24.7 6.65 24.7 7.65 24.7 7.65
PLANSCHL 38.45 4.45 37.7 7.15 37.7 7.15
SAEGE3 19.3 27.2 18.6 24.6 18.6 24.6
BIEGEN 43.9 26.45 45.6 26.05 45.6 26.05
ROHRLAGER 62 20.3 62 20.3 62 20.3
STRAHLEN 60 6.65 59.9 7.55 59.9 7.55
POLIEREN 56.5 28.05 62 30.45 51.15 27.4
Arbeitsabläufe
PRODUKT MENGE AVO-NR. BETRIEBSMITTEL
RHRA 400 1 COILLAGER
RHRA 400 2 PROFIL
RHRA 400 3 SAEGE1
RHRA 400 4 GRATRUND
RHRA 400 5 RSCHLEIF
RHRA 400 6 SCHWEISS
RHRB 900 1 COILLAGER
RHRB 900 2 PROFIL
RHRB 900 3 SAEGE2
RHRB 900 4 ENTGRAT
RHRB 900 5 AUSKLINK
RHRB 900 6 PLANSCHL
RHRB 900 7 SCHWEISS
RHRC 50 1 COILLAGER
RHRC 50 2 PROFIL
RHRC 50 3 SAEGE3
RHRC 50 4 GRATRUND
Fördertechnikplanung
Bild 12: Datenübergabe an die Fördertechnikplanung
4.4 Fördertechnikplanung
Layout
MATVAR
Übergabe der Planungsdaten an
die Fördertechnikplanung fml
Die vorbereitende Planung des Layouts wird für die Auswahl der Fördertechnik an
das Planungswerkzeug von fml übergeben. Die realisierte Schnittstelle basiert auf
dem Austausch unterschiedlicher alphanumerischer und graphischer Dateien.
Die geplanten flurgebundenen und flurfreien Transportwege werden über die Wegedefinition
übergeben, in der alle Wegedaten über Koordinatenpositionen beschrieben
sind. Zudem werden die Koordinaten der Betriebsmittel mit den Quellen und Senken
des Materialflusses in der Betriebsmitteldatei dokumentiert. Die Produktionsabfolgen
werden über die Datei der Arbeitsabläufe als dritte Datei zur Verfügung gestellt.
Letztlich wird neben diesen alphanumerischen Daten auch das Layout als CAD-
Zeichnung übergeben.
Die bereitgestellten Daten werden vom Planungswerkzeug des fml eingelesen und
für die Planung der Transport- und Transporthilfsmittel verwendet (siehe Unterlagen
des fml).
11-13

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Kohler, U.; Werner, M.: Durchgängige Produktions- und Logistikplanung
Fördertechnikplanung
Modul Fördertechnikplanung:
Übernahme der geplanten
Fördertechnik
Übernahme der Definitionen für
Transport und
Transporthilfsmittel
Übernahme der Planungsdaten von
der Fördertechnikplanung fml
Fördertechnikplanung
Max. Max. LADE- ENTL-
VON NACH PRODUKT FAHRTEN PRODUKTE GEBINDE THM TM
THM/TM TEILE/THM ZEIT ZEIT DISTANZ
COILLAGER PROFIL RHRA 588 10754 588 E1 ST1 1 20 0 0 20.7954
PROFIL SAEGE1 RHRA 1 20 1 E1 ST1 1 20 0 0 25.7439
PROFIL SAEGE1 RHRA 53 3894 106 E2 KRAN 2 40 1 2 26.0598
PROFIL SAEGE1 RHRA 93 6840 188 E3 ST2 5 50 9 8 25.7439
SAEGE1 GRATRUND RHRA 381 7550 381 E1 ST1 1 20 0 0 19.9496
GRATRUND RSCHLEIF RHRA 56 1120 56 E1 ST1 1 20 0 0 26.3979
GRATRUND RSCHLEIF RHRA 80 6400 160 E2 KRAN 2 40 0 0 40.4062
RSCHLEIF SCHWEISS RHRA 28 560 28 E1 ST1 1 20 0 0 30.257
RSCHLEIF SCHWEISS RHRA 46 6900 138 E3 KRAN 3 50 0 0 31.056
COILLAGER PROFIL RHRB 861 16131 861 E1 ST1 1 20 0 0 20.7954
PROFIL SAEGE2 RHRB 173 3095 173 E1 ST1 1 20 0 0 32.3451
PROFIL SAEGE2 RHRB 201 13036 361 E2 KRAN 2 40 1 2 36.0569
SAEGE2 ENTGRAT RHRB 848 15932 848 E1 ST1 1 20 0 0 18.1015
ENTGRAT AUSKLINK RHRB 135 2651 135 E1 ST1 1 20 0 0 10.3511
ENTGRAT AUSKLINK RHRB 173 13189 337 E2 KRAN 2 40 5 6 15.2134
AUSKLINK PLANSCHL RHRB 118 2354 118 E1 ST1 1 20 0 0 21.8399
AUSKLINK PLANSCHL RHRB 180 7099 180 E2 KRAN 1 40 0 0 28.0767
PLANSCHL SCHWEISS RHRB 423 8419 423 E1 ST1 1 20 0 0 15.9988
COILLAGER PROFIL RHRC 173 2904 173 E1 ST1 1 20 0 0 20.7954
PROFIL SAEGE3 RHRC 28 513 28 E1 ST1 1 20 0 0 31.9166
Transportmitteldefinition
(TM, TH, Be- und
Entladezeit
MATVAR
Transportmittelspezifikation
VON NACH
Max. Max. LADE- ENTL-
PRODUKT FAHRTEN PRODUKTE GEBINDE THM TM
THM/TM TEILE/THM ZEIT ZEIT DISTANZ
COILLAGER PROFIL RHRA 588 10754 588 E1 ST1 1 20 0 0 20.7954
PROFIL SAEGE1 RHRA 1 20 1 E1 ST1 1 20 0 0 25.7439
PROFIL SAEGE1 RHRA 53 3894 106 E2 KRAN 2 40 1 2 26.0598
PROFIL SAEGE1 RHRA 93 6840 188 E3 ST2 5 50 9 8 25.7439
SAEGE1 GRATRUND RHRA 381 7550 381 E1 ST1 1 20 0 0 19.9496
GRATRUND RSCHLEIF RHRA 56 1120 56 E1 ST1 1 20 0 0 26.3979
GRATRUND RSCHLEIF RHRA 80 6400 160 E2 KRAN 2 40 0 0 40.4062
RSCHLEIF SCHWEISS RHRA 28 560 28 E1 ST1 1 20 0 0 30.257
RSCHLEIF SCHWEISS RHRA 46 6900 138 E3 KRAN 3 50 0 0 31.056
COILLAGER PROFIL RHRB 861 16131 861 E1 ST1 1 20 0 0 20.7954
PROFIL SAEGE2 RHRB 173 3095 173 E1 ST1 1 20 0 0 32.3451
PROFIL SAEGE2 RHRB 201 13036 361 E2 KRAN 2 40 1 2 36.0569
SAEGE2 ENTGRAT RHRB 848 15932 848 E1 ST1 1 20 0 0 18.1015
ENTGRAT AUSKLINK RHRB 135 2651 135 E1 ST1 1 20 0 0 10.3511
ENTGRAT AUSKLINK RHRB 173 13189 337 E2 KRAN 2 40 5 6 15.2134
AUSKLINK PLANSCHL RHRB 118 2354 118 E1 ST1 1 20 0 0 21.8399
AUSKLINK PLANSCHL RHRB 180 7099 180 E2 KRAN 1 40 0 0 28.0767
PLANSCHL SCHWEISS RHRB 423 8419 423 E1 ST1 1 20 0 0 15.9988
COILLAGER PROFIL RHRC 173 2904 173 E1 ST1 1 20 0 0 20.7954
PROFIL SAEGE3 RHRC 28 513 28 E1 ST1 1 20 0 0 31.9166
Bild 13: Datenübernahme aus der Fördertechnikplanung
Die Ergebnisse der durchgeführten Fördertechnikplanung dokumentieren sich in der
Transportmitteldefinition und der Transportmittelspezifikation, die ebenfalls in Dateiform
vom Planungswerkzeug des fml zur Verfügung gestellt werden.
In der Transportmitteldefinition werden für alle Transporte die vorgesehenen Transporthilfsmittel
und Transportmittel festgeschrieben. Zudem werden die Anzahl der
Teile pro Gebinde und der Gebinde pro Transport übergeben sowie die Zeiten für
den Belade- und Entladevorgang. Alternative Transportmittel für die gleichen Wegstrecken
werden durch mehrfache Nennung der Transportwege dokumentiert.
In der Transportmittelspezifikation werden alle notwendigen Informationen über die
eingesetzten Transportmittel übergeben, wie beispielsweise Anzahl der Transportmittel
oder Fahrgeschwindigkeiten.
Die übergebenen Daten werden im Planungswerkzeug von ifp automatisch eingelesen
und für die weitere Planung verwendet.
11-14

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Kohler, U.; Werner, M.: Durchgängige Produktions- und Logistikplanung
Layoutplanung
Modul Layoutplanung:
Differenzierte Analyse des
statischen Materialflusses
Spezifikation der dynamischen
Parameter (Schichtmodelle,
Losgrößen, Lieferzyklen,
Werkerzuordnung,
Logistiksteuerung etc.)
Analyse des statischen Materialflusses
auf Basis von:
Stückzahlen
Gebinden
Transporten
Bild 14: Optimierung der Layoutplanung
4.5 Optimierung der Layoutplanung
MATVAR
Definition der Logistiksteuerung
und Festlegung
der dynamischen Parameter
Über die Fördertechnikplanung, d.h. der Transport- und Transporthilfsmittel, kann
nun der Materialfluss in der Layoutplanung über die Kennzahlen „Gebinde pro Jahr“
oder „Fahrten pro Jahr“ graphisch dargestellt werden.
Neben der systematischen Analyse des Materialflusses, wie beispielsweise Darstellung
der Produkte je Transportmittel, können nun vom Benutzer weitere Optimierungen
hinsichtlich der physikalischen Produktionsstruktur durchgeführt werden. Hierbei
wird der Planer durch den schon im Rahmen der Grobplanung beschriebenen Optimierungsalgorithmus
unterstützt. Das von ifp entwickelte Optimierungsmodul wurde
so konzipiert, dass innerhalb dieser Feinplanungsphase auch die zuvor definierten
Transportbeziehung bei der automatischen Betriebsmittelanordnung berücksichtigt
werden.
Zur vollständigen Identifikation der Optimierungspotenziale werden im nächsten
Schritt der Planung die dynamischen Systemparameter festegelegt. Hierzu zählen
beispielsweise das Schichtmodell, die Mindestlosgrößen, die Lieferantenspezifikation,
das Ausfallverhalten der Betriebsmittel oder die geplante Auftragssteuerung.
Eine Aussage über die richtige Entscheidung über bestehende Planungs- und Steuerungsalternativen
erfolgt anschließend mit Hilfe der Ablaufsimulation.
11-15

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Kohler, U.; Werner, M.: Durchgängige Produktions- und Logistikplanung
Simulation
Modul Simulation:
Automatische Generierung des
Simulationsmodells
Übergabe von Fahrzeugen,
Kränen, Förderer oder
Transportmittelsteuerung
Übergabe Betriebsmittel und
Personal
Übergabe Auftragssteuerung
4.6 Simulation
FTS
Puffer Werker
Stapler
MATVAR
Automatischer Aufbau des Simulationsmodells
Kran
Maschine Fahrweg
Bild 15: Automatische Simulation der Produktion und Logistik
Einen Schwerpunkt der Entwicklungsarbeiten stellte die Entwicklung einer automatischen
Generierung eines Simulationsmodells dar. Hierbei wird, basierend auf den im
Rahmen der Layoutplanung erarbeiteten Daten, wie z.B.
• Arbeitsabläufe
• Fördertechnikspezifikation
• Steuerungsstrategien
• Schichtmodelle und Personalzuordnung
• Kunden- und Lieferantenverhalten
automatisch ein lauffähiges Simulationsmodell aufgebaut. Wesentliche Bestandteile
des Simulationsmodells sind die Produkte, Betriebsmittel, Personal und die Fördermittel
(z.B. Stapler, Krane, Förderer). Neben der Definition dieser Elemente wird im
Simulationsmodell deren logische Verbindungen automatisch hinterlegt. Hierbei wird
die vorgesehene Auftragssteuerung mit Hilfe simulationsspezifischer Regeln in den
einzelnen Steuerungselementen abgebildet.
Der wesentliche Vorteil dieser Art der Modellgenerierung liegt in dem schnellen Aufbau
eines Simulationsmodells, der je nach Komplexität in wenigen Minuten erfolgt.
Zudem kann die Simulationstechnik mit all ihren Vorteilen auch von nicht Simulationsexperten
genutzt werden.
11-16

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Kohler, U.; Werner, M.: Durchgängige Produktions- und Logistikplanung
Prozesskostenrechnung
Modul Prozesskosten:
Übernahme der produktspezifischen
Kennzahlen
(Puffer- und Lagerflächen,
Auslastungen, Durchlaufzeit ..)
Analyse der Herstellkosten
(Lagerkosten, Transportkosten,
Bearbeitungskosten)
MATVAR
Auswertung der Kennzahlen aus der Simulation
und Berechnung der produktspezifischen Prozesskosten
Bild 16: Auswertung der Simulationsdaten über die Prozesskostenrechnung
4.7 Prozesskostenrechnung
Durch den Einsatz der Simulationstechnik können sehr vielfältige Aussagen über ein
Produktions- und Logistikkonzept gewonnen werden, wie beispielsweise Betriebsmittel-
oder Fördertechnikauslastungen, Bestände, Durchlaufzeiten, Lieferbereitschaft
etc. Die Schwierigkeit bei der Beurteilung dieser Informationen liegt nun oftmals
darin, dass komplementäre Kennzahlen, wie beispielsweise hohe Lieferbereitschaft
versus geringe Bestände oder große Losgrößen versus geringe Durchlaufzeiten,
miteinander verglichen werden müssen. Eine eindeutige Aussage kann an dieser
Stelle nur über die Berechnung der Prozesskosten erfolgen, in denen neben den
direkten Produktionskosten auch die heutigen Allgemeinkosten, wie beispielsweise
Lagerkosten, Transportmittelkosten, Instandhaltungskosten etc., produktspezifisch
zugeordnet werden.
Als Ergebnis werden vom System Wertschöpfungskurven berechnet, die alle auf den
Herstellungsprozess einwirkenden Faktoren monetär darstellen. Durch die Analyse
der Kostenentwicklung im Herstellungsprozess können gezielt Rationalisierungspotenziale
erkannt werden. Letztlich erfolgt über den Vergleich der Herstellungskosten
der Produkte bei alternativen Produktions- und Logistikkonzepten die Auswahl der
geeignetsten Variante.
11-17

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Kohler, U.; Werner, M.: Durchgängige Produktions- und Logistikplanung
Simulation
Prozess-Controlling
Leitstand
Modul Realisierung:
Prozesskostenrechnung
Feinplanung
Umsetzung
Übergabe der
Planungsergebnisse an den
Leitstand
Einlesen der gemessenen
Produktionsdaten aus dem
Leitstand und Vergleich mit
den geplanten Prozesskosten
MATVAR
Auswertung der Produktionsdaten aus dem Leitstand
und Berechnung der Kostenanteile
Bild 17: Übergabe der Plandaten in die Realisierung und das Controlling
4.8 Realisierung und Controlling
Für eine schnelle und zielgerichtete Realisierung des neu geplanten Produktionsund
Logistikkonzeptes ist es wichtig, dass die Ergebnisse der Planung direkt weiterverwendet
werden können. Deshalb wurde zusammen mit der Firma OBTec eine
Schnittstelle für den Datentransfer zum Leitstand ausgearbeitet. Ziel hierbei ist die
Informationen, wie beispielsweise geänderte Maschinenpositionen oder Arbeitsabläufe,
direkt an den Leitstand zu übergeben. Zudem werden die Stundensätze für die
Transportmittel weitergeleitet, auf deren Basis im Tagesgeschäft eine kostenoptimale
Nutzung der Transportmittel ermöglicht wird.
Die von ifp entwickelte Schnittstelle zwischen der Ablaufsimulation und der Layoutplanung
bzw. Prozesskostenrechnung wurde so gestaltet, dass über diese Schnittstelle
auch die im Leitrechner protokollierten realen Produktionsdaten in das Planungstool
eingelesen werden können. Hierdurch werden die mit Hilfe der Simulation
vorab berechneten Parameter, wie beispielsweise Maschinen- und Transportmittelauslastungen,
mit den tatsächlichen Protokolldaten des Produktions- und Logistiksystems
verglichen. Hierdurch kann das System fortlaufend überwacht und eine geeigneter
planerischer Eingriff jederzeit eingeleitet werden. Zudem stehen dem Planer
permanent aktuelle Planungsdaten zur Verfügung.
11-18

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Kohler, U.; Werner, M.: Durchgängige Produktions- und Logistikplanung
5 Zusammenfassung
MATVAR
Automatische Übernahme von Produktionsdaten aus Leitstandund
PPS-Systemen
Materialflusstechnische Optimierung der Arbeitspläne
Visualisierung der Materialflüsse im Produktionslayout
Automatisierte Planung der Transportwege für flurgebundene und
flurfreie Fahrzeuge
Bidirektionale Datenschnittstelle zur Fördertechnikplanung von fml
Automatische Layoutoptimierung auf Basis der
Transportbeziehungen in der Layoutplanung
Automatische Modellgenerierung für den Einsatz der
Simulationstechnik
Auswertung der Simulationsergebnisse über die
Prozesskostenrechnung
Bidirektionale Schnittstelle zum Leitstand von OBTec
Fortlaufendes Controlling der Produktions- und Logistikparameter
für das rechtzeitige und gezielte Einleitung des Planungs- und
Optimierungsprozesses
Bild 18: Verwirklichte Ziele
Durch die von ifp im Forschungsprojekt MATVAR geleistete Entwicklungsarbeit ist
ein innovatives, EDV-basiertes Planungswerkzeug entstanden, das den gesamten
Prozess der Planung und Optimierung von Produktions- und Logistiksystemen unterstützt.
Ausgehend von einem Pilotprojekt bei einem der MATVAR-Anwender, der BSH in
Traunreut, wurden die Anforderungen an die ganzheitliche Produktions- und Logistikplanung
definiert. Zusammen mit den MATVAR-Entwicklern fml und OBTec wurde
auf Basis dieser Anforderungen ein Konzept erarbeitet, das in einem EDV-Werkzeug
vollständig umgesetzt wurde.
Hierdurch steht dem Planer nun eine umfassende EDV-Unterstützung zur Verfügung,
durch deren Einsatz Betriebsdaten fortlaufend erfasst und monetär bewertet werden.
Beim Erkennen größerer Abweichungen kann eine Optimierungssystematik eingeleitet
werden, die von der Definition der Arbeitsabfolgen über die Layout- und Fördertechnikplanung
bis zur Simulation eine weitgehend automatisierte Planung ermöglicht.
Somit können zeitraubende Tätigkeiten, wie beispielsweise wiederholte
Datengenerierung oder Aufbau des Simulationsmodells, im Planungsprozess vermieden
werden, wodurch dem Planer letztlich mehr Zeit für die kreativen Aspekte der
Produktions- und Logistikplanung zur Verfügung steht.
11-19

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Kohler, U.; Werner, M.: Durchgängige Produktions- und Logistikplanung
6 Literatur
MATVAR
EVERSHEIM 1996
Eversheim, W.; Schuh, G.: Betriebshütte. Produktion und Management.
Berlin u.a.: Springer 1996
HEINEN 1991
Heinen, E.: Industriebetriebslehre. Entscheidungen im Industriebetrieb.
Wiesbaden: Gabler 1991.
MILBERG 1997
Milberg, J.: Produktion – Eine treibende Kraft für unsere Volkswirtschaft.
In: Reinhart, G. (Hrsg.); Milberg, J. (Hrsg.): Mit Schwung zum
Aufschwung – Information, Inspiration, Innovation, München. Landsberg:
Moderne Industrie 1998.
REINHART ET AL. 1999
Reinhart, G.; Feldmann, K.: Simulationsbasierte Planungssysteme für
Organisation und Produktion. Berlin u.a.: Springer 1999.
REINHART ET AL. 1997
Reinhart, G.; Feldmann, K.: Simulation – Schlüsseltechnologie der Zukunft?
München: Herbert Utz Verlag 1997
UHLMANN 1998
Uhlmann, E.: Regionale Stärken für globale Chancen durch technologische
Innovationen. In: IX. Internationales Produktionstechnisches Kolloquium
98. Berlin: Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik
1998
VDMA 1999
VDMA (Hrsg.): Für mehr Wettbewerb und Eigeninitiative. Gemeinsame
wirtschaftspolitische Positionen des deutschen Maschinen- und Anlagenbaus
1999 (Informationsbroschüre). Frankfurt: Eigendruck 1999.
11-20

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Allgayer, F.: Computerunterstützte Planung von Materialflusssystemen
MATVAR
&RPSXWHUXQWHUVW W]WH 3ODQXQJ YRQ
0DWHULDOIOXVVV\VWHPHQ
'U ,QJ )UDQ] $OOJD\HU
/HKUVWXKO I U )|UGHUWHFKQLN 0DWHULDOIOXVV /RJLVWLN IPO
78 0 QFKHQ
%ROW]PDQQVWU
*DUFKLQJ
12-1

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Allgayer, F.: Computerunterstützte Planung von Materialflusssystemen
Größere
Planungssicherheit
Größere
Komplexität
Planung von
Materialflusssystemen
Höhere
Planungsgeschwindigkeit
MATVAR
Größerer
Planungsumfang
Bild 1: Zunehmende Anforderungen an die Planung von Materialflusssystemen
1 Ausgangssituation
Die sich rasch ändernden Marktanforderungen zwingen die Unternehmen zu einem
ständigen Anpassungsprozeß, der starke Auswirkungen auf die innerbetriebliche Logistik
hat und so eine häufige Neu-, Um- oder Erweiterungsplanung der Materialflusssysteme
erfordert. Der Planungsprozeß selbst ändert sich dabei ebenfalls.
So führen durch komplexere Produkte bedingte komplexere Logistiksysteme zusammen
mit der geforderten Flexibilität bei gleichzeitiger Prozesssicherheit zu einer
wesentlichen Erhöhung der Komplexität bei der Planung von Materialflusssystemen.
Trotz höherer Komplexität nimmt die Forderung nach größerer Planungssicherheit
weiter zu, da die logistische Leistungsfähigkeit der Unternehmen immer mehr über
deren Markterfolg bestimmt (Baumgarten u.a. 1997, Pfohl u.a. 1999).
Durch das ganzheitliche Systemdenken bedingt müssen bei der Suche nach dem
Gesamtoptimum alle möglichen Kombinationen der Subsysteme betrachtet werden.
Die Zahl der zu untersuchenden Planungsvarianten vergrößert sich also ganz entscheidend.
Um die Planungssicherheit bei komplexeren und umfangreicheren Planungsprojekten
zu gewährleisten, wächst das Bestreben, schon in frühen Planungsphasen eine
größere Anzahl von Planungsvarianten detailliert zu untersuchen. Dies kann nur
durch eine Erhöhung der Planungsgeschwindigkeit erreicht werden.
12-2

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Allgayer, F.: Computerunterstützte Planung von Materialflusssystemen
2 Aufgabenstellung
MATVAR
Ziel der Arbeiten des Lehrstuhls fml in Arbeitspaket 4, Planungsmethoden und Werkzeuge,
ist es, Planungsbausteine für die rechnerintegrierte Planung zu entwickeln,
mit denen die zunehmenden Ansprüche an die Planung von flexiblen Materialflusssystemen
(z.B. automatisierter Leichtkran und gemanagte Stapler) hinsichtlich Komplexität,
Umfang, Planungssicherheit und Geschwindigkeit berücksichtigt werden
können.
Die Arbeiten umfassen dabei die zugrundeliegende Planungsmethodik und die Realisierung
der Bausteine in einem CAD-System. Die Konzepte, auf denen die Planungsbausteine
basieren, sollen den besonderen Anforderungen an die Planung flexibler
Materialflusssysteme genügen und eine einfache und schnelle Planung ermöglichen.
Zusätzlich sollen die Planungsbausteine in einem Planungsprojekt angewendet
und verifiziert werden. Darüber hinaus sind sie so zu gestalten, dass sie als Modul
zur Fördertechnikplanung im Rahmen einer EDV-basierten Logistikplanung benutzt
werden können, die ebenfalls im Projekt MATVAR von der ifp GmbH entwickelt
wird.
3 Vorgehensweise
Um das gesteckte Ziel zu erreichen, sind zunächst die Grundlagen, Abläufe und
Methoden der Materialflussplanung und der darin enthaltenen Systemplanung zu
untersuchen. Damit sollen die Randbedingungen für die Entwicklung der Planungsbausteine
aufgestellt werden. Anschließend ist eine Analyse bereits existierender
rechnergestützter Hilfsmittel für die Planung von Materialflusssystemen durchzuführen,
um deren Stärken und Schwächen aufzuzeigen. Darüber hinaus sollen die Besonderheiten
bei der Modellbildung von flexiblen Materialflusssystemen untersucht
werden.
Auf den Ergebnissen dieser Analysephase aufbauend ist die übergeordnete Gesamtkonzeption
eines computerintegrierten Planungswerkzeuges mit seinen Teilzielen
und Teilkonzepten zu erarbeiten, in das die einzelnen Planungsbausteine eingebettet
sind. Hierin enthalten ist auch ein Konzept für die Beschreibung und Abbildung
der einzelnen Bausteine und zur Verwendung des Planungswerkzeuges als Fördertechnikplanungstool
einer EDV-basierten Logistikplanung. Anschließend soll eine für
das Planungswerkzeug und die Planungsbausteine geeignete Entwicklungsbasis
zusammengestellt werden.
In der Realisierungsphase sind das Planungswerkzeug und die darin eingebetteten
Planungsbausteine auf Basis der erarbeiteten Konzepte umzusetzen. Anhand einer
beispielhaften Anwendung des Planungswerkzeuges sollen die Planungsbausteine
verifiziert werden.
12-3

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Allgayer, F.: Computerunterstützte Planung von Materialflusssystemen
Vorarbeiten
Materialflussuntersuchung (Ist-Analyse)
• Layouterfassung
• Datenerfassung und -aufbereitung
• Darstellung und Bewertung des Ist-Zustandes
Ermitteln der Planungsdaten (Soll-Daten)
Grobplanung
Strukturplanung
• Planen der Abläufe und Funktionseinheiten
• Festlegen der Standorte der Lager, Bearbeitungsund
Handhabungsstationen
• Festlegen der Bewegungslinien der Stückgüter
• Erstellen von Strukturvarianten
Systemplanung
• Auswahl geeigneter Materialflussmittel für die
Transport-, Lager- und Handhabungsaufgaben
• Dimensionierung der Materialflusssysteme
• Überprüfen und Bewerten der Systemvarianten
• Erstellen der Groblayouts
Feinplanung
Detailplanung
• Überarbeiten der Planungsdaten
• Detaillieren der Struktur- und Systemplanung
• Erstellen der Ausschreibungsunterlagen
Bild 2: Planungssystematik für eine durchgängige
Planung von Materialflusssystemen
MATVAR
12-4

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Allgayer, F.: Computerunterstützte Planung von Materialflusssystemen
4 Erzielte Ergebnisse
4.1 Analyse
MATVAR
4.1.1 Grundlagen, Abläufe und Methoden der Materialflussplanung
Eine Grundvoraussetzung, um die wachsenden Ansprüche bei der Planung von Materialflusssystemen
bezüglich Komplexität, Umfang, Planungssicherheit und Geschwindigkeit
beherrschen zu können, ist die konsequente Verwendung einer systematischen
Vorgehensweise, bei der der Planungsprozess in iterativen Schritten
durchlaufen werden kann. Eine weitere wesentliche Forderung ist die durchgängige
Unterstützung des Planungsprozesses von den Vorarbeiten (Materialflussuntersuchung)
über die Strukturplanung bis hin zur Systemplanung. In diesem Fall kann die
Planung der technischen Systeme auf der Planung der Materialflüsse aufbauen und
diese ermöglichen. Werden die beiden Forderungen zusammengefasst, so lässt sich
die in Bild 2 dargestellte Planungssystematik ableiten, die die Grundlage für alle
nachfolgenden Überlegungen bildet.
Innerhalb der Planungssystematik wird dabei zwischen den Phasen Vorarbeiten,
Grobplanung und Feinplanung unterschieden. Die Grobplanungsphase wiederum
lässt sich in die Strukturplanung und Systemplanung untergliedern. Die Grenzen zwischen
den einzelnen Planungsschritten sind in der Planungspraxis jedoch fließend
und die Schritte überlappen sich häufig.
4.1.2 Bereits existierende rechnergestützte Planungshilfsmittel
Die Analyse der rechnergestützten Planungshilfsmittel zeigt, dass die Unterstützung
des Materialflussplaners durch verschiedenste Rechnerwerkzeuge, von kommerzieller
Standardsoftware über einfache, vom Planer selbst entwickelte Hilfsprogramme
bis hin zu komplexen Systemfamilien, heute Stand der Technik ist. Ohne diese
Hilfsmittel ist schon allein der Umfang der zu bearbeitenden Planungsdaten oft nicht
mehr zu bewältigen. Dennoch lässt sich erkennen, dass die bereits existierenden
Systeme ihre programmspezifischen Schwerpunkte besitzen.
Auf der einen Seite gibt es Insellösungen, die weder Planungsdaten aus früheren
Planungsschritten übernehmen noch ihre eigenen Ergebnisse an Werkzeuge nachfolgender
Planungsphasen übergeben können. Hierzu gehören z.B. Programme, die
lediglich eine analytische Auslegung von Materialflusssystemen durch die Ein- und
Ausgabe alphanumerischer Parameter zulassen, oder Hilfsmittel, die ausschließlich
die Dimensionierung der geometrischen Abmessungen und die Erstellung von Layouts
unterstützen.
12-5

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Allgayer, F.: Computerunterstützte Planung von Materialflusssystemen
Insellösungen
• Keine automatische Datenübernahme aus früheren Planungsphasen
• Keine automatische Datenübergabe an spätere Planungsphasen
• Erhöhte Fehlergefahr durch mehrfache Dateneingabe
• Einsatz nur für bestimmte Planungstätigkeiten
Programmpakete
• z.T. keine Unterstützung einer systematischen und flexiblen Vorgehensweise
• z.T. kein durchgängiges Datenmodell
• z.T. keine durchgängige Datenbasis
• Begrenzung auf bestimmte Planungsaufgaben, -schritte und -gebiete
• Mangelhafte Unterstützung bei der Dimensionierung der zeitunabh. Größen
• Mangelhafte Unterstützung bei der analytischen Dimensionierung der
zeitabhängigen Größen
Bild 3: Schwächen existierender Rechnerwerkzeuge
zur Planung von Materialflusssystemen
MATVAR
Auf der anderen Seite existieren weitgehend durchgängige Programmpakete zur
Materialflussplanung. Da diese jedoch meist zur Bearbeitung von Problemstellungen
der Fabrikplanung bzw. Produktionslogistik dienen, liegt ihr Schwerpunkt auf der
Strukturplanung. Die Systemplanung behandeln sie entweder nur am Rande oder im
Rahmen der Feinplanung beim optionalen Entwerfen und Optimieren von Steuerungsstrategien
des Gesamtsystems mit Hilfe der Simulation. Eine analytische Grobdimensionierung
zeitabhängiger und zeitunabhängiger Größen der benötigten Materialflusssysteme
findet deshalb meist nicht statt.
Eine Zusammenfassung der oben genannten Schwachstellen existierender Rechnerwerkzeuge
zur Planung von Materialflusssystemen zeigt Bild 3.
4.1.3 Besonderheiten bei der Modellbildung
Bei der CAD-gestützten Modellbildung im Rahmen der Planung von flexiblen Materialflusssystemen
muss eine Vielzahl von Materialflussmitteln erzeugt, geändert, kopiert
und gelöscht werden. So können z.B. beim Erstellen von Planungsvarianten oft
ganze Teilbereiche anderer Varianten übernommen werden. Unterscheiden sich diese
Teilbereiche jedoch bezüglich einiger Parameter von der Ursprungsvariante, ist
ein aufwendiges Neuzeichnen der im Prinzip schon vorhandenen Lösung notwendig.
12-6

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Allgayer, F.: Computerunterstützte Planung von Materialflusssystemen
Individuelle
Vorgehensweise
des Planers
Variierende
Planungstiefe
Möglichkeit zur
optionalen Bearbeitung
notwendiger
Planungsschritte
Flexibilität
Projektspezifische
Planungsschritte
MATVAR
Bild 4: Flexibilität als Anforderung an eine durchgängige Rechnerunterstützung
4.2 Konzeption
4.2.1 Flexibilität und Modularität
Um die geforderte Planungssystematik in eine durchgängige Rechnerunterstützung
integrieren zu können, muss diese die einzelnen Planungsschritte aus Bild 2 durch
ihre Funktionalitäten unterstützen. Dabei soll der Planer nicht durch einen starren,
von der Rechnerunterstützung vorgegebenen Planungsablauf eingeschränkt werden.
Vielmehr muss sie die individuelle Planungsvorgehensweise verschiedener Planer
ermöglichen.
Abhängig von Art und Größe der Planungsprojekte kann die notwendige Planungstiefe
sehr stark variieren. Der Planer muss deshalb die Möglichkeit besitzen, eine
durchgängige Rechnerunterstützung in unterschiedlichen Planungstiefen einzusetzen,
wie z.B. als reine Zeichenhilfe für Transportmittel oder zur groben Auslegung
von Materialflusssystemen.
Je nach Planungsaufgabe und Planungsgebiet müssen meist nicht alle Planungsschritte
im Planungsablauf bearbeitet werden. So kann z.B. bei einer Neuplanung auf
eine Ist-Analyse verzichtet werden.
12-7

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Allgayer, F.: Computerunterstützte Planung von Materialflusssystemen
Modul 1
Durchgängige Rechnerunterstützung
Modul 2
Standardsoftware 1 Standardsoftware 2
Standardsoftware 3 Standardsoftware 4
Modul 7
Modul 5
Modul 3
Modul 8
Modul 6
Modul 4
MATVAR
Bild 5: Flexibles Modulkonzept zur Unterstützung der einzelnen Planungsschritte
Um die genannten Anforderungen zu erfüllen, muss eine durchgängige Rechnerunterstützung
die Möglichkeit bieten, die verschiedenen Planungsschritte optional zu
bearbeiten (Bild 4). Darüber hinaus muss auch die zeitliche Reihenfolge, in der die
für ein Planungsprojekt erforderlichen Schritte erledigt werden, in einem sinnvollen
Rahmen vom Planer frei wählbar sein.
Damit die geforderte Flexibilität gewährleistet werden kann, wird für die zu unterstützenden
Planungsschritte ein modulares Konzept entwickelt (Bild 5). Die einzelnen
Module entsprechen dabei im wesentlichen den in Bild 2 zusammengefassten Planungstätigkeiten
innerhalb der Planungssystematik und sollen den Planer beim Bearbeiten
der jeweiligen Planungsschritte von Routinetätigkeiten entlasten. Darüber
hinaus müssen sie weitgehend unabhängig voneinander aufrufbar sein, damit sie die
für unterschiedliche Planungsprojekte, Planungsvorgehensweisen und Planungstiefen
notwendige Flexibilität sicherstellen können.
Einige Grundfunktionalitäten zur Planung von Materialflusssystemen können bereits
durch kommerzielle Standardsoftware abgedeckt werden. Um die Anzahl der zu entwickelnden
Grundfunktionalitäten in angemessenen Grenzen zu halten, ist es deshalb
von großem Vorteil, die Planungsmodule auf Standardsoftware aufzubauen.
Zusammen mit dieser können sie dann zu einer durchgängigen Rechnerunterstützung
integriert werden.
12-8

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Allgayer, F.: Computerunterstützte Planung von Materialflusssystemen
Layouterfassung
Systemplanung
Externes CAD-System Externes
PPS-System
Datenbanksystem
Tabellenkalkulationssystem
CAD-Datei ASCII-Datei
CAD-System Datenbanksystem Ablaufsimulationssystem
Datenerfassung
Dimensionierung
Datendarstellung
Strukturplanung
Bewertung Ausschreibung
Datenerfassung
Textverarbeitungssystem
Überprüfung
Bild 6: Softwarekonzept einer durchgängigen Rechnerunterstützung
4.2.2 Softwarekonzept
MATVAR
Unter Berücksichtigung der genannten Ziele und der zu ihrem Erreichen entwickelten
Teilkonzepte kann das in Bild 6 dargestellte Softwarekonzept einer durchgängigen
Rechnerunterstützung abgeleitet werden. Es enthält sowohl die geforderte Planungssystematik
als auch das für eine flexible Planung notwendige Modulkonzept.
Darüber hinaus ist eine durchgängige Datenbasis in Form einer zentralen Datenbankanwendung
integriert, die die Verwendung eines durchgängigen Datenmodells
ermöglicht.
Auch das in Zusammenarbeit mit der ifp GmbH entwickelte Konzept, bei dem der
CAD-gestützte Teil des Planungswerkzeuges als Fördertechnikplanungstool einer
EDV-basierten Logistikplanung verwendet werden kann, lässt sich mit dem dargestellten
Softwarekonzept verwirklichen. Die hierfür gemeinsam definierten Schnittstellen
enthalten Daten zum Arbeitsplan und zur Stückzahl der Produkte, zu den vorhandenen
Betriebsmitteln, zum Layout, zu den eingesetzten Transportmitteln und
Transporthilfsmitteln sowie den sich ergebenden Transporten.
Prinzipiell ist ein Austausch der Planungsdaten zwischen dem Fördertechnikplanungstool
und der EDV-basierten Logistikplanung mit Hilfe von ASCII-Dateien über
das Datenbanksystem oder direkt über das CAD-System möglich. Im Rahmen von
MATVAR wird der Austausch der Daten direkt über das CAD-System realisiert.
12-9

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Allgayer, F.: Computerunterstützte Planung von Materialflusssystemen
Verwaltungsdaten:
• ID
• Bezeichnung
• Art
x-, y- und z-Koordinate
Einfügepunkt
z-Achse
Breite
y-Achse
x-Achse
Orientierungsgerade
Hauptmaße:
• x-, y- und z-Koordinate Einfügepunkt
• x-, y- und z-Koordinate Ausfahrtspunkt
• Breite
• Länge
• Orientierung zur x-Achse
• Orientierung zur xy-Ebene
Länge
x-, y- und z-Koordinate
Ausfahrtspunkt
Leistungsdaten:
• Fördergeschwindigkeit
• Minimaler Abstand der Transporteinheiten
• Einsatzzeit im Beobachtungszeitraum
Bild 7: Parametrische Objektbeschreibung eines Stetigförderer-Geradstückes
4.2.3 Parametrische Objektbibliothek
MATVAR
Wie die Analyse zeigt, müssen bei der CAD-gestützten Planung eine Vielzahl von
Materialflussmitteln editiert werden. Um den Planer von dieser zeitaufwendigen Routinetätigkeit
zu entlasten, ist ein konsequent parametrisches Konzept einer Objektbibliothek
erforderlich, das die Dimensionierung der geometrischen Abmessungen
tiefgreifend unterstützt. Bei dem geforderten Konzept werden die materialflusstechnischen
Objekte nicht nur durch gezeichnete Grafikelemente (Linien, Flächen, Volumenkörper
usw.), sondern auch durch ihre Hauptmaße beschrieben. Dazu erhalten
die Grafikelemente bei ihrer Erstellung die Hauptmaße als Attribute angehängt und
lassen sich über diese zu einem späteren Zeitpunkt identifizieren und editieren. Beim
Editieren werden im Hintergrund liegende Zeichenroutinen angestoßen, die aus den
Informationen der Hauptmaße wiederum die entsprechenden Materialflussobjekte
generieren. Bild 7 zeigt beispielhaft die parametrische Objektbeschreibung eines
Stetigförderer-Geradstückes. Neben Daten zur Objektverwaltung wie Transportmittel-ID,
Transportmittel-Bezeichnung und Transportmittel-Art werden auch die Hauptmaße
und Leistungsdaten des Materialflussobjektes zu seiner grafischen Darstellung
hinzugefügt. Es ist jedoch nicht erforderlich, sämtliche Maße einzugeben, die das
grafische Objekt beschreiben. Im vorliegenden Fall wird z.B. nur die Breite und die
Länge des Stetigförderers benötigt, die Höhe berechnet die im Hintergrund liegende
Zeichenroutine des Stetigförderers aus der Breite und einem konstanten Faktor.
12-10

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Allgayer, F.: Computerunterstützte Planung von Materialflusssystemen
Erzeugen
Löschen
Neuzeichnen
bzw. Ändern
Zeichnen mit
AutoCAD-
Grundfunktionalitäten
Einfügen von
zuvor erstellten
Blöcken
Einfügen von
parametrischen
Objekten
Befehlsaufrufe 5 3 1
Mausklicks 26 14 5
Eingabe von
Werten
9 9 7
Befehlsaufrufe 1 1 -
Mausklicks 3 2 -
Eingabe von
Werten
- - -
Befehlsaufrufe 5 3 1
Mausklicks 26 14 4
Eingabe von
Werten
9 9 2
Bild 8: Aufwandsvergleich zum Erzeugen und Ändern eines Stetigförderers
MATVAR
Die parametrische Beschreibung sollte sich jedoch nicht nur auf die Verwaltungsdaten
und die Hauptmaße beschränken, sondern auch die Leistungsdaten umfassen.
Diese werden zur Grobdimensionierung der Materialflusssysteme bezüglich ihrer
zeitabhängigen Größen auf Basis der geplanten statischen Materialflüsse benötigt.
Das parametrische Konzept der Objektbibliothek hat den Vorteil, beim Erzeugen,
Ändern und Kopieren von Materialflussmitteln auf bereits eingegebene Daten zurückgreifen
zu können. Gerade dadurch vereinfacht und beschleunigt sich das
Erstellen des Planungsmodells im Rechner ganz erheblich, da die gleichen Daten
nicht immer wieder von Hand in Dialogfelder eingegeben werden müssen. Die zeitaufwendigen
Routinetätigkeiten lassen sich auf ein Minimum reduzieren. Dies bestätigt
auch der in Bild 8 zusammengefasste Vergleich verschiedener Vorgehensweisen
zum Erzeugen, Positionieren und anschließendem Ändern eines Stetigförderers.
Die Änderung umfasst dabei die Länge und den Positionswinkel gegenüber der
xy-Ebene. Bei der ersten Vorgehensweise wird der Stetigförderer mit dem von Auto-
CAD zur Verfügung gestellten Funktionsumfang gezeichnet, bei der zweiten als bestehender
AutoCAD-Block eingefügt und bei der dritten mit der im Rahmen dieser
Arbeit entwickelten parametrischen Objektbibliothek erzeugt. Natürlich sind die angegebenen
Zahlen z.T. von den verwendeten Funktionalitäten und dem benutzten
CAD-Programm abhängig, sie zeigen jedoch recht deutlich, welches Einsparpotential
sich durch die Verwendung einer parametrischen Objektbibliothek nutzen lässt.
12-11

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Allgayer, F.: Computerunterstützte Planung von Materialflusssystemen
Quelle Funktionseinheit A
40 Transporteinheiten
mit Transportmittel 2
100 Transporteinheiten
mit Transportmittel 1 40 Transporteinheiten
mit Transportmittel 4
60 Transporteinheiten
mit Transportmittel 3
MATVAR
Senke Funktionseinheit B
Bild 9: Serielle und parallele Aufteilung von Transporten
4.2.4 Serielle und parallele Aufteilung von Transporten
Die Analyse der bereits existierenden computerunterstützten Planungshilfsmittel hat
gezeigt, dass eine analytische Dimensionierung der zeitabhängigen Größen der
Materialflusssysteme (Leistungsdaten) auf Basis der in der Strukturplanung ermittelten
und dargestellten statischen Materialflüsse, wenn überhaupt, nur am Rande
stattfindet.
Aus diesem Grund ist ein Konzept für eine Grobauslegung der Materialflusssysteme
zu erstellen, das den Planer in diesem Planungsschritt tiefgreifend unterstützt. Neben
den in der parametrischen Objektbibliothek definierten Leistungsdaten ist dazu auch
eine realistische Verknüpfung der Transporte mit Transportmitteln erforderlich. Hier
ist neben der Zuordnung des gesamten Transportaufkommens zwischen zwei Funktionseinheiten
zu einem einzigen Transportmittel auch die Möglichkeit zu schaffen,
die Transporte sowohl parallel (mengenmäßig) als auch seriell (streckenmäßig) aufzuteilen,
und die entstandenen Teiltransporte verschiedenen Transportmitteln zuzuweisen.
Bild 9 verdeutlicht diese Funktionalität in grafischer Form. Zunächst wird der
Transport von der Quelle der Funktionseinheit A zur Senke der Funktionseinheit B
seriell (streckenmäßig) auf die Transportmittel 1 und 3 aufgeteilt. Anschließend wird
der Transport mit Transportmittel 3 parallel (mengenmäßig) im Verhältnis 60:40 und
abschließend der Transport mit 40 Transporteinheiten nochmals seriell (streckenmäßig)
auf die Transportmittel 2 und 4 verteilt.
12-12

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Allgayer, F.: Computerunterstützte Planung von Materialflusssystemen
=> auf Grundlage der berechneten Auslastungen kann die
Dimensionierung der MF-Systeme verbessert werden
Ändern der
Leistungsdaten
einzelner
Transportmittel
Einfügen oder
Entfernen von
Transportmitteln aus
dem Planungsmodell
Bild 10: Dimensionierung der Materialflusssysteme
4.2.5 Statische Auslastungsberechnung
Teilweise
Neuzuordnung von
Transporten zu
Transportmitteln
MATVAR
Auf der Basis seiner Leistungsdaten und der ihm zugewiesenen Transporte kann
damit für jedes Transportmittel die Zeit berechnet werden, die es für Lastfahrten und
die Aufnahme und Abgabe der Last (Lasthandling) im Beobachtungszeitraum benötigt
(Berechnung über Geschwindigkeiten, Weglängen, Lastaufnahme- und -
Lastabgabezeiten und Anzahl der Transporte). Wird diese Zeit zu seiner Einsatzzeit
im Beobachtungszeitraum ins Verhältnis gesetzt, so ergibt sich die Auslastung aus
Lastfahrt und Lasthandling. Die Einsatzzeit ist dabei die Summe aus Bereitschaftszeit
und Betriebszeit.
Wie in Bild 10 zusammengefasst kann nun auf der Grundlage der berechneten Auslastungen
die Dimensionierung der Materialflusssysteme verbessert werden, indem
• die Leistungsdaten einzelner Transportmittel geändert werden,
• weitere Transportmittel in das Planungsmodell eingefügt oder bestehende entfernt
werden oder
• die Zuordnung der Transporte zu den Transportmitteln teilweise neu gestaltet
wird, so dass bestimmte Transportmittel stärker belastet, andere jedoch dafür
entlastet werden.
12-13

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Allgayer, F.: Computerunterstützte Planung von Materialflusssystemen
4.3 Entwicklung
Bild 11: Beispielhafte Anwendung des Planungswerkzeuges
MATVAR
Zur Umsetzung des Softwarekonzeptes nach Bild 6 muss eine anforderungsgerechte
Entwicklungsbasis zusammengestellt werden. So wird hierfür ein leistungsfähiger PC
unter Windows NT verwendet, als CAD-Plattform wird AutoCAD eingesetzt und die
Planungsbausteine selbst werden in AutoLISP programmiert.
Aufbauend auf den zuvor erläuterten konzeptionellen Beschreibungen werden im
Rahmen von MATVAR die auf dem CAD-System aufbauenden grundlegenden Planungsfunktionalitäten
(Planungsmodule) und die darin eingebetteten Planungsbausteine
zur Planung flexibler Materialflusssysteme umgesetzt.
4.4 Beispielhafte Anwendung des Planungswerkzeuges
Bild 11 zeigt das Groblayout des für die Verifizierung verwendeten Planungsprojektes.
Als Lager wird ein neues zweigassiges Hochregallager mit 1368 Stellplätzen für
Europaletten geplant. Die Vorzone besteht aus einem Verschiebewagen und einigen
Tragketten- und Rollenförderern. Für die außerhalb des Lagers und seiner Vorzone
abzudeckenden Transporte sieht die Planung einen Gabelstapler und einen elektrischen
Gabelhubwagen vor. An diesem einfachen Planungskonzept können die statischen
Auslastungsberechnungen des Planungswerkzeuges verifiziert werden.
12-14

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Allgayer, F.: Computerunterstützte Planung von Materialflusssystemen
[ schnelle und einfache Groblayouterstellung
[ keine Simulation bei einfachen Planungsprojekten
notwendig
[ frühzeitiges Erkennen simulationswürdiger Varianten
bei komplexen Planungsprojekten
[ höhere Planungssicherheit durch größere
Planungsgeschwindigkeit
Bild 12: Vorteile des entwickelten Planungswerkzeuges
5 Vorteile des entwickelten Planungswerkzeuges
MATVAR
Die im entwickelten Planungswerkzeug implementierten Funktionalitäten erlauben
ein schnelles Erstellen von Groblayouts und die Berechnung der statischen Auslastung
der enthaltenen Materialflusssysteme. Bei einfachen Planungsprojekten hat der
Planer somit ein Werkzeug an der Hand, um die Materialflusssysteme grob zu dimensionieren,
ohne eine aufwendige Simulation durchführen zu müssen. Bei komplexeren
Projekten kann er zu einem frühen Zeitpunkt erkennen, welche Planungsvarianten
simulationswürdig sind. Für diese Varianten stehen ihm dann bereits sinnvolle
Modell- und Eingangsdaten zur Verfügung. Damit ist sowohl bei einfachen als
auch bei umfangreichen und komplexen Planungsprojekten ein beträchtlicher Zeitgewinn
zu erzielen. Dieser eröffnet die Möglichkeit, mehr Planungsvarianten zu verfolgen
bzw. detaillierter zu betrachten, und erhöht dadurch die Planungssicherheit.
Die Vorteile des entwickelten Planungswerkzeuges zeigt zusammenfassend Bild 12.
12-15

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Allgayer, F.: Computerunterstützte Planung von Materialflusssystemen
6 Literatur
MATVAR
BAUMGARTEN U.A. 1997
Baumgarten, H.; Wiegand, A.: Logistiktrends und -strategien: Ergebnisse
einer aktuellen Umfrage. In: Hossner, R. (Hrsg.): Logistik Jahrbuch
1997. Düsseldorf: Verlagsgruppe Handelsblatt, 1997.
PFOHL U. A. 1999
Pfohl, H.-C.; Häusler, P.; Koldau, A.: Qualität distributionslogistischer
Leistungen: Empirische Ergebnisse aus Unternehmensbefragung und
Fallstudien. In: Hossner, R. (Hrsg.): Logistik Jahrbuch 1999. Düsseldorf:
Verlagsgruppe Handelsblatt, 1999.
12-16

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Dohmen, W.: Entwicklung von Produktionssystemen unter besonderer
Berücksichtigung des Schnittstellenaspektes
+TZ]OIQR[TM \UT
6XUJ[QZOUTYY_YZKSKT [TZKX
HKYUTJKXKX (KX„IQYOINZOM[TM JKY
9INTOZZYZKRRKTGYVKQZKY
*OVR /TM =OTLXOKJ *UNSKT
MATVAR
/TYZOZ[Z L„X =KXQ`K[MSGYINOTKT [TJ (KZXOKHY]OYYKTYINGLZKT
O]H
:KINTOYINK ;TO\KXYOZoZ 3„TINKT
(URZ`SGTTYZXG‹K
-GXINOTM
13-1

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Dohmen, W.: Entwicklung von Produktionssystemen unter besonderer
Berücksichtigung des Schnittstellenaspektes
1 Einleitung
MATVAR
Eine stärkere Kundenorientierung verbunden mit kürzeren Produktlebenszyklen und
einer wachsenden Zahl kundenspezifischer Aufträge verursachen eine stärkere Dynamik
in der Produktion. Verschärft wird diese Situation durch Bestrebungen innerhalb
der Unternehmen, Bestände abzubauen. Die unternehmensinternen Abläufe
und Strukturen müssen an diese geänderten Rahmenbedingungen angepasst werden.
Es besteht der Wunsch nach einer Verkürzung der Entwicklungs- und Inbetriebnahmezeiten
der Produktionssysteme (REINHART U. A. 1999).
Insbesondere müssen Umplanungen bezüglich Materialflussabläufen, Layout und
Menge in der Produktion ermöglicht werden. Eine schnellere Veränderung des Layouts
erlaubt es, die Fertigung an geänderte Randbedingungen anzupassen und so
zu jeder Zeit im optimalen Zustand arbeiten zu können.
Derzeit sind die notwendigen Anpassungsmaßnahmen, die durch eine Veränderung
des Materialflusses entstehen, sehr aufwendig und führen zu hohen Zusatzkosten
für Zwischensysteme zur Kopplung der Materialflusskomponenten. Dadurch ist eine
flexible Reaktion nur bedingt möglich.
Heutige Materialflusssysteme mit hohem Automatisierungsgrad bestehen aus einer
großen Anzahl mechanischer und elektronischer Komponenten, sowie der Software
zu deren Steuerung. Sie setzen sich aus einer großen Anzahl modularer Teilsysteme
zusammen, die über entsprechende Schnittstellen miteinander verbunden werden
müssen.
Bei diesen einzelnen Modulen sind sowohl die mechanischen Aspekte als auch die
der Elektrik und Software in ein technisches Gesamtsystem zu integrieren. Normalerweise
werden diese Bereiche aber völlig getrennt voneinander und sequentiell
entwickelt. Eine übergreifende Abstimmung wird bisher nur in geringem Maße
durchgeführt. Je komplexer die Anlage wird, desto deutlicher treten lange Entwicklungszeiten
und eine hohe Fehlerrate als Konsequenzen auf. Diese blockieren die
gewünschte Flexibilität und Wandlungsfähigkeit des strukturellen Aufbaus der Produktionsanlagen.
13-2

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Dohmen, W.: Entwicklung von Produktionssystemen unter besonderer
Berücksichtigung des Schnittstellenaspektes
Ortsveränderbarkeit
Kompatibilität
Mengenflexibilität
Produktflexibilität
Modularität
Anforderungen
Layout 1
Kinematik
Leistungsparameter
Systemhöhenbereich
Positioniergenauigkeit
Layout 2
MATVAR
Übertragungstechnik
Übertragungsgeschwindigkeit
Schreib-/Lesegeräte
Datenträger
Datenmenge
technische Param eter
Bild 1: Parameter im Problemfeld Flexibilität
2 Aufgabenstellung und Zielsetzung
Im dynamischen Produktionsumfeld sind häufige strukturelle Anpassungen der Produktionsstruktur
an geänderte Anforderungen notwendig. Dies führt zu Veränderungen
der Systemgrenzen innerhalb bestehender Systeme und zur Integration neuer
Systeme. Zum einen müssen hierfür neue Schnittstellen zwischen zusammenwirkenden
Modulen konzipiert werden und zum anderen erfordert die Veränderung des
Systems die neue Auslegung bestehender Schnittstellen bzgl. der Qualität und
Quantität der Schnittstellenleistung (Bild 1). Das Teilprojekt 5 hat die Zielsetzung, die
Aufwände in der Planung von technischen Systemen im Hinblick auf die Schnittstellen
zu reduzieren und eine größere Flexibilität zu ermöglichen. Dazu soll eine Entwicklungsvorgehensweise
unter besonderer Berücksichtigung der Schnittstellen zwischen
den Teilsystemen erarbeitet werden.
Eine wirkungsvolle Maßnahme innerhalb der Produktion ist die Erstellung eines Gesamtmaterialflusskonzeptes,
das die Möglichkeit für einen späteren Umbau bereits
von Anfang an vorsieht. Die Verwendung zukunftsweisender Techniken mit einem
modularen Aufbau verkürzen die Inbetriebnahmezeiten und machen schnelle Umgestaltungen
des Layouts möglich. Zusätzlich wird durch eine Vereinheitlichung der
Komponenten eine größere Flexibilität im Systemaufbau ermöglicht. In diesem Projekt
wurde ein Konzept und ein System zur Unterstützung des Planers entwickelt,
das die optimale Gestaltung von Schnittstellen im Hinblick auf eine hohe Änderungsflexibilität
ermöglicht.
13-3

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Dohmen, W.: Entwicklung von Produktionssystemen unter besonderer
Berücksichtigung des Schnittstellenaspektes
- Fördergutbeschreibung
- Fördersystem
- mit welchen anderen Systemen
ist eine Verknüpfung möglich
Planer
Bedienerschnittstelle
Informationen
über Materialflußkomponenten
Auswahlmethodik
Auswahlsystem
MATVAR
- kompatible Materialflusssysteme
mit Bewertung
- Gestaltung der Schnittstelle
- Vorschlag für Systemgrenzen
- Kompatibilitätsbreite
Bild 2: Planung der Materialbereitstellung
3 Anforderungen an die Schnittstellen
Es ergeben sich zwei Hauptanforderungen an die Materialflussschnittstellen. Umplanungen
können zur Folge haben, dass die Schnittstelle mit allen beteiligten Elementen
örtlich verlegt wird. Die zweite Möglichkeit ist, dass sich die Komponenten
der Schnittstelle ändern, beispielsweise ein Fördersystem durch ein anderes ersetzt
wird. Daraus lassen sich die beiden Forderungen Ortsflexibilität und Kompatibilität
ableiten (DÜRRSCHMIDT & DOHMEN 1997). Weitere Anforderungen, die aus dem Ziel,
Layoutumgestaltungen zu ermöglichen, entstehen, sind Mengen- und Produktflexibilität
der Einzelkomponenten. Oft wird versucht, diese Ziele durch die Modularität der
eingesetzten Materialflusssysteme zu erreichen (DECKER 1995). Um darüber hinaus
die Funktionsfähigkeit der Material- und Informationsübergabe zu garantieren, müssen
technische Randbedingungen erfüllt werden. Dazu gehört beispielsweise, dass
die geometrischen Abmessungen des übergebenden mit dem übernehmenden
System ineinander greifen müssen.
13-4

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Dohmen, W.: Entwicklung von Produktionssystemen unter besonderer
Berücksichtigung des Schnittstellenaspektes
Anforderungen an das Rechnerwerkzeug
Anwenderorientierung
Wandlungsfähigkeit
Geringer Systempflegeaufwand
Planungswerkzeug
Allgemeine
Beschreibungstechnik
Einfacher
Wissenserwerb
Transparenz des
Lösungsweges
Bild 3: Anforderungen an das Werkzeug
4 Anforderungen an das Werkzeug
MATVAR
Ziel ist eine auf die Bedürfnisse der Planer angepasste Unterstützung bei der Konzeption
von technischen schnittstellengeprägten Systemen. Hierfür wurde ein Werkzeug
entwickelt. Das konzeptionsunterstützende System muss besondere Anforderungen
erfüllen. Hierbei sollen gleichermaßen die Anforderungen aus dem Bereich
der mechanischen- wie der softwaretechnischen Schnittstellen berücksichtigt werden.
Bei der Entwicklung komplexer mechatronischer Produktionssysteme werden
die Zusammenhänge zwischen der mechanischen und der steuerungstechnischen
Planung der Modulschnittstellen nicht berücksichtigt. Es ist deshalb eine Grundanforderung
an die Analyse- und Konzeptionsphase, dass zwischen den Bereichen
Mechanik und Steuerungstechnik eine Interaktion stattfinden muss (AßMANN 1996).
Voraussetzung für diese Forderung ist die Fähigkeit, die im System- und Datenmodell
hinterlegten Informationen lesen und verarbeiten zu können. Hierzu müssen die
grafischen Informationen aus der mechanischen Systemstruktur in ein objektorientiertes
Modell überführt werden. D.h. die vom Entwickler geleistete Arbeit in der Form
der Systemstrukturierung muss in einem Softwaremodell abgebildet bzw. hinterlegt
werden. Der Steuerungsentwickler erweitert anschließend mit Hilfe eines Codegene-
13-5

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Dohmen, W.: Entwicklung von Produktionssystemen unter besonderer
Berücksichtigung des Schnittstellenaspektes
MATVAR
rators, der automatisch den Sourcecode zur Steuerung des technischen Systems
generiert, die Systemkomponenten um die Verhaltenseigenschaften.
Eine weitere wichtige Anforderung liegt in einer allgemeinen Beschreibungstechnik,
in der die Informationen nach einem geeigneten Standard abgebildet werden. Dabei
müssen die Anforderungen an die Notation aus den verschiedenen beteiligten Bereichen
berücksichtigt werden.
Entscheidend für die Akzeptanz ist ein geringer Aufwand bei der Pflege des im System
hinterlegten Wissens. Es müssen strukturelle Änderungen im Aufbau von Systemen
berücksichtigt werden. Das heißt, das hinterlegte Wissen über die Systemkonfiguration
muss an neue Gegebenheiten angepasst werden, ohne dabei strukturelle
Änderungen am Konzeptionssystem vornehmen zu müssen. Dies beinhaltet die
Forderung nach einer redundanzfreien Abbildung des Wissens, da nur dadurch eine
durchgängige Anpassung sichergestellt werden kann. Nicht nur die Pflege, sondern
auch der Erwerb des Wissens muss möglichst anwenderfreundlich gestaltet werden.
Dieser Wissenserwerb muss kontinuierlich unterstützt werden.
Der Einsatz eines solchen Systems ist aber nur dann von Vorteil, wenn die Kreativität
des Planers in keiner Weise eingeschränkt wird. Die Unterstützung darf keine
Problemlösungen implizieren oder zu einer gewissen Normierung der Konzepte führen,
vielmehr soll der Entwickler die Möglichkeit erhalten, auch unkonventionelle
Konzepte zu erproben (EHRLENSPIEL 1995). Die Verwendung nicht genormter Konstrukte
muss demnach bei der Beschreibung von Funktionen und Zuständen möglich
sein. Deswegen soll die Verwendung verschiedener Richtlinien oder Kataloge ermöglicht
und eine benutzerdefinierte Auswahl getroffen werden können. Die Kreativität
soll durch das System unterstützt werden.
Um eine kontinuierliche Planung zu ermöglichen und somit zur Komplexitätskompensation
auch im Rahmen der Produktionssystemplanung beizutragen, muss deshalb
die Planungsdauer, d.h. der Zeitraum vom Auftreten eines Problems bis zur
Umsetzung der Lösung, gravierend reduziert werden, und die Planungshäufigkeit,
d.h. die Häufigkeit des Erkennens von Problemstellungen und Lösungswegen, gravierend
erhöht werden (WESTKÄMPER 1997).
Die Planungsmethoden und -werkzeuge müssen weitere Anforderungen erfüllen. Sie
müssen in der Lage sein, wandlungsfähige Fertigungssysteme zu planen. Das bedeutet,
dass sie bei kurzfristig geänderten Anforderungen Unterstützung bieten.
Deswegen müssen diese Methoden und Werkzeuge selbst veränderlich sein. Das
Planungswerkzeug muss dazu aus einzelnen Modulen konfiguriert werden.
Es sollen fließende Übergänge zwischen den einzelnen Arbeitsschritten in der Entwicklung
bestehen. Dazu ist eine Durchgängigkeit zwischen den einzelnen Entwicklungsphasen
erforderlich.
13-6

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Dohmen, W.: Entwicklung von Produktionssystemen unter besonderer
Berücksichtigung des Schnittstellenaspektes
MATVAR
Der Ablauf der Planung muss sich eng an der Vorgehensweise des Planers orientieren
und nicht umgekehrt. Durch diese Anwenderorientierung kann die Effizienz des
Entwicklers gesteigert werden, ohne seine Vorgehensflexibilität einzuschränken. Eine
Steigerung der Effizienz soll dadurch erreicht werden, dass der Entwickler während
des gesamten Planungsablaufes von Routineaufgaben entlastet wird.
Bei Systemen, welche den Anwender bei Planungsaufgaben unterstützen und deshalb
je nach Art des zu lösenden Problems verschiedene Wege gehen, muss nachvollziehbar
sein, welcher Weg verfolgt wurde. Eine weitere wichtige Anforderung ist
demnach die Transparenz des Lösungsweges.
Basierend auf diesen Anforderungen wurde das nachfolgend beschriebene Konzept
entwickelt.
5 Konzept
5.1 Analyse und Auswahl von Materialflussschnittstellen
Grundlage der Auswahlmethodik ist eine Analyse der Kombinationsmöglichkeiten
verschiedener Materialflusssysteme für das übergebende mit dem übernehmenden
System. Dazu wird eine Klassifizierung der existierenden Materialflusssysteme vorgenommen.
Die Gruppen werden nach Kriterien eingeteilt wie beispielsweise Arbeitsweise
(stetig/unstetig) oder Arbeitsraum (flurfrei/flurgebunden). Im ersten Schritt
der Auswahlmethodik wird für ein vorgegebenes Fördermittel ermittelt, mit welchen
anderen Gruppen eine Verknüpfung möglich ist. Diese Analyse erfolgt nach dem
Prinzip der Nutzwertanalyse und liefert dementsprechend als Ergebnis eine gewichtete
Bewertung der Alternativen. Hier erkennt der Planer, welche Materialflusssysteme
er neben dem von ihm als Grundsystem vorgegebenen in dem Gesamtmaterialflussnetz
einsetzen darf, um Kompatibilität garantieren zu können. Im zweiten Schritt
der Auswahlmethodik wählt der Planer eine der ermittelten Kombinationen aus und
detailliert seine spezifischen Anforderungen für diese Schnittstelle. Unter Angabe
zusätzlicher Informationen, wie beispielsweise notwendiger Handhabungsfunktionen
oder den Aufgaben bei der Informationsübertragung, wird der Aufwand zur Gestaltung
der Schnittstelle beschrieben. Das Ergebnis dieses Schrittes ist die Erläuterung
von benötigten Zusatzeinrichtungen, z.B. Datenträger oder Sortiereinheit und ggf.
auch Veränderungsvorschläge an den die Schnittstelle definierenden Materialflusselementen
z.B. Wegfall eines Förderbandes. Ferner wird eine Bewertung des Aufwands
für die Integration ermittelt.
Neben der kompatiblen Integration zusätzlicher Materialflusselemente in ein bestehendes
System soll auch eine sinnvolle Materialflussnetzplanung unterstützt werden.
Dabei hilft dem Systemplaner die Klassifizierung der Materialflusselemente in Hinblick
auf ihre Schnittstellen. Er erhält er einen Überblick über die Kompatibilitäts-
13-7

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Dohmen, W.: Entwicklung von Produktionssystemen unter besonderer
Berücksichtigung des Schnittstellenaspektes
MATVAR
breite zu anderen, zukünftig möglicherweise zum Einsatz kommenden Materialflusselementen,
und den Einfluss möglicher Veränderungen des Fördergutes bzw. des
Transporthilfsmittel auf die Materialflusssystemgrenzen abschätzen.
Nach Durchlaufen der verschiedenen Schritte der Auswahlmethodik verfügt der Planer
über alle nötigen Informationen zur Gestaltung einer Schnittstelle, die flexibel
hinsichtlich Layoutänderungen ist. Damit schafft dieser Schritt die Grundlage für die
Planung eines dynamischen Materialflussnetzes.
5.2 Vorgehensmodell für die Systemkonzeption
Iteratives Vor- oder Rückspringen möglich
1
2
3
4
5
Arbeitsphase Wissensbasis Arbeitsergebnis
Ermitteln von Teilfunktionen
und Funktionsstrukturen
Lösungsprinzipien
Wirkprinzipien
gestalten
Bewerten und Auswahl
treffen - konkretisieren
Komponenten verbinden
“Allgemeine
Funktion”
“Physikalische
Effekte”
“Wirkmechanismen”
“Wirkmechanismen”
“Betriebsmittel”
Bild 4: Vorgehensmodell für die Systemkonzeption
Funktionsstruktur
Wirkprinzip
Wirkstruktur,
Klassendiagramm
Strukturelemente
Komponentenstruktur
Der Vorgehensplan für die hier vorgestellte Methode umfasst 5 Arbeitsphasen. Die
Arbeitsergebnisse der Phasen werden durch den Einsatz der Datenverarbeitung mit
zusätzlichen Informationen schneller und effizienter erstellt. Die einzelnen Phasen
können je nach Bedarf zusammengefasst werden. Die Reihenfolge der Entwicklungsphasen
ist nicht starr, sondern es wird ein Zurückspringen auf die vorhergehende
Arbeitsphase unterstützt. Dieses iterative Vorgehen dient der schrittweisen
Verfeinerung von Konzepten. Die Bearbeitung der einzelnen Arbeitsphasen bzw. der
13-8

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Dohmen, W.: Entwicklung von Produktionssystemen unter besonderer
Berücksichtigung des Schnittstellenaspektes
MATVAR
Arbeitsumfang ist abhängig von der jeweiligen Problemstellung und kann je nach
dem Schwerpunkt im Planungsvorgehen skaliert werden.
Zunächst wird dazu das geplante technische System in seiner Funktionalität mittels
Funktionsstrukturen modelliert und strukturiert. Dabei wird die Funktionsstruktur,
ausgehend von den Anforderungen aus dem Lastenheft, hierarchisch immer weiter
verfeinert. In einer zweiten Phase werden die technischen Systemkomponenten und
deren Abhängigkeiten modelliert. Dabei können sowohl geometrische als auch funktionale
Abhängigkeiten definiert werden. Bei der Systemstrukturierung besteht die
Möglichkeit, auf eine dahinter liegende Datenbank von technischem Wissen zuzugreifen.
Die Datenbank enthält Funktionen aus verschiedenen technischen Bereichen
z. B. aus der Handhabungs-, Roboter- und Montagetechnik. Der zweite Bereich
der Systemdatenbank umfasst die Betriebsmittel. Hier sind die Betriebsmittel nach
Gruppen geordnet gespeichert. Ein mehrstufiges Klassifizierungssystem ermöglicht
die Auswahl von Betriebsmitteln nach den Kriterien Funktionserfüllung, Leistung,
Wirtschaftlichkeit und Schnittstellenbeschreibung. Das realisierte grafische kombinierte
Analyse- und Konzeptionswerkzeug hilft dem Planer eines technischen Systems,
mittels Bewertungsfunktionen, z. B. für die Integrationseigenschaften von
Modulen, software-gestützt Konzeptentscheidungen zu treffen. Neben dem Kriterium
der Funktionserfüllung werden funktionsspezifische Parameter für diese Entscheidungen
herangezogen.
5.3 Systemstruktur des Werkzeuges
Für die Planung mit der Unterstützung eines Computers bedarf es ein ausreichend
detailliertes Datenschema, um das erforderliche Modell zu generieren. Es muss
möglich sein, das technische System bis hinunter auf die Ebene von einzelnen Operationen
abzubilden (REINHART 1995). Der strukturelle Aufbau des integrierten System-
und Datenmodells folgt aus dem vorgestellten Vorgehen. Danach ergeben sich
gemeinsame zwischen der mechanischen- und dem softwaretechnischen Schnittstellenbeschreibung
bei der Aufstellung von Funktionsstrukturen und der anschließenden
Modellierung der technischen Systemkomponenten zu einer Struktur. Dafür
umfasst das integrierte System- und Datenmodell die Phasen Ermitteln von Funktionsstrukturen
und Zuordnung. Damit die restlichen Phasen nicht unzugänglich werden,
wird das sie betreffende Wissen in einer Datenbank hinterlegt. In Bild 4 ist das
integrierte System- und Datenmodell durch den grau hinterlegten Kasten abgegrenzt.
Die Funktions- und Komponentenstrukturen werden mit Hilfe der Informationen aus
der Datenbank modelliert.
13-9

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Dohmen, W.: Entwicklung von Produktionssystemen unter besonderer
Berücksichtigung des Schnittstellenaspektes
bewerten
modellieren
Anforderungen
fließt mit
ein
Abstrahieren
findet Funktionen
aus Anforderungen
findet Komponenten
aus Anforderungen
Technisches
Wissen
Datenbank_2
5.4 Abhängigkeiten
Technisches
Wissen
Datenbank_1
Komponenten nach
technischen Gruppen
geordnet
Planer
bewerten
modellieren
Funktionen
findet Komponenten
aus Funktionen
Funktionen nach
technischen Gruppen
geordnet
Systemgrenze
Bild 5: Systemstruktur des Werkzeuges
Technisches
Wissen
Datenbank_3
bewerten
modellieren
MATVAR
Komponenten
Lösungsprinzipien
Physikalische Effekte
Wirkprinzipien
Komponenten nach
technischen Gruppen
geordnet
Für die Auswahl der Systemkomponenten müssen verschiedene Fälle unterschieden
werden. Grundsätzlich gibt es drei Arten von Abhängigkeitsbeziehungen (siehe
Bild 6). Im einfachsten Fall ist die Auswahl einer Komponente - unbeeinflusst von
anderen Auswahlentscheidungen - direkt von der Funktion abhängig. Eine andere
Art der Abhängigkeit zeigt sich bei Komponenten, deren Auswahl von bereits im
System enthaltenen Komponenten abhängt. Darüber hinaus existieren Komponenten,
deren Auswahl sowohl von bereits eingesetzten Anlagenkomponenten als auch
direkt von der Funktion abhängen.
Wenn funktional entkoppelte Komponenten vorliegen, reduziert sich die Problematik
auf ein Auswahlproblem innerhalb der Repräsentanten einer Komponente. Es müssen
allerdings die Schnittstellen zu anderen Komponenten berücksichtigt werden
(KORN 1996). Aus diesem Grund ist die Darstellung der Schnittstellen bei der Komponentenauswahl
ein weiterer grundlegender Bestandteil der Konzeptionsmethode.
13-10

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Dohmen, W.: Entwicklung von Produktionssystemen unter besonderer
Berücksichtigung des Schnittstellenaspektes
Abhängigkeiten bei
der Komponentenauswahl
Beispiele
Funktionsmerkmale
Komponente
Auswahl der Komponente ist
abhängig von der Funktion
Positionieren v
Roboter
m
Auswahl des Roboters ist
abhängig von der Funktion
und funktionsspezifischen
Attributen
Komponenten
Komponente Komponente
Auswahl der Komponente
ist abhängig von
anderen Komponenten
Roboter
Greifer
Auswahl des Greifers ist
abhängig vom
ausgewählten Roboter
Funktionsmerkmale
Auswahl der Komponente ist
abhängig vom der Funktion
und von anderen Komponenten
Funktion
Steuerung
MATVAR
Komponenten
Roboter
Auswahl der Steuerung ist
abhängig von ausgewähltem
Roboter und von der
erforderlichen Funktionalität
Bild 6: Abhängigkeiten bei der Komponentenauswahl
6 Realisierung des Planungswerkzeuges
6.1 Struktur des Werkzeuges
Das Planungswerkzeug setzt die vorgestellte Planungsvorgehensweise um. Der
Ausgangspunkt sind die vom Planer erstellten Funktionsstrukturen. Im nächsten
Schritt werden die einzelnen Funktionen realisiert. Dazu müssen für die Funktionen
physikalische Effekte ermittelt werden, die zu Wirkstrukturen kombiniert werden.
Dem Entwickler muss dafür die Möglichkeit gegeben werden, einzelne oder mehrere
zusammenhängende Funktionen auszuwählen, um entsprechende Lösungen aus
der Datenbank ermitteln zu lassen. In der Datenbank müssen dabei sämtliche zusammenhängenden
Informationen über Effekte, Wirkprinzipien, Systemkomponenten
usw. aus Katalogen gespeichert sein. Durch einen speziellen Suchalgorithmus
werden die Effekte für die ausgewählten Funktionen intern gefiltert. Als Ergebnis erhält
der Benutzer Wirkprinzipien, die zu einer Wirkstruktur kombiniert sind. Daraus
werden die prinzipiellen Lösungen ermittelt. Diese werden in einem nächsten Schritt
bewertet. Der Benutzer befindet sich dabei immer noch im Wissensspeicher und
kann in einem letzten Schritt die Systemkomponente auswählen, die die Anforderungen
erfüllt und die Funktion realisiert.
13-11

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Dohmen, W.: Entwicklung von Produktionssystemen unter besonderer
Berücksichtigung des Schnittstellenaspektes
Anfordg.
editieren
Funktionen
Funktion_1
Funktion_2
.
.
.
Funktion_n
Funktionsstruktur_1
Funktionsstruktur_2
.
.
.
Funktionsstruktur_n
bildet mit
Zuständen
und Relationen
Hierar. Struktur
ruft auf
erzeugt
Komponente
Datenbank
abstrakte Komponente
nach technischen
Gruppen sortiert
symbolische Darstellung
möglich
Auswahl der Komponente
nach der
Funktion
Spezifizierung der
Komponente
Informationsbrücke
Schnittstelle Komponente
erzeugt
editieren
Bild 7: Struktur des Planungswerkzeuges
Komponenten
Komponente_1
Komponente_2
.
.
.
Komponente_n
Hierar. Struktur
Komponenten struktur_1
Komponenten struktur_2
.
.
.
Komponenten struktur_n
MATVAR
bildet mit
Dependenzen
Die Datenbank gliedert sich in zwei Ebenen. In der ersten Ebene erhält man die gewünschten
Wirkstrukturen und in der zweiten Ebene aus den prinzipiellen Lösungen
eine konkrete Lösung. Dabei entscheidet der Benutzer den Detaillierungsgrad der
Realisierung. Die Komponenten können zur besseren Veranschaulichung mit Symbolen
dargestellt werden. Nachdem die Komponente erzeugt worden ist, wird sie zu
den ausgewählten Funktionen hinzugefügt. Der Planer erhält eine Übersicht welche
funktionalen Bereiche seines Systems mit welchen Betriebsmitteln realisiert werden.
In einer zweiten Sicht können die Komponenten alleine weiter modelliert werden.
Hier besteht die Möglichkeit, die Schnittstellen zwischen den einzelnen Komponenten
zu beschreiben.
13-12

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Dohmen, W.: Entwicklung von Produktionssystemen unter besonderer
Berücksichtigung des Schnittstellenaspektes
Teilfunktion Elementarfunktion
Zusammengesetzte
Funktionen
Handhaben
VDI 2860
Speichern Mengen Bewegen Sichern Kontrollieren
verändern
geordnetes
Speichern
Teilen
Vereinigen
Drehen
Verschieben
Halten
Lösen
Prüfen
Verzweigen Schwenken Spannen Messen
Bild 8: Teilfunktionen des Handhabens und deren Gliederung
6.2 Systemdatenbank
MATVAR
Mit dem Zugriff auf die technische Datenbank soll der Planer bei Tätigkeiten, wie der
Informationsbeschaffung unterstützt werden. Die Datenbank enthält Funktionen aus
verschiedenen technischen Bereichen, z.B. aus der Handhabungs-, Roboter- und
Montagetechnik. Zusätzlich ist es möglich, die einzelnen Funktionen mit Symbolen
zu konkretisieren. Bei der Modellierung der Symbolfolge ist auf eine normgerechte
Beschreibung geachtet worden, wobei die Datenbank auch eine benutzerdefinierte
Schnittstelle bereitstellt. Mit der VDI-Richtlinie 2860 (VDI 1993) stehen Funktionen
aus den Bereichen der Handhabungstechnik zur Verfügung. Darin werden die zusammengesetzten
Funktionen Speichern, Mengen verändern, Bewegen, Sichern
und Kontrollieren in Elementarfunktionen unterteilt. Diese sind in der Datenbank mit
den entsprechenden Symbolen abgebildet.
Der zweite Bereich der Systemdatenbank umfasst die Betriebsmittel. Hier sind die
Betriebsmittel nach Gruppen geordnet gespeichert. Ein mehrstufiges Klassifizierungssystem
ermöglicht die Auswahl von Betriebsmitteln nach den Kriterien Funktionserfüllung,
Leistung, Wirtschaftlichkeit und Schnittstellenbeschreibungen. Die Datenbank
kann vom Benutzer erweitert werden.
13-13

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Dohmen, W.: Entwicklung von Produktionssystemen unter besonderer
Berücksichtigung des Schnittstellenaspektes
2
Komponenten-
Struktur
Statische Struktur
(Aktoren)
Anforderungen
1
Funktionsstruktur
3 4
möglich
Laufrichtungswechsel
(iteratives Vorgehen)
Dynamisches
Verhalten
(StateMachine)
MATVAR
Bild 9: Durchgängiger iterativer Prozess zwischen der Analyse- und Konzeptionsphase
6.3 Durchgängigkeit in den Phasen Analyse und Design
Der vorgestellte Ansatz dient auch dazu, die informatorischen Schnittstellen zwischen
den Teilsystemen zu modellieren. Deswegen sind Schnittstellen zwischen der
Konzeptionsphase und der Analyse- und Designebene in der Softwareentwicklung
im Entwicklungswerkzeug ausgebildet. Ausgangspunkt für die Betrachtung ist die in
Bild 9 dargestellte Vorgehensweise einer methodischen Analyse und Konzeption mit
den beiden Sichten Verhalten und Struktur. Es wird zunächst die Funktionsstruktur
aus den Anforderungen modelliert und im Anschluss daran die Komponentenstruktur.
Aus der Komponentenstruktur können die einzelnen Komponenten auf der Designebene
zu Aktoren modelliert werden. Die Aktoren werden auf der Designebene
zu einem Feinkonzept modelliert, das das dynamische Verhalten der Komponenten
in Form von Zustandsautomaten enthält.
13-14

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Dohmen, W.: Entwicklung von Produktionssystemen unter besonderer
Berücksichtigung des Schnittstellenaspektes
Bild 10: Benutzerschnittstelle des Werkzeuges
6.4 Funktionalität des realisierten Werkzeuges
MATVAR
Die Methodik wurde in einem Planungswerkzeug realisiert. Es ist objektorientiert und
läuft auf dem Windows NT Betriebssystem.
Das entwickelte Rechnerwerkzeug unterstützt den dargestellten Planungsprozess in
der Analyse und Konzeptphase und bietet neben grafischen Editiermöglichkeiten für
die Funktions- und Komponentenstruktur eine Datenbasis zur Ablegung des Systemwissens
und Algorithmen, die die Identifizierung und Auswahl sowohl von Funktionen
als auch Komponenten ermöglichen. Die grafische Oberfläche erlaubt die Verwendung
von Symbolen und dadurch einen frühen Einstieg in die Planung ohne
konkrete Produkt- und Betriebsmittelgeometrien. Zusätzlich zur grafischen Darstellung
der Funktionsstruktur und der Komponentenstruktur werden die Zusammenhänge
als Strukturbaum angezeigt. Der Entwickler erstellt dabei rechnergestützt ein
grafisches Systemmodell. Es besteht die Möglichkeit, direkt zwischen der Funktionsstruktur
und der Komponentenstruktur umzuschalten. Die Funktionsstrukturansicht
erlaubt die Visualisierung der Zuordnung der Komponenten zu den Funktionen. Im
Hintergrund befindet sich eine MS-Access Datenbank mit dem Entwicklungswissen.
Hier sind die möglichen Funktionen, deren Darstellung und die Betriebsmittel gespeichert.
Das Hauptfenster beinhaltet gemäß Bild 10 eine Menüleiste und eine Symbolleiste
für die Verwaltung der Daten, eine Symbolleiste für die Erstellung der Funktions- und
13-15

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Dohmen, W.: Entwicklung von Produktionssystemen unter besonderer
Berücksichtigung des Schnittstellenaspektes
MATVAR
Komponentenstrukturen, zwei Registerkarten mit der jeweiligen Baumstruktur für die
Funktionen und Komponenten. Mit Hilfe des Menüpunktes File können Programme
geladen, gespeichert und geschlossen werden. Der Menüpunkt Edit erlaubt das
Ausschneiden, Kopieren und Einfügen von Funktionen und Komponenten. Mit Hilfe
des Menüpunktes View können die Strukturen auf den beiden Editorarten vergrößert
und verkleinert werden. Zusätzlich können die Symbolleisten und die Baumstrukturen
ausgeblendet werden.
Über die Registerkarten kann der Anwender zwischen Funktions- und Komponentenstruktur
wechseln und in dem jeweiligen Baum durch Doppelklick mit der Maus
den entsprechenden Editor öffnen.
6.5 Einsatzbeispiel
Das realisierte Planungswerkzeug wurde bei der Planung einer Anlage für die Montage
von formlabilen Dichtungen im Bereich der Modellfabrik des iwb eingesetzt.
Diese Anlage beinhaltet neben dem eigentlichen Fügeprozess eine Anzahl von
Handhabungs- bzw. Transportvorgängen. Hier wurde der mehrstufigen Aufbau von
hierarchischen Funktionsstrukturen zur Problemanalyse und Konzeption erprobt. Eine
Betriebsmitteldatenbank mit dem Schwerpunkt im Bereich von Systemen für die
Handhabungstechnik stellt die Wissensbasis für den Übergang vom funktionalen
Modell zur Komponentenstruktur dar. Wie es sich bei der beschriebenen Anlage um
ein modularisierbares System mit Funktionstrennung zwischen den Teilsystemen
handelt, entfiel der Planungsschritt der physikalischen Wirkprinzipien zugunsten einer
umfassenden Schnittstellenbeschreibung im Komponentensystem. Die Anlage
ließ sich aus den Einzelkomponenten konfigurieren, indem die Betriebsmittel direkt
den Funktionsblöcken zugeordnet wurden. Das abgeleitete Verhaltensmodell der
Schnittstellen der Einzelmodule bot die Basis für die Entwicklung der Steuerungssoftware.
13-16

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Dohmen, W.: Entwicklung von Produktionssystemen unter besonderer
Berücksichtigung des Schnittstellenaspektes
7 Zusammenfassung
MATVAR
Im ersten Schritt wurden Materialflussschnittstellen hinsichtlich ihres Aufbaus ihrer
Komponenten und ihrer Funktionsweise analysiert und daraus Anforderungen und
Flexibilitätskriterien, sowie Schnittstellenparameter von Systemen im dynamischen
Produktionsumfeld abgeleitet. Aufbauend auf diesen Ergebnissen, wurde eine Planungsvorgehensweise
zur Ausbildung und Bewertung von Schnittstellensystemen in
technischen Anlagen sowie eine darauf abgestimmte Beschreibungstechnik für
Systemkomponenten und deren spezifischen Eigenschaften erarbeitet. Die Beschreibungstechnik
dient der Abbildung von systematisierten Informationen der
Komponenten, um eine vereinheitlichte mechanische und steuerungstechnische
Planung unter dem Gesichtspunkt der Minimierung der Aufwände für die Schnittstellenplanung
zu unterstützen.
Der beschriebene Ansatz der Planung mit Unterstützung durch ein Rechnerwerkzeug
ermöglicht eine integrierte Systemplanung unter Berücksichtigung der mechanischen
und steuerungstechnischen Systemschnittstellen. Grundlegender Baustein
der hierfür entwickelten Methodik ist eine kombinierte Analyse- und Konzeptionsphase.
Diese basiert auf einem Systemmodell für Struktur, Geometrie und Verhalten,
das von den verschiedenen Bereichen als gemeinsame Grundlage für die weitere
Entwicklung verwendet werden kann. Das realisierte Konzeptionswerkzeug hilft dem
Planer eines technischen Systems, unter Verwendung einer Wissensbasis und durch
die Unterstützung von Bewertungsfunktionen softwaregestützt Konzeptentscheidungen
zu treffen.
13-17

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Dohmen, W.: Entwicklung von Produktionssystemen unter besonderer
Berücksichtigung des Schnittstellenaspektes
8 Literatur
MATVAR
AßMANN 1996
Aßmann, S.: Methoden und Hilfsmittel zur abteilungsübergreifenden
Projektierung komplexer Maschinen und Anlagen. Aachen: Shaker
1996.
BULLINGER & AMMER 1986
Bullinger, H-J. ; Ammer, D.: Systematische Montageplanung. München:
Carl Hanser, 1986.
BOOTHROID & RADOVANOVIC 1989
Boothroyd, G.; Radovanovic, P.: Estimating the cost of machined components
during the conceptual design of a product, Annals of the CIRP
Vol. 38/1/89, S. 157.
DECKER 1995
Decker, F.: Methoden und Systeme zur Planung und Steuerung von
Fertigungsinseln. In: Fertigungsinseln - Planung, Einführung und Betrieb.
Seminarunterlagen iwb der TU München, 1995.
DÜRRSCHMIDT & DOHMEN 1997
Dürrschmidt, S.; Dohmen, W.: Wandlungsfähig im Layout. Logistik
Heute 11-97, S. 61-63.
EHRLENSPIEL 1995
Ehrlenspiel, K.: Integrierte Produkterstellung - Methoden für Prozessorganisation,
Produkterstellung und Konstruktion. München: Carl Hanser,
1995.
EVERSHEIM 1981
Eversheim, W.: Organisation in der Produktionstechnik - Band 1:
Grundlagen. Düsseldorf: VDI-Verlag 1981.
FRICKE 1985
KORN 1996
Fricke, W.: Rechnergestützte Planung von Übergabesystemen zwischen
Transport und Fertigung. Fortschritt Berichte, VDI Reihe 2 Nr.
106, Düsseldorf: VDI-Verlag, 1985.
Korn, G. H.: Informationssysteme als Mittel der Entscheidungsfindung
während des Produktentstehenungsprozesses. Essen: Vulkan 1996.
RAASCH 1991
Raasch, J.: Systementwicklung mit Strukturierten Methoden: Ein Leitfaden
für Praxis und Studium. München: Hanser, 1991.
13-18

Abschlussbericht (2000): MATVAR
Dohmen, W.: Entwicklung von Produktionssystemen unter besonderer
Berücksichtigung des Schnittstellenaspektes
REFA 1987
MATVAR
REFA, Verband für Arbeitsstudien und Betriebsorganisation e.V.
(Hrsg.): Planung und Gestaltung komplexer Produktionssysteme. München:
Carl Hanser, 1987. (Methodenlehre der Betriebsorganisation).
REINHART & KÖHNE 1996
Reinhart, G.; Köhne, T.: Design of Autonomous Manufacturing Systems.
In: Gill, R. (Hrsg.); Syan, C. S. (Hrsg.): CAD/CAM Robotics and
the Factories of the Future, London. London: Middlesex University
Press, 1996, S. 526-531.
REINHART U. A. 1999
Reinhart, G.; Hirschberg, A.; Grunwald, S.: Turbulentes Umfeld zwingt
Unternehmen zum Wandel. iwb newsletter 6 (1998) 4, S. 1-2.
SCHNEIDER & GALLASCH 1997
Schneider, B.; Gallasch, A.: Modellfabrik - viel mehr als ein Spielzeug.
Die neue Fabrik 1997. mi-Sonderpublikation. Landsberg: Verlag moderne
Industrie, 1997, S.18-19.
TÖNSHOF & LANGE 1992
Tönshoff, H.; Lange, V.: Fertigungsanlagen wissensbasiert entwerfen.
ZwF 87/6, 1992, S. 314-318.
VDI 1990
VDI 1993
VDI 1997
WECK 1995
VDI-Richtlinie 2860: Montage- und Handhabungstechnik; Handhabungsfunktionen,
Handhabungseinrichtungen; Begriffe, Definitionen,
Symbole. Düsseldorf: VDI-Verlag, 1990.
VDI-Richtlinie 2221: Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer
Systeme und Produkte. Düsseldorf: VDI-Verlag, 1993.
VDI-Richtlinie 2222, Blatt 1: Konstruktionsmethodik – Methodisches
Entwickeln von Lösungsprinzipien. Düsseldorf: VDI-Verlag, 1997.
Weck, M.: Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme - Band 3.1 Automatisierungs-
und Steuerungstechnik 1. Düsseldorf: VDI-Verlag, 1995.
WESTKÄMPER U. A. 1997
Westkämper, E.; Briel, R.; März, L.: Planung in dynamischen Produktionssystemen.
ZwF 92 (1997) 12, S. 639-642.
13-19