Analyse des Paradigmenwechsels von der Produktionsplanung zur simulationsbasierten Planung

In den langen Jahrhunderten seiner Existenz hat der Mensch stets Materialien und Produkte für bestimmte Zwecke hergestellt. Doch an der Wende zum^17. Jahrhundert geschah etwas Interessantes. Der Mensch baute zum ersten Mal industrielle Anlagen und läutete damit das Zeitalter der Industrialisierung ein. Dieses Zeitalter brachte größere Anlagen mit sich, die sich mit jedem Aspekt des Produktionslebenszyklus befassten, wie wir ihn heute kennen. Mit diesen großen Anlagen kam die Notwendigkeit, Hunderte von Arbeitern, den Transport von Materialien und die Produktionsschritte für ein Produkt zu verwalten. Und bereits um 1800 wurde der Bedarf an Methoden zur Produktionsplanung deutlich.

Dieser Bedarf führte zur Entwicklung wissenschaftlicher Managementprozesse durch legendäre Persönlichkeiten wie Henry Gantt. In den 1800er Jahren wurden Diagramme und manuelle Datenerfassungstechniken eingeführt, um die Herausforderungen der Produktionsplanung zu bewältigen. Obwohl diese Lösungen mit den damaligen Industrieanlagen und -einrichtungen perfekt funktionierten, wurden sie durch die Fortschritte in der Produktionstechnologie Anfang 1900 überflüssig.

In den 80er Jahren wurde die Produktionsplanung als Planungsprozess definiert, der sicherstellt, dass die Rohstoffe und Produktionskapazitäten innerhalb einer Anlage optimal zugewiesen werden, um die Nachfrage zu decken. Mit der Zeit wurde diese Definition aktualisiert, um den komplexen Kompromissen zwischen konkurrierenden Prioritäten und den Hunderten von unterschiedlichen Beziehungen, die in den Fertigungshallen auftreten, Rechnung zu tragen.

Um diese komplexen Kompromisse und Produktionsvariablen zu bewältigen, wurden fortschrittliche Planungs- und Produktionssteuerungssysteme entwickelt. Diese Systeme oder Lösungen wurden liebevoll APS-Lösungen genannt und berücksichtigten die für einen Produktionszyklus verfügbaren Materialien, die verfügbaren Arbeitskräfte und die Produktionskapazität. APS-Systeme bewältigten erfolgreich die Planung komplexer Produktionsprozesse, indem sie einen beschränkungsbasierten Ansatz für die Planung anwandten. So erstellten diese Werkzeuge Zeitpläne für:

• Kapitalintensive Produktionsprozesse, bei denen Beschränkungen wie Ausrüstung und Anlagenkapazität zu berücksichtigen waren
• Produktionsprozesse, bei denen Hunderte von Komponenten bei der Herstellung des Produkts zusammengebaut werden müssen.
• Produktionsprozesse mit wechselnden Zeitplänen, die zu Beginn des Prozesses nicht vorhersehbar waren.

Der Erfolg der Produktionsplanungssysteme führte auch zur Gründung von Hunderten von Unternehmen, die APS-Lösungen und -Dienstleistungen zur Erleichterung komplexer Planungsaktivitäten anbieten. Der Erfolg der Produktionsplanungssysteme führte auch zur Entwicklung anderer Lösungen wie Anwendungen für das Kundenbeziehungsmanagement und Lösungen für die Unternehmensressourcenplanung.

Wie bei den meisten großen technologischen Fortschritten begannen die traditionellen Produktplanungslösungen aufgrund der sich verändernden Fertigungslandschaft komplexere Situationen zu bewältigen, als sie es konnten. Diese Veränderungen sind sowohl technologischer als auch konzeptioneller Natur. Was die Technologie betrifft, so waren das Aufkommen des industriellen Internets der Dinge, intelligente Fertigungsanlagen und die Automatisierung Veränderungen, mit denen herkömmliche Planungssoftware nicht umgehen konnte. Zu den konzeptionellen Veränderungen gehören die Notwendigkeit, alle in der Fertigung anfallenden Daten zu berücksichtigen, vorausschauende Analysen durchzuführen, Störungen in Echtzeit zu bewältigen und Herausforderungen der Cybersicherheit zu meistern. Diese Veränderungen schränkten die Effizienz von Produktionsplanungssoftware auf verschiedene Weise ein, die im Folgenden näher untersucht werden.

Die Grenzen von Produktionsplanungslösungen

Die Grenzen der Produktionsplanungs-Tools sind auf die zunehmende Komplexität der heutigen Fertigungs- und Industrieanlagen sowie auf die Forderung der Unternehmen nach mehr Einblick zurückzuführen. Zu diesen Einschränkungen gehören:

Herausforderungen in Bezug auf die Flexibilität

Die sich ständig ändernden Prozesse in modernen Fertigungsanlagen und die Einführung neuer Anlagen und Prozesse in der Produktion müssen in ein funktionales Planungssystem integriert werden. Herkömmliche Produktionsplanungstools sind nur begrenzt in der Lage, sich an diese Veränderungen anzupassen, was bedeutet, dass der von ihnen erstellte Zeitplan verzerrt wird.

Herausforderungen bei der Integration von Echtzeit-Ereignissen

Die Auswirkungen von Ausfallzeiten in Fertigungs- und Industrieanlagen wurden in Hunderten von Berichten aufgezeigt. Ausfallzeiten können durch eine Vielzahl von Problemen verursacht werden, aber für das Thema Produktionsplanung ist der Ausfall einer Maschine in einer Produktionshalle das perfekte Szenario. Produktionsplanungstools können dieses Ereignis nur schwer vorhersagen oder sogar berücksichtigen, um die Termine in Echtzeit umzuplanen.

Produktionsplanungstools können zwar Zeitpläne erstellen, die defekte Anlagen berücksichtigen, aber sie verwenden nur ungefähre Daten. Das bedeutet, dass die von ihnen erstellten Pläne statischer Natur sind und Echtzeitdaten wie den Standort der Maschine, die Leistung an ihrem Arbeitsplatz usw. nicht berücksichtigen.

Erfordert zahlreiche Anpassungen

Diese Einschränkung ist eine Folge der Herausforderungen, die Produktionsplanungs-Tools bei der Integration von Echtzeit-Ereignissen haben. Um Fehlentwicklungen zu vermeiden, muss der Systemintegrator mehrere benutzerdefinierte Algorithmen für verschiedene Szenarien erstellen. Das bedeutet, dass das Produktplanungswerkzeug diese Algorithmen nimmt und versucht, sie auf ein neues Problem innerhalb einer Anlage anzuwenden. Um dies zu bewerkstelligen, müssen mehrere Anpassungen an der ursprünglichen Anpassung vorgenommen werden, wodurch die Möglichkeit, eine Neuplanung in Echtzeit zu erstellen, verloren geht. Laut Oracle bedeutet diese Herausforderung, dass die traditionellen Produktplanungs-Tools Schwierigkeiten haben, gute Lösungen für Planungsprobleme zu finden, selbst wenn diese existieren.

Angesichts dieser Einschränkungen wurde ein neuer Prozess für die genaue Verwaltung von Produktionsplanungsaufgaben benötigt. Dies führte zu einem Paradigmenwechsel von traditionellen Produktionsplanungslösungen zur simulationsbasierten Planung. Bei der simulationsgestützten Planung wird der Betrieb eines realen Prozesses im Laufe der Zeit mithilfe eines digitalen Modells nachgeahmt. Dazu wird ein Simulationsmodell des physischen Prozesses erstellt und das Modell mit den detaillierten Ereignissen und Prozessen gefüllt, die in der realen Welt auftreten. Das Simulationsmodell kann dann ausgeführt werden, um einen optimierten Produktionsplan zu erstellen.

Die Auswirkungen der simulationsgestützten Terminplanung

Es ist wichtig zu beachten, dass die simulationsgestützte Planung auf zwei Arten gehandhabt werden kann. Zum einen durch eine diskrete Ereignissimulation und zum anderen durch einen kontinuierlichen Simulationsprozess. Die diskrete Ereignissimulation modelliert den Betrieb einer Fertigungs- oder Industrieanlage als eine diskrete Abfolge von Ereignissen, die mit der Zeit auftreten. In diesem Modell treten die Ereignisse zu einem bestimmten Zeitpunkt auf und zeichnen die Zustandsänderung der Anlage auf.

Kontinuierliche Simulationsmodelle hingegen verfolgen kontinuierlich die Ereignisse und die von ihnen verursachten Veränderungen in der Anlage. Sowohl die diskrete Ereignissimulation als auch das kontinuierliche Simulationsmodell führen die Produktionsplanung in Höhen, die mit herkömmlichen Produktionsplanungswerkzeugen nicht erreicht werden können. Dieser Paradigmenwechsel hat die Produktionsplanung in Echtzeit genauer und flexibler gemacht, so dass sie mit den in modernen Anlagen auftretenden Veränderungen umgehen kann.

Wie bereits erwähnt, führte die Einführung von Produktionsplanungswerkzeugen zur Entwicklung anderer ergänzender Technologielösungen, und dies gilt auch für die simulationsbasierte Planung. Ein solches Konzept sind simulationsbasierte Digital Twin-Lösungen. Beim Digitalen Zwilling werden physische Objekte gespiegelt, um mit Hilfe von simulationsbasierten Engineering-Tools ein virtuelles Modell zu erstellen.

Die Möglichkeit, digitale Zwillinge jeder Anlage und jedes industriellen Prozesses zu erstellen, hebt die simulationsbasierte Planung auf ein neues Niveau. Durch die Erstellung virtueller Spiegel von Echtzeitsystemen oder -anlagen und die Simulation des komplexen Prozesses, der in diesen Anlagen abläuft, kann ein weitaus genauerer Zeitplan erstellt werden als mit herkömmlichen Produktionsplanungswerkzeugen.

Wenn es um Ausfallzeiten geht, können simulationsbasierte digitale Zwillingsumgebungen Daten von realen Sensoren sammeln und diese Daten zur Vorhersage des Verhaltens von Anlagen und Produktionsmitteln verwenden. Auf diese Weise kann der Planungsprozess defekte Anlagen berücksichtigen und den Produktionsprozess schnell um die defekten Anlagen herum umplanen. Außerdem können simulationsbasierte Planungstools Was-wäre-wenn-Szenarien besser bewältigen als die Alternative. Sie ermöglichen es den Betriebsteams, mögliche Herausforderungen zu simulieren und optimierte Pläne zu erstellen, die diese Beschränkungen berücksichtigen.

Ein Beispiel dafür, wie die simulationsgestützte Planung zusammen mit der Technologie des digitalen Zwillings zur Entwicklung effizienterer Pläne eingesetzt wurde. ist der Fall von CKE Restaurants. Hier ermöglichte ein digitaler Zwilling der Restauranteinrichtungen die Erstellung von Durchführungsplänen sowie von Versorgungs- und Lieferplänen für die Kücheneinrichtungen des Unternehmens. Das Endergebnis war ein effizienterer Produktions- und Serviceprozess, der durch simulationsbasierte Planung und Digital Twin-Lösungen vorangetrieben wurde.

Wie sich simulationsbasierte Planung in verschiedenen Branchen durchsetzt

Herkömmliche Werkzeuge für die Produktionsplanung wurden in erster Linie für den Einsatz in der Fertigung konzipiert und entwickelt, und dies ist nach wie vor ihr Hauptanwendungsgebiet. Im Gegensatz zur Produktionsplanung kann die simulationsbasierte Planung in jeden industriellen Prozess integriert werden, um genaue Pläne zu erstellen.

Auch hier macht die Affinität zur Digital Twin-Technologie dies möglich. Denn mit der Digital-Twin-Technologie kann jeder Prozess und jede Anlage in einem industriellen Umfeld modelliert und in eine digitale Umgebung gebracht werden. Die Integration von simulationsbasierter Software in diese digitale Umgebung kann dann den industriellen Prozess simulieren und Zeitpläne für ihn erstellen. Die simulationsbasierte Planung kann in der Gesundheitsbranche, in pharmazeutischen Einrichtungen, in Werften, Häfen und in jeder Einrichtung, in der ein Prozess modelliert und abgebildet werden kann, eingesetzt werden.

Das Aufkommen von Industrie 4.0-Fertigungsanlagen und -prozessen, bei denen Daten die Hauptrolle spielen, bietet eine weitere Möglichkeit für die simulationsgestützte Planung, sich zu entwickeln. Intelligente Fabriken werden von Maschinen und Geräten mit Sensoren, eingebetteten Systemen und System-on-Modules-Lösungen betrieben. Dadurch ist es möglich, Daten von allen Anlagen und Prozessen in einer Anlage zu bewerten.

Simulationsbasierte Planungssoftware kann die in einer Industrie 4.0-konformen Anlage gesammelten Daten zur Erstellung von Echtzeitplänen nutzen. Aufgrund der weit verbreiteten Verfügbarkeit von Daten in Anlagen, die Industrie 4.0 integrieren, können Simulationen von Zeitplänen auch in Echtzeit mit höherer Genauigkeit durchgeführt werden.

Simulationsbasierte Planung und der Weg in die Zukunft

Der Paradigmenwechsel von Produktionsplanungslösungen zur simulationsbasierten Planung ist noch lange nicht abgeschlossen. Dies ist auf neu entstehende Technologien zurückzuführen, die den Einsatz von simulationsbasierter Planungssoftware ergänzen und verbessern. Beispiele hierfür sind das Aufkommen von Cloud-Computing und Hochleistungsrechnern (HPCs). Diese Technologien ermöglichen es, Modelle von sehr komplexen Systemen wie Anlagen oder Prozessen mit Tausenden von Variablen zu erstellen und gleichzeitig genaue Zeitpläne für sie zu erstellen.

Die Kombination dieser technologischen Prozesse wird die Echtzeit-Planung und -Umplanung, wie wir sie kennen, verbessern. Da simulationsbasierte Planungssoftware die Cloud und HPCs nutzt, können komplexe Simulationen in Mikrosekunden durchgeführt werden, wodurch genaue Echtzeit-Ergebnisse geliefert werden, die die Produktivität in der Industrie erhöhen. Damit wird der Paradigmenwechsel von der manuellen und einschränkungsbasierten Planung hin zu einer reaktionsschnellen Echtzeitplanung vollzogen.