Produktionsplanung und -steuerung

Grundlagen

Die Aufgabe der Produktionsplanung und -steuerung als Teilbereich des operativen Produktionsmanagements besteht darin, für einen reibungslosen und wirtschaftlichen Produktionsprozess bei gegebenen und (weitgehend) unveränderbaren Kapazitäten zu sorgen. Im Einzelnen ist dabei festzulegen,

• welche absatzbestimmten Produkte in welchen Mengen im Planungszeitraum herzustellen sind (Primärbedarfsplanung),
• welche Mengen an Einsatzgütern (Vor- und Zwischenprodukten) dafür wann benötigt werden (Sekundärbedarfsplanung),
• ob und wenn ja in welchem Ausmaß eigentlich zu unterschiedlichen Zeitpunkten benötigte End-, Zwischen- und Vorproduktmengen aus wirtschaftlichen Gründen zu Losen zusammengefasst werden sollen (Losgrößenplanung als Teil der Sekundärbedarfsplanung),
• zu welchen Zeitpunkten die Herstellung der einzelnen End- und Zwischenproduktmengen unter Berücksichtigung der verfügbaren personellen und maschinellen Kapazitäten der Produktionssysteme erfolgen soll (Termin- und Kapazitätsplanung) und
• in welcher Reihenfolge die vor den einzelnen Arbeitsplätzen bzw. Produktionsanlagen wartenden (freigegebenen) Fertigungsaufträge bearbeitet werden sollen (Ablaufplanung).

Zur Lösung dieser Fragestellungen wurden im Laufe der Zeit zahlreiche Optimierungsmodelle entwickelt. Derartige Partialmodelle berücksichtigen jedoch nicht die wechselseitigen Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Teilproblemen der Produktionsplanung und -steuerung. Um zu einem Gesamtoptimum zu gelangen, müssten die einzelnen Teilplanungsprobleme daher in einen umfassenden Modellansatz integriert und simultan gelöst werden. Solche Simultan- oder Totalmodelle führen im praktischen Einsatz jedoch bereits bei recht überschaubaren Planungsproblemen zu unbeherrschbaren Modellgrößen. Vor diesem Hintergrund wurde das Konzept der hierarchischen Produktionsplanung entwickelt, welches das Gesamtproblem der Produktionsplanung und -steuerung in Teilprobleme zerlegt, die (unter Anwendung der für den jeweiligen Bereich relevanten Partialmodelle) nacheinander gelöst werden, wobei die Ergebnisse einer übergeordneten Planungsstufe den Ausgangspunkt für die Planung der darunterliegenden Stufe bilden. Der (zeitliche) Detaillierungsgrad der Planung nimmt dabei von Stufe zu Stufe zu (vgl. Abbildung 1), wobei der Planungshorizont der einzelnen Stufen sowie das der Planung jeweils zugrunde liegende Zeitraster, d.h. die Länge der Teilperioden, je nach Branche und konkretem Produktspektrum in der Praxis von Unternehmen zu Unternehmen sehr unterschiedlich sein können; die Angaben in der Abbildung sind daher lediglich als (häufig vorkommende) Richtwerte zu verstehen.

Abbildung 1: Konzept der hierarchischen Produktionsplanung

1. Primärbedarfsplanung

Gegenstand der Primärbedarfsplanung (Produktionsprogrammplanung) ist die Festlegung der in der Planungsperiode herzustellenden Mengen der absatzbestimmten Produkte, in der Regel differenziert nach Wochen. Die Planung basiert dabei auf eingegangenen Kundenaufträgen und/oder Nachfrageprognosen, wobei je nach Unternehmenstyp (Lager- vs. Auftragsfertiger) die eine oder die andere Form zur Anwendung kommt bzw. dominiert. Für die Nachfrageprognose stehen in Abhängigkeit vom Nachfrageverlauf (konstant, trendförmig oder saisonal ohne/mit Trend) verschiedene Prognoseverfahren zur Verfügung; die wichtigsten zeigt Tabelle 1. Um unter Berücksichtigung der vorhandenen Kapazitäten zu einem optimalen Produktionsprogramm zu gelangen, wurden Optimierungsmodelle entwickelt, die unter Berücksichtigung von Absatz-, Kapazitäts- und ggf. Lagerrestriktionen ein deckungsbeitragsmaximales oder kostenminimales Produktionsprogramm für eine Planungsperiode von bis zu einem Jahr bestimmen.

Tabelle 1: Wichtige Prognoseverfahren

2. Sekundärbedarfsplanung

Im Rahmen der Sekundärbedarfsplanung (Mengenplanung, (Material-) Bedarfsplanung, Materialdisposition, Materialwirtschaft) sind die für die Herstellung des Primärbedarfs benötigten Einsatzgütermengen zu bestimmen. Hierbei ist zwischen eigengefertigten, im Folgenden als Zwischenprodukte bezeichneten und fremdbezogenen, im Folgenden unter dem Begriff Vorprodukte subsummierten Produktbestandteilen zu unterscheiden. Für erstere werden später Fertigungsaufträge und für letztere Beschaffungsaufträge generiert. In beiden Fällen kann die Bedarfsermittlung entweder verbrauchs- oder programmgesteuert erfolgen. Welches Verfahren der Bedarfsermittlung zur Anwendung kommt, hängt von der Wertigkeit der Güter ab. So werden hochwertige Gütern in der Regel programmgesteuert und geringwertige Güter verbrauchsgesteuert disponiert. Zur Segmentierung des Sekundärbedarfs nach der Wertigkeit der Einsatzgüter kann die ABC-Analyse herangezogen werden.

Bei der programm- oder bedarfsgesteuerten Disposition wird der Bedarf an Einsatzgütern aus der Zusammensetzung der absatzbestimmten Produkte hergeleitet. Die Erzeugnisstrukturen sind dabei in Stücklisten hinterlegt. In Abhängigkeit von der Art der Darstellung unterscheidet man Mengen(übersichts)-, Struktur-, Baukasten- und Dispositionsstücklisten. Durch Multiplikation der Primärbedarfsmengen mit den in den Stücklisten hinterlegten Direkt- bzw. Gesamtbedarfskoeffizienten und unter Berücksichtigung eventueller Zusatzbedarfe (z.B. aufgrund von Ausschuss) ergibt sich der Bruttobedarf der Erzeugnisbestandteile je Fertigungsstufe bzw. insgesamt. Durch die Berücksichtigung von Lagerbeständen und offenen (Fertigungs- oder Beschaffungs-) Aufträgen wird aus dem Brutto- der Nettobedarf pro Erzeugnisbestandteil errechnet. Die Nettobedarfe verschiedener Teilperioden (in der Regel Wochen) können zu sog. Losen zusammengefasst werden (Losgrößenplanung). Unter einem Fertigungslos versteht man dabei die Menge einer Produktart, die ohne Unterbrechung durch die Produktion anderer Produktarten hintereinander in einer Produktionsstufe erzeugt wird. Ein Beschaffungslos ist analog dazu die Menge einer Produktart, die mit einem Beschaffungsvorgang (einer Bestellung) beschafft wird (Bestellmenge). Für die Losbildung wurden zahlreiche Verfahren entwickelt. Abbildung 2 gibt hierzu einen Überblick.

Abbildung 2: Verfahren der Losbildung

Bei der verbrauchsgesteuerten Disposition werden die Beschaffungs- und Fertigungsaufträge allein aus den vorhandenen Lagerbeständen durch Anwendung sog. Lagerhaltungs- oder Lagerauffüllpolitiken abgeleitet (vgl. Tabelle 2). Zentrale Größen sind dabei der Melde- und der Sollbestand. Der Meldebestand bezeichnet den Lagerbestand, bei dessen Erreichen oder Unterschreiten eine Bestellung bzw. ein Fertigungsauftrag ausgelöst wird. Der Sollbestand definiert einen maximalen Lagerbestand, der nicht überschritten werden soll. Vom Meldebestand ist der Sicherheitsbestand abzugrenzen. Letzterer dient zum Ausgleich unvorhergesehener Bedarfsschwankungen oder Probleme beim Wiederauffüllen des Lagers (z.B. Lieferengpässe von Lieferanten). Da die Wiederauffüllung des Lagers eine gewisse Zeit in Höhe der Lieferzeit des Lieferanten bzw. der Durchlaufzeit des betreffenden Fertigungsauftrags beansprucht, ist der Meldebestand so festzulegen, daß er den Sicherheitsbestand gerade um die Menge übersteigt, die zur Deckung des Bedarfs während der Wiederbeschaffungs- bzw. Durchlaufzeit benötigt wird.

Tabelle 2: Lagerauffüllpolitiken

3. Termin- und Kapazitätsplanung

An die Sekundärbedarfsplanung schließt sich die Termin- und Kapazitätsplanung (Grobterminierung, Zeit- (und Kapazitäts-) wirtschaft) an. Sie zerfällt in die Schritte Durchlaufterminierung, Kapazitätsplanung und Kapazitätsabgleich.

Gegenstand der Durchlaufterminierung ist die grobe Festlegung vorläufiger Start- und Endtermine der einzelnen für die Herstellung von Zwischen- und Endprodukten notwendigen Arbeitsgänge auf Basis geschätzter Plan-Durchlaufzeiten. Vorläufig sind die Termine zum einen deshalb, weil die Planung zunächst ohne Berücksichtigung der Kapazitätssituation erfolgt. Zum anderen ergeben sich die endgültigen Bearbeitungstermine erst aus der Ablaufplanung. Diese wird aber im Konzept der hierarchischen Produktionsplanung erst nach der Termin- und Kapazitätsplanung durchgeführt. Die Durchlaufterminierung kann nach den (auf der Netplantechnik basierenden) Verfahren der Vorwärts-, Rückwärts- oder doppelten Terminierung erfolgen.

Im Rahmen der Kapazitätsplanung wird die aus der Durchlaufterminierung resultierende Kapazitätsnachfrage dem tatsächlichen Kapazitätsangebot der einzelnen Arbeitssysteme im Zeitablauf gegenübergestellt. Dazu werden die im Rahmen der Durchlaufterminierung erstellten auftragsbezogenen Terminpläne in anlagenbezogene Terminpläne, die die Belastung der einzelnen Arbeitssysteme im Zeitablauf zeigen, überführt. Dabei wird für jedes betrachtete Arbeitssystem und jede Teilperiode (in der Regel jeden Tag oder jede Woche) die kumulierte zeitliche Belastung durch alle im Rahmen der Durchlaufterminierung für die jeweilige Teilperiode eingeplanten Arbeitsvorgänge ermittelt und grafisch dargestellt. Man spricht daher auch von (Ressourcen-) Belastungsdiagrammen, Kapazitätsbedarfsprofilen oder Kapazitätsgebirgen.

Übersteigt die Kapazitätsnachfrage das Kapazitätsangebot, sind Maßnahmen des Kapazitätsabgleichs zu ergreifen, um zu einem realisierbaren Produktionsprogramm zu gelangen. Aber auch im umgekehrten Fall, d.h. bei einer Unterschreitung des Kapazitätsangebots durch die Kapazitätsnachfrage, können Maßnahmen des Kapazitätsabgleichs sinnvoll sein, um z.B. durch eine vorübergehende Stilllegung nicht benötigter Kapazitäten Kosten zu sparen oder die Kapazitätsauslastung etwa durch eine vorzeitige Auftragsfreigabe oder die Vergrößerung von Fertigungslosen zu verbessern. Grundsätzlich sind zwei Wege des Kapazitätsabgleichs zu unterscheiden: Der eine Weg besteht darin zu versuchen, die Kapazitäten an die Belastungsprofile und damit das Kapazitätsangebot an die Kapazitätsnachfrage anzupassen. Zum anderen können die Belastungsprofile der Kapazitätseinheiten an die tatsächlich verfügbaren Kapazitäten angepasst werden, d.h. es erfolgt eine Anpassung der Kapazitätsnachfrage an das Kapazitätsangebot.

4. Auftragsfreigabe

Nach Abschluss der Termin- und Kapazitätsplanung liegt ein mengenmäßig und zeitlich fixierter Grobplan für einen längeren Zeitraum (in der Regel 1-3 Monate) vor, dessen Einhaltung aufgrund des möglichen Eintritts von unvorhergesehenen Ereignissen jedoch nicht sichergestellt werden kann und der daher auch nicht als verbindliche Vorgabe für die Produktion dienen kann. Um auf derartige Störereignisse adäquat reagieren und diese in der Planung berücksichtigen zu können, ist der Planungshorizont auf einen überschaubaren Zeitraum von ca. 1-2 Wochen zu verkürzen. Diejenigen Fertigungsaufträge, deren in der Termin- und Kapazitätsplanung festgelegter Starttermin in diesen Planungshorizont fällt, werden dann zur Fertigung freigegeben und im Rahmen der sich an die Auftragsfreigabe anschließenden Ablaufplanung mit exakten Bearbeitungsterminen auf den einzelnen Bearbeitungsstationen versehen. Die Auftragsfreigabe bildet somit die Schnittstelle zwischen der Fertigungsplanung und der Fertigungssteuerung im Rahmen des Produktionsvollzugs.

5. Ablaufplanung

Im Rahmen der Ablaufplanung (Reihenfolgeplanung, Maschinenbelegungsplanung, Feinterminierung) sind für die einzelnen Arbeitsgänge der bislang nur mit groben Start- und Endterminen versehenen freigegebenen Fertigungsaufträge die genauen Bearbeitungstermine auf den einzelnen Bearbeitungsstationen des Produktionssystems festzulegen. Dabei ist zwischen Flow-Shop- und Job-Shop-Problemen zu unterscheiden. Von einem Flow-Shop-Problem spricht man, wenn alle Fertigungsaufträge die Bearbeitungsstationen in derselben Reihenfolge durchlaufen müssen (Fließfertigung mit identischer Maschinenfolge für alle Aufträge). Ein Job-Shop-Problem liegt vor, wenn die Aufträge die einzelnen Bearbeitungsstationen in unterschiedlicher Reihenfolge durchlaufen können (Job-Shop-Problem i.w.S.). Dabei ist noch einmal dahingehend zu differenzieren, ob die Bearbeitungsreihenfolge zwar von Auftrag zu Auftrag variiert, für den einzelnen Auftrag aber fest vorgegeben ist (Werkstattfertigung mit auftragsindividueller Maschinenfolge, Job-Shop-Problem i.e.S.) oder keine fest vorgegebene Bearbeitungsreihenfolge für den einzelnen Auftrag existiert (Werkstattfertigung mit beliebiger Maschinenfolge für alle Aufträge). Dieser letztgenannte Fall wird auch als Open-Shop-Problem bezeichnet. Somit lassen sich Flow-Shop-Probleme als Spezialfall von Job-Shop-Problemen (i.w.S.) und Job-Shop-Probleme i.e.S. als Spezialfall von Open-Shop-Problemen auffassen.

In Abhängigkeit vom Vorliegen eines Flow- oder Job-Shop-Problems kommen verschiedene Verfahren der Reihenfolgeplanung zur Anwendung (vgl. Tabelle 3). Einen Spezialfall stellt die Ablaufplanung bei reihenfolgeabhängigen Rüstzeiten und damit -kosten dar. Derartige Reihenfolgeprobleme lassen sich mit den Verfahren zur Lösung des Travelling-Salesman-Problems lösen. Außerdem gibt es für diesen Fall eine spezielle Prioritätsregel.

Tabelle 3: Ausgewählte Verfahren der Ablaufplanung

6. Auftragsüberwachung

Im Rahmen der Auftragsüberwachung ist der Fertigungsablauf im Hinblick auf die Planeinhaltung zu überwachen. Bei Störungen des planmäßigen Fertigungsablaufs (z.B. aufgrund von Personal-, Maschinen- oder Lieferausfällen) sind geeignete gegensteuernde Maßnahmen vorzusehen.