Fertigungsplanung im Stahlbrückenbau: Die SCHACHTBAU NORDHAUSEN GmbH synchronisiert Flächenbelegungs- und Produktionsplanung

Beachtung räumlicher Restriktionen als zusätzlichen Engpassfaktor der Fertigungssteuerung

Die Fertigungsplanung im Stahlbrückenbau beschreibt die detaillierte Planung und Organisation der einzelnen Produktionsprozesse von Stahlkonstruktionen unter Engpassgesichtspunkten. Sie umfasst neben der Festlegung der Reihenfolge der Fertigungsschritte, der Zuweisung von Ressourcen und der Sicherstellung der rechtzeitigen Verfügbarkeit aller notwendiger Materialien auch räumliche Restriktionen. Diese können unter anderem durch begrenzte Platzverhältnisse am Fertigungsort, die Notwendigkeit spezieller Hebe- und Transportmittel oder durch Sicherheitsanforderungen entstehen. DUALIS schafft eine neue Möglichkeit der digitalen Fertigungsplanung und verknüpft die Expertise aus den Bereichen Produktionsplanung (GANTTPLAN APS) und Flächenbelegungsplanung (AREAPLAN). Diese Lösung wird von der SCHACHTBAU NORDHAUSEN GmbH heute erfolgreich eingesetzt.

Das Produktionsplanungstool GANTTPLAN APS plant die Ressourcen „Maschinen“, „Personal“ und „Fertigungshilfsmittel“ gegen begrenzte Kapazitäten. Mithilfe komplexer Planungsalgorithmen lassen sich verschiedene Zielkriterien wie Durchlaufzeit, Termintreue oder Maschinenauslastung kostenbasiert optimieren. Ein grafischer Leitstand bietet einen vollständigen Überblick über die geplante Produktion. In Projekten mit Kunden aus dem Maschinen- und Anlagenbau zeigte sich immer wieder, dass bei der schrittweisen Montage einer Maschine oder Anlage die belegte Fläche eine entscheidende Kapazitätsrestriktion darstellt.

Wir stellten uns daher die Frage: Wie kann die Planung mit dem GANTTPLAN APS um eine effiziente Fertigungssteuerung ergänzt werden? Und wie lassen sich räumliche Gegebenheiten einer Produktionshalle wie Flächentraglasten, verfügbare Hebevorrichtungen oder Medienanschlüsse in die Planung integrieren?  

Von der Idee zum Demonstrationsmodell für den Werkzeugmaschinenbau

Demoszenario und Planungsproblem

DUALIS hat zur Beantwortung dieser Fragestellung ein Produktionsszenario auf Basis eines exemplarischen Werkzeugmaschinenherstellers entwickelt. Um die Flächenbelegung im Montageprozess dabei möglichst breit abzubilden, wurde ein sehr heterogenes Produktportfolio des Demonstrationskunden gewählt, welches von kleinen Drehmaschinen bis hin zu komplexen Bearbeitungszellen reicht. Die Besonderheit eines solchen Szenarios liegt dabei in der Abbildung des wachsenden Flächenbedarfs während des Montagefortschritts. Nach Abschluss der Tests wird in dem Szenario die montierte Werkzeugmaschine wieder in Baugruppen zerlegt und anschließend an den Kunden ausgeliefert.

Aufgrund der angenommenen mittleren Fertigungstiefe ergibt sich ein Mix aus Primär- und Sekundärbedarfen, die sowohl durch Fremdbezug als auch durch Eigenfertigung gedeckt werden müssen. Die Montage erfolgt in fest zugewiesenen Montagebuchten, die über den gesamten Montagezeitraum hinweg belegt bleiben. Dies führt zu einer hohen Kapitalbindung und langen Flächenbelegungszeiten.

Lösung

Wie in der Praxis üblich werden die für die Planung benötigten Stamm- und Bewegungsdaten in einem ERP-System geführt und verwaltet. Über eine etablierte Schnittstellenlösung kommuniziert das Produktionsplanungstool GANTTPLAN APS mit dem Demo-ERP-System. Um die Planung um die Kapazitätsrestriktion Fläche zu erweitern, wurde zusätzlich eine Schnittstelle zum bewährten Flächen-Management-Tool AREAPLAN geschaffen. Die Software ermöglicht die Ermittlung des Flächenbedarfs und die Einplanung von Montage- und Fertigungsprojekten oder großen Bauteilen. Dabei werden neben räumlichen Gegebenheiten und Restriktionen wie Bauhöhe, Flächenlast und Sperrflächen auch ein zeitlicher Verlauf berücksichtigt, um beispielsweise einen ständigen Wechsel oder hohe Durchlaufzeiten abbilden zu können. In unserem Beispielszenario bedeutet dies: Die Auftragsfeinplanung findet unter der Berücksichtigung einer auf 100% normierten Flächenbelegung je Montagebucht in GANTTPLAN APS statt und das ermittelte Ergebnis wird an AREAPLAN übertragen.

Das Layout der fiktiven Montagehalle wurde in AREAPLAN erstellt und kann nun mit den aus GANTTPLAN übermittelten Montageaufträgen beplant werden. Somit wird die Auftragsfeinplanung um die Komponenten Flächenbelegungsplanung und Visualisierung des Montagefortschritts ergänzt.

SCHACHTBAU NORDHAUSEN GmbH: Vom Proof of Concept zur Marktreife

Den entscheidenden Impuls für die Weiterentwicklung im realen Produktionsumfeld lieferte uns ein Proof of Concept-Projekt (PoC) bei der SCHACHTBAU NORDHAUSEN GmbH (SBN), einem der führenden Unternehmen im Bereich Berg-, Anlagen-, Stahl- und Maschinenbau.

Im Fokus des Projekts standen die Fertigung sowie die Vor- und Endmontage von Stahlbaugruppen für den Straßen- und Eisenbahnbrückenbau. Die Fertigung dieser Baugruppen gestaltet sich ist als sehr flächenintensiv – die Durchlaufzeiten pro Baugruppe betragen mehrere Tage bis Wochen – wodurch die Hallenabschnitte lange belegt sind. Für einige Arbeiten sind zudem Deckenkräne erforderlich, die nur eine begrenzte Traglast haben und nur in bestimmten Hallen verfügbar sind. Dazu zählen beispielsweise das Umlagern oder Drehen von Baugruppen zum Verschweißen. Für den Produktionsplaner war es vor allem wichtig, den Fertigungsfortschritt der wachsenden Baugruppe im Zeitverlauf bewerten zu können.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, mussten neben den klassischen ERP-Stamm- und Bewegungsdaten der Baugruppen auch deren CAD-Daten in GANTTPLAN und AREAPLAN verfügbar gemacht werden.

Das Ergebnis des PoCs war das ‘Go’ für ein Einführungsprojekt der Sonderklasse. Nach der initialen Planung der reinen Baugruppenmontage, werden nun schrittweise weitere Fertigungsstufen, wie der Zuschnitt der Stahlbleche und die Farbgebung, in die Planung einbezogen.

Die Funktionsweise der softwaregestützten Fertigungsplanung: GANTTPLAN APS führt, AREAPLAN assistiert

Im Zusammenspiel beider Tools ist das Produktionsplanungs-Tool GANTTPLAN APS führend. Es bietet bereits eine (bidirektionale) Schnittstelle zu vielen ERP- und MES-Systemen. Dadurch können produktionsplanungsrelevante Stamm- und Bewegungsdaten sowie Echtzeitinformationen aus dem Shopfloor, wie beispielsweise Maschinenauslastung und Umlaufbestände, übermittelt werden. Im konkreten Fall des Kunden war jedoch keine Anbindung an das bestehende ERP-System gewünscht, sondern die Bereitstellung aller erforderlichen Daten durch Siemens NX.  

Gemeinsam mit einem vom Kunden beauftragten Dienstleister wurde der NX-Datenexport für die erforderlichen Baugruppendaten spezifiziert und per CSV-Import zu GANTTPLAN APS übertragen. Darüber hinaus stellt Siemens NX CAD-Dateien der Baugruppen zur Verfügung, die direkt in AREAPLAN genutzt werden.

Die Planung erfolgt mehrstufig. Zunächst wird die initiale Planung in GANTTPLAN APS genutzt, um anhand der aktuellen Hallenauslastung realistische Fertigstellungstermine der einzelnen Baugruppen und der fertigen Brücke zu ermitteln. Dazu werden die aus Siemens NX bereitgestellten Daten zu Gewicht und Abmessungen der Baugruppen, zu den Montagereihenfolgen, zum Personalbedarf und zu den präferierten Hallenflächen in der GANTTPLAN-Schnittstelle zu Stücklisten, Arbeitsplänen und Fertigungsaufträgen aufbereitet. Die so erstellten Fertigungsdaten werden im weiteren Verlauf durch die Konstruktionsabteilung detailliert, sodass auch die Planung in GANTTPLAN APS konkretisiert werden kann.

Das Auftragsnetz ist so gestaltet, dass mehrere Montage- und Bearbeitungsstufen ineinandergreifen und auch der Transport der Baugruppen zum Bestimmungsort der Brücke in die Terminierung einbezogen wird. Während der Planung gleicht GANTTPLAN APS zudem die prozentuale Flächenbelegung je Baugruppe mit dem Flächenangebot der Halle ab. Dadurch wird die Mehrfachbelegung eines Hallenabschnitts unter Berücksichtigung der Kapazitätsrestriktion „Fläche“ ermöglicht. Ein weiterer wichtiger Hebel bei der Terminierung der Baugruppen ist zudem die Personalverfügbarkeit, da einige Fertigungsschritte besondere Qualifikationen erfordern.

Nach der Belegungsplanung und Terminierung aller Aufträge in GANTTPLAN APS wird der vorläufige Produktionsplan über eine Datenbankanbindung an AREAPLAN übermittelt. Nach dem Datenimport erfolgt eine visuelle Prüfung der von GANTTPLAN zugewiesenen Flächen im Zeitverlauf sowie eine genaue Positionierung der Baugruppen in der Halle.

Mit nur einem Mausklick können Baugruppen mitsamt ihrer Planungsinformationen in die 3D-Welt von AREAPLAN importiert werden. Sofern eine CAD-Datei vorhanden ist, wird die Baugruppe über diese dargestellt. Andernfalls erfolgt die Darstellung über eine Blockgeometrie. Alte Baugruppen können automatisch aus der 3D-Welt gelöscht werden. Wurden von der Konstruktionsabteilung Änderungen an den Baugruppen vorgenommen oder hat sich die Terminierung geändert, werden Sie zusätzlich darauf hingewiesen.

Da GANTTPLAN APS kein Flächenplanungstool ist, wird die durch die Baugruppe belegte Hallenfläche nur näherungsweise ermittelt und der Planung zugrunde gelegt. Der nächste Schritt ist daher von entscheidender Bedeutung: Sollte der Planer in AREAPLAN feststellen, dass eine Baugruppe aufgrund räumlicher Gegebenheiten oder Geometriespezifik nicht in der vorgesehenen Halle montiert werden kann, kann er die Flächenzuweisung ändern. Der so validierte Produktionsplan wird über die Datenbankanbindung zurück an GANTTPLAN APS übermittelt. Hier laufen nun die Fäden wieder zusammen: der bisherige Produktionsplan wird mit den Vorgaben aus AREAPLAN aktualisiert und freigegeben.

Fertigungsplanung ideal für Produzenten großer Baugruppen im (Sonder-)Maschinen-, Anlagen- und Stahlbau

Der Einsatz beider Systeme eignet sich besonders für produzierende Unternehmen, die große und wachsende Baugruppen über einen längeren Zeitraum hinweg montieren und dabei Flächen binden. Dazu zählen beispielsweise der (Sonder-)Maschinen-, Anlagen- und Stahlbauer sowie Unternehmen der Einzel- und Kleinserienmontage komplexer Erzeugnisse, deren Montage nach dem Baustellenprinzip erfolgt. Die Anwendenden profitieren vom Zusammenspiel beider Systeme vor allem dadurch, dass sie mehrere Szenarien sowohl räumlich als auch zeitlich durchspielen können. Das schafft mehr Transparenz und Handlungsspielraum und reduziert gleichzeitig den Planungsaufwand.

Erweiterungen für die digitale Montage- und Fertigungsplanung: Was ist noch möglich?

Der Fokus der vorgestellten Lösung liegt auf der Montage bzw. der Fertigung von Baugruppen. Die Beschaffung von Zukaufteilen, wie beispielsweise Blechtafeln, wird derzeit nicht berücksichtigt. Durch die Anbindung an ein ERP-System könnte jedoch die gesamte Kette von der Bestellung des Rohmaterials über die Fertigungsvorbereitung bis hin zur ausgelieferten Anlage abgebildet werden.

GANTTPLAN kann dabei Bestellvorschläge erstellen und Hinweise auf fehlendes Material liefern. Ein Terminverzug auf den Fertigungsstufen vor der Werksmontage könnte somit direkt in die Planung der Baugruppen einfließen. Und zwar bevor diese großen Teile der Produktionsfläche blockieren. Auch die Planung des Personaleinsatzes kann problemlos über das Produktionsplanungstool GANTTPLAN APS organisiert werden. Die planungsrelevanten Informationen wie Schichtpläne oder Sonderzeiten können dabei sowohl aus dem ERP-System als auch aus speziellen Personaleinsatz-/Zeiterfassungssysteme (PZE) gespeist werden.

Darüber hinaus ist das Thema Betriebsdatenerfassung (BDE) und die Rückmeldung dieser Daten an das Produktionsplanungssystem im (Sonder-)Maschinen-, Anlagen- und Stahlbau von hoher Relevanz. So kann schnell auf kurzfristige und ungeplante Störungen aus dem Shopfloor, wie beispielsweise Maschinenausfälle, die Nichtlieferung von Vorprodukten oder Nichtfreigaben von Zwischenprodukten durch die Qualitätssicherung, reagiert werden. GANTTPLAN Confirmation ist eine in GANTTPLAN APS eingebettete BDE-Funktionalität zur Echtzeit-Rückmeldung aller planungsrelevanten Prozessschritte wie Materialbereitstellung, Konstruktion und Versand.

Fertigungsplanung mit GANTTPLAN APS und AREAPLAN: Eine Zusammenfassung

Sowohl das Produktionsplanungstool GANTTPLAN APS als auch der 3D-Flächenplaner AREAPLAN sind etablierte Softwarelösungen der DUALIS GmbH IT Solution. Die Kombination beider Systeme eröffnet eine neue Dimension der Multiressourcenplanung: die Planung gegen begrenzte Flächenkapazitäten. Damit wird eine moderne Produktionsplanung möglich. Insbesondere Unternehmen aus den Bereichen (Sonder-)Maschinen-, Anlagen- und Stahlbau sowie Unternehmen, die im Bereich der Einzel- und Kleinserienmontage komplexer Produkte tätig sind, können von dieser Lösung profitieren.

Photo credits © JKR-Visuals; SBN-Archiv