Wandlungsfähigkeit in Produktion und Logistik

Norbert Gronau

Die Wandlungsfähigkeit gilt als erstrebenswerte Eigenschaft von Produktionssystemen. Regelmäßig stellt sich jedoch bei Investitionsvorhaben die Frage: wie kann die Vorteilhaftigkeit der Wandlungsfähigkeit nachgewiesen werden? Der Beitrag stellt einen systemorientierten Ansatz der Wandlungsfähigkeit vor und erläutert, wie die Eigenschaften, die zur Wandlungsfähigkeit führen, im Labor nachgewiesen werden können.

Eine ganze Reihe von Gründen existieren, um eine Anpassungsfähigkeit an sich ändernde Umgebungsbedingungen zu fordern. Beispiele für die Notwendigkeit der Wandlungsfähigkeit sind in Bild 1 dargestellt. Andere Autoren nennen das Agilität, Adaptivität oder Flexibilität. Bei der Betrachtung von Produktionssystemen hat sich jedoch der Begriff „Wandlungsfähigkeit“ weitgehend durchgesetzt. Diese Veränderungen der Umgebung haben auf die Produktionssysteme durchaus turbulente Auswirkungen. Ein Produktionssystem kann als dynamisches Netzwerk von Gestaltungsprinzipien, Methoden und Werkzeugen zur Planung, zum Betrieb und zur permanenten Prozessverbesserung von Produktionsunternehmen angesehen werden.


Bild 1: Beispiele für die Notwendigkeit von Wandlungsfähigkeit.

Vom Begriff der Wandlungsfähigkeit sind die Begriffe der Flexibilität und der Adaptivität zu differenzieren. Flexibilität bedeutet lediglich, dass ein System bei einem Änderungsbedarf ein Änderungspotenzial aufweist [1]. Adaptivität bedeutet, dass das System schon in der Lage ist, den Änderungsbedarf selbst zu diagnostizieren und das Ergebnis der Diagnose in geeignete, vordefinierte Tätigkeiten umzusetzen [2]. Wandlungsfähigkeit hingegen differenziert sich von den beiden vorgenannten Begriffen, insbesondere durch selbstorganisierte Prozesse und Strukturen [3]. Eine begriffliche Abgrenzung zwischen Flexibilität, Adaptivität und Wandlungsfähigkeit findet sich in Bild 2.
 

Wie werden Systeme wandlungsfähig?

Der vorgestellte Forschungsansatz weist nach, dass Wandlungsfähigkeit die Anpassungsfähigkeit produktionstechnischer und logistischer Systeme erhöht. Zunächst werden vier zentrale Hypothesen vorgestellt: 

  • Die erste Hypothese postuliert, dass organisatorische Änderungen und Umweltturbulenzen einen Anpassungsbedarf bei Produkten und Prozessen verursachen. Diese These ist durch Trenduntersuchungen belegbar. 
  • Die zweite Hypothese sagt aus, dass Systeme, die sich effizient anpassen können, in der Natur zu finden sind, z. B. Ökosysteme. Diese Hypothese ist für die Natur empirisch belegbar, nicht jedoch für die Produktionstechnik. 
  • Drittens wird gefordert, dass die für die Anpassungsfähigkeit wesentlichen Eigenschaften auf andere Systeme übertragen werden können. Hier wird der Mechanismus der Systemtheorie genutzt, nach dem ähnliche Eigenschaften zu ähnlichem Systemverhalten führen. 
  • Die vierte Hypothese besagt, dass Systeme mit analogen, also ähnlichen Eigenschaften auch ähnlich anpassungsfähig sind. Diese Hypothese liegt den meisten Modellbildungen bei strukturerklärenden Verfahren zugrunde.
     

Eigenschaften, die zu Wandlungsfähigkeit führen


Bild 2: Abgrenzung zwischen Flexibilität, Adaptivität und Wandlungsfähigkeit [4].

Acht Eigenschaften wurden ermittelt, die zur Wandlungsfähigkeit führen [4]. Das ist zum einen die Modularität, also die Anpassung der Struktur des Produktionssystems. Eine weitere Eigenschaft ist die Mobilität; die Elemente des Produktionssystems müssen zeitlich und örtlich unabhängig sein. Diese beiden Eigenschaften entstammen der Domäne der Fabrikplanung.

Bei der Betrachtung natürlicher Ökosysteme kommt als dritte Wandlungsfähigkeitseigenschaft die Selbstorganisation hinzu, die die betrachteten Systemelemente mit einem gewissen Maß an Autonomie ausrüstet. Weitere Eigenschaften, die zur Wandlungsfähigkeit führen, sind Selbstähnlichkeit und Redundanz, die ebenfalls auf Eigenschaften natürlicher Ökosysteme zurückzuführen sind. 

Die Eigenschaft Interoperabilität bezeichnet die Fähigkeit, zwischen verschiedenen Elementen eines Produktionssystems Material und Informationen austauschen zu können. Sie stammt aus der Fabrikplanung. Letztendlich werden noch die Eigenschaft der Skalierbarkeit und des Elementwissens benötigt, wobei die Skalierbarkeit wiederum der Domäne Fabrikplanung entstammt und die Nutzung von Wissen dem Partizipationsansatz der nachhaltigen Unternehmensentwicklung entstammt.
 


Bild 3: Elemente der Simulation von Produktions- und Logistikprozessen.

Übertragung auf Produktion und Logistik

Welche Fähigkeiten helfen nun bei der Komplexitätsbeherrschung? Das sind Modularität und Selbstorganisation. Die Anwendung des Prinzips Modularität führt zu Investitionen in Universalmaschinen, zu geschulten Bedienern statt Aushilfen und zur Instandhaltung durch den Maschinenbediener selbst. Selbstorganisation bedeutet, dass Unternehmenseinheiten deren Ziele und Leistungen beschrieben werden können, selbständig agieren, zwischen den verschiedenen Unternehmenseinheiten Selbstähnlichkeit besteht und das Zusammenspiel dieser Unternehmenseinheiten dynamisch erfolgt. Selbstorganisation wird als Schlüssel zur Komplexitätsbeherrschung angesehen. Insbesondere in der Fabrik spielt Interoperabilität eine wesentliche Rolle: was für logistische Systeme der Container ist, ist für Informationssysteme die standardisierte Schnittstelle und für Materialflusssysteme der standardisierte Übergang zwischen den verschiedenen Elementen. Wissen ist eine wesentliche Voraussetzung, um Anpassungsleistungen erbringen zu können, es umfasst Personen, Methoden, Produkte und Dokumente.
 

Nachweis der Wandlungsfähigkeit im Labor

Eine typische Anforderung der Praxis besteht darin, dass ein schneller Vergleich von Situationen ohne oder mit wandlungsfähigen Systemelementen durchgeführt werden soll. Gleichzeitig soll es möglich sein, ohne großen Aufwand unterschiedlichste produktionstechnische und logistische Systeme untersuchen zu können. Es wird dann von einem wandlungsfähigen System gesprochen, wenn seine Elemente wandlungsfähig sind.  

Das Anwendungszentrum Industrie 4.0 an der Universität Potsdam [5] verwendet einen hybriden Simulator mit stationären und mobilen Elementen, die miteinander kommunizieren (Bild 3) und über variable Relationen (Bild 4) miteinander verbunden werden können. 

Mit Hilfe der Elemente Puffer, Verzweigung, Synchronisation und Schleife sowie Sequenz lassen sich beliebige Prozessabläufe abbilden und damit unterschiedliche Organisationstypen der Fabrik nachbilden. Auch Selbstähnlichkeit wird durch das hybride Simulationswerkzeug abgebildet. Statt einer einzelnen Werkzeugmaschine kann beispielsweise das Verhalten einer Fabrik simuliert werden und damit der In- und Output dieser Fabrik dargestellt werden. Statt eines einzigen Werkstückes kann ein Transportbehälter, ein Lastwagen oder ein Container simuliert werden. Ein wesentlicher Vorteil dieses Laboransatzes ist, dass der Umbau zwischen verschiedenen Simulationsszenarien sehr schnell funktioniert. Ein neues Simulationsszenario ist in nur zehn Tagen aufgebaut.


Bild 4: Relationen der Simulation von Produktions- und Logistikprozessen.


Einsatzbereiche

Es können Untersuchungen durchgeführt werden, ob Push oder Pull- Prinzipien. Vorteilhaft für die Materialversorgung sind, ob die Fertigungssteuerung durch MES oder durch das ERP-System erfolgen soll, wie eine Teileidentifikation sinnvoll erfolgen kann oder welche Anforderungen an Funkinfrastrukturen in der Fabrik unter realitätsnahen Bedingungen zu stellen sind. Weiter kann eine Werkzeugverwaltung eingebunden werden, Ladungsträger zugeordnet und z. B. geplante versus adaptive Instandhaltung erprobt werden. Damit können die Vorzüge der Wandlungsfähigkeit produktionstechnischer und logistischer Systeme durch vergleichende Gegenüberstellung berechnet werden.
 

Zusammenfassung und Ausblick

Der Ansatz der Wandlungsfähigkeit liefert ein Paradigma für die Anpassung produktionstechnischer und logistischer Systeme. Er hilft der Unternehmensentwicklung bei der Anpassung an neue Anforderungen und kann inzwischen auf umfassende Felderfahrungen verweisen. Weiterer Forschungsbedarf besteht in der automatisierten Erkennung struktureller Analogien, etwa durch Graphtraversion, in der Übertragung des Ansatzes der Wandlungsfähigkeit auf Prozessketten und in der Steigerung der Anpassungsfähigkeit für vorhandene Systeme und Prozesse.

 

 

 

 

Schlüsselwörter:

Simulation, Wandlungsfähigkeit, Produktionssystem

Literatur:

[1] Knof, H.-L.: CIM und organisatorische Flexibilität. München 1992.
[2] Wegenberger, J.: Computerlernen und Autorensysteme. Stuttgart 1995.
[3] Baitsch, Ch.: Was bewegt Organisationen? Frankfurt/Main; New York 1993.
[4] Gronau, N.: Wandlungsfähigkeit industrieller Informationssystemarchitekturen. 2. Auflage Berlin 2006.
[5] www.industrie40-live.de