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19.10.1990 - 

Die C-Techniken von CAX zu CIM

Eine stetige Optimierung von Material- und Informationsfluß

Computer Integrated Manufacturing (CIM) ist ein Konzept mit dem Ziel, die Wirtschaftlichkeit eines Unternehmens durch die Integration vielfältigster Technologien in einem Informationssystem langfristig zu sichern. Wesentlichster Ansatzpunkt ist dabei die Erkenntnis, daß sich die Effizienz produktivitätssteigernder Maßnahmen in einer integrierten Lösung multipliziert.

In den Unternehmen sind heute die Bereiche der Auftragsabwicklung meist strikt untereinander abgegrenzt. Durch diese Trennung wird eine Synchronisation aller Bereiche der Auftragsabwicklung erschwert. Grunddaten werden in der Konstruktion, Arbeitsplanung und -steuerung wiederholt erzeugt, obwohl sie bereits in anderen Abteilungen erfaßt wurden.

Kriterien für Produktionskonzepte

Die in der Konstruktion erstellten Geometriedaten werden zwar in der Arbeitsplanung zur Arbeitsplanerstellung übernommen, müssen aber jeweils von neuem manuell eingetragen oder eingegeben werden. Die Arbeitsplanung beginnt meist erst dann, wenn alle Zeichnungen und Änderungen in der Konstruktion fertiggestellt sind. Die überlappende Abwicklung eines Auftrags in Konstruktion, Arbeitsvorbereitung, Vorrichtungskonstruktion etc. ist zwar möglich, organisatorisch jedoch nicht üblich.

Rückkopplungen zwischen einzelnen Abteilungen zur Produkt- und Produktionsoptimierung sind durch die mangelnde Synchronisation behindert. In den Werkstattbereichen werden Aufträge losweise abgearbeitet. Das Fertigungslos wird in der Regel erst dann zur nächsten Station befördert, wenn es von der vorherigen komplett bearbeitet worden ist. Eine Rückkopplung der aktuellen Betriebs- und Maschinendaten in die planenden Ebenen findet nur in periodenweisen Abständen statt. Oft werden diese Daten erst in der nächsten Planungsperiode (häufig wochenweise) berücksichtigt. Das bedeutet, daß in den Planungssystemen mit Zuständen der Produktionsanlagen gearbeitet wird, die nicht dem aktuellen Zustand entsprechen.

Die Planung basiert auf Daten der Vergangenheit. Änderungen in der Terminplanung werden nicht aufgrund aktueller Ereignisse durchgeführt. Dies führt im gesamten Herstellungsprozeß zu erhöhten Durchlaufzeiten.

Für zukunftsorientierte Produktionskonzepte muß gefordert werden:

- bessere Synchronisation der Auftragsabwicklung, besonders in den der Fertigung und Montage vorgelagerten Unternehmensbereichen,

- fortlaufende Ergänzung der Auftrags-, Geometrie-, Technologie- und Betriebsdaten während des Auftragsdurchlaufs, keine wiederholte Grunddatenerzeugung,

- schneller Zugriff auf alle erforderlichen Auftrags-, Geometrie-, Technologie- und Betriebsdaten durch Verdichtung der Informationen auf das für die jeweilige Abteilung notwendige Maß und

- Aufhebung der starren Trennung der einzelnen Bereiche der Auftragsabwicklung und Ermöglichung einer übergreifenden Arbeitsweise.

Zukunftsorientierte Produktionskonzepte müssen auf informationsverarbeitende Prozesse aufbauen. Ihr Ziel ist ein optimaler Materialfluß in der Produktion und ein ungehinderter Informationsfluß zwischen den verschiedenen Stationen der Auftragsabwicklung. Diese Ziele sind nur mit dem Einsatz rechnerunterstützter Methoden zu realisieren.

Die rechnerintegrierte Konstruktion und Produktion ist ein Lösungsansatz zur Erfüllung der veränderten Forderungen nach einer datengetriebenen Fabrik. Dabei sind drei Aufgabenbereiche im Zusammenhang zu sehen: die Automatisierung der Produktionsprozesse, die Automatisierung des verbindenden Materialflusses und die Automatisierung der Informationsverarbeitung.

Die Komponenten zum Aufbau der rechnerintegrierten Konstruktion und Produktion sind heute erst teilweise verfügbar. Im Fertigungsvorfeld stehen CAD- und CAP-Systeme zur Erzeugung und Verarbeitung von Auftrags- und Betriebsdaten und CAM-Systeme zur Steuerung und Überwachung der Betriebsmittel im Fertigungs- und Montageprozeß zur Verfügung. Auf Werkstattebene werden numerisch gesteuerte Bearbeitungsmaschinen mit automatischen Werkstück- und Werkzeugwechseleinrichtungen, Industrieroboter, fahrerlose Transportsysteme und automatische Lagereinrichtungen bereits eingesetzt.

Geometriedaten mehrfach verwendet

Im Fertigungsvorfeld besteht die Aufgabe darin, die CAD-Systeme in der Konstruktion mit den CAP-Systemen (zum Beispiel NC-Programmiersystemen) in der Arbeitsvorbereitung und den PPS-Systemen zu koppeln. Von der Konstruktion werden Formgebung, Teilekontur, Toleranzen, Werkstoffe und Oberflächengüte festgelegt und im CAD-System rechnerintern abgelegt.

Beim Einsatz von CAD in der Konstruktion und von rechnerunterstützten NC-Programmierverfahren in der Arbeitsplanung (CAP) besteht die Forderung nach einer Mehrfachverwendung der im Konstruktionsbereich erstellten Geometriedaten, um sie bei der Arbeitsplanerstellung um Technologie- und Betriebsdaten zu ergänzen. Dazu müssen die Geometriedaten von entsprechenden Koppelprogrammen im Format der jeweiligen NC-Programmiersprache zur Verfügung gestellt werden, um eine erneute Geometriedefinition bei der Teileprogrammierung zu vermeiden.

Die Arbeitssteuerung (CAM) benötigt darüber hinaus die schnelle Zugriffsmöglichkeit auf sämtliche Auftrags- und Betriebsdaten, die sowohl in der Konstruktion als auch in der Arbeitsplanung erzeugt wurden.

Neben der Integration der Informationsflüsse zur Produktbeschreibung benötigen die Produktionsplanungs- und Steuerungssysteme Informationen aus den technischen Bereichen der Auftragsabwicklung. Flexibel automatisierte Produktionssysteme erfordern zur Produktionsplanung, -steuerung und -überwachung einen schnellen, zuverlässigen Daten- und Informationsfluß im Unternehmen.

Ziel von PPS-Systemen ist es, eine genauere Maschinenkapazitäts- und Personalplanung zu ermöglichen, hohe Termintreue und kürzere Durchlaufzeiten zu erreichen und eine Gesamtbeurteilung der Produktionssituation geben zu können.

Mit aktuellen Daten über den Fertigungsfortschritt jedes Fertigungsauftrages während der Auftragsabwicklung und einer Übersicht über den aktuellen Auslastungsgrad und den Systemzustand der Betriebsmittel soll ein wirtschaftliches Gesamtoptimum in der Auftragsabwicklung erreicht werden. Die schnelle, sichere und fehlerfreie Generierung von Daten ist entscheidend für die Aktualität der Planungsergebnisse.

Aus den CAD-Systemen, welche in der Konstruktion nicht nur die Geometrie, sondern auch den Aufbau von Produkten beschreiben, können die Stücklisten für die Planungssysteme direkt gewonnen werden. Hier entstehen auch die ersten Stammdaten für die Fertigungsteile eines Betriebs. In der Arbeitsplanung wird mit Hilfe der CAP-Systeme der Arbeitsablauf mit den benötigten Betriebsmitteln festgelegt. Die zeitliche Belastung eines Betriebsmittels für einen Produktionsschritt stellt die Grundlage der Terminierung dar. Bei der Durchführung der Produktion ist die ständige Überwachung des Produktionsablaufs notwendig, um möglichst rechtzeitig auf organisatorische und technische Störungen reagieren zu können.

Hierzu gehört auch die Implementierung einer DV-unterstützten Betriebsdatenerfassung (BDE) in der Produktion, die eine aktuelle Produktionsdatenerfassung direkt am Arbeitsplatz erlaubt.

Als Automatisierungsbausteine auf Werkstattebene stehen numerisch - allerdings noch nicht genügend flexibel - gesteuerte Werkzeugmaschinen, Industrieroboter, fahrerlose Transportsysteme sowie automatische Lagereinrichtungen zur Verfügung. Die modernen computergestützten Produktionsmittel erlauben trotz der steigenden Komplexität der Produkte eine schnelle flexible Anpassung an die technischen Notwendigkeiten von neuen Erzeugnissen.

Zusätzlich kann durch die Flexibilität eine Verkürzung der Rüstzeiten erreicht werden. Dadurch sinken die wirtschaftlichen Losgrößen, die Durchlaufzeiten und die Werkstattbestände. Zu den genannten Automatisierungsbausteinen kommen Zellen- und Leitrechner für die Steuerdatenverteilung sowie die Betriebsdatenerfassung und -verarbeitung. CAM- und Leitrechnersysteme bilden die informationstechnische Verbindung zwischen Werkstattebene und Fertigungsvorfeld.

Alle Automatisierungsbausteine müssen in der Lage sein, untereinander Daten auszutauschen. Diese Aufgabe fällt der Leittechnik zu. Die Leittechnik koordiniert die Kommunikation zwischen allen Informationsflußebenen, von der untersten, der Steuerungsebene, bis zur höchsten, der Planungs- und Dispositionsebene. Einflußgrößen wie der Komplexitätsgrad der Produktionsaufgabe, der Automatisierungsgrad und die Betriebsgröße bestimmen die Anzahl an notwendigen Hierarchieebenen, die zwischengeschaltet werden müssen. Jede Ebene benötigt geeignete ablauforganisatorische Funktionen, die den Datenaustausch und den Auftragsdurchlauf regeln. Durch die hierarchische Gliederung in Produktionsleitebenen und die räumlich verteilten Automatisierungsbausteine entsteht ein dezentrales Kommunikationsnetz in der Produktion, das in der Informationsverarbeitung die, Problemkreise Rechnerhierarchie und Netzwerke enthält.

Trotz des großen Rationalisierungsbedarfs in weiten Teilen der industriellen Auftragsabwicklung und trotz der Tatsache, daß sowohl CIM-Konzepte als auch CIM-Bausteine bereits einen hohen Entwicklungsstand erreicht haben, gibt es bislang nur wenige komplexe CIM-Anwendungen in der Industrie. Zwar wurden in den letzten Jahren in einer Reihe von Unternehmen CAD/CAM-, BDE-, PPS- oder DNC-Systeme in Betrieb genommen. Doch stellen diese Installationen in der Regel Insellösungen dar, die nur begrenzte Rationalisierungseffekte zur Folge haben uns nicht das volle Potential einer rechnerintegrierten Produktion nutzen.

CIM: Mehr als Summe von Einzelbausteinen

CIM ist mehr als die Summe von Einzelbausteinen, die es auf dem Markt zu kaufen gibt. Auch kann man CIM nicht als geschlossenes Hard- und Softwarepaket erwerben, um es dann als Ganzes im Unternehmen einzuführen. Die verschiedenen Produkte sowie unterschiedliche aufbau- und ablauforganisatorische Unternehmensstrukturen erfordern angepaßte gesamtheitliche Konzepte. Solche Konzepte sollten den stufenweisen Aufbau und Ausbau der einzelnen Funktionsbausteine und deren Integration zu einem Gesamtsystem enthalten.

Ein weiteres Hemmnis für die Verwirklichung rechnerintegrierter Systeme sind oft die in den Unternehmen bereits installierten Softwaresysteme, die aufgrund ihrer Entwicklung nicht mehr vollständig oder nur sehr schwer mit anderen Systemen integrierbar sind.

Hierzu zählen PPS-Systeme, die nach Batchverfahren arbeiten und dem heutigen Stand der dialogorientierten Datentechnik und den Anforderungen an die Integrationsfähigkeit nicht entsprechen. Die Übernahme gewachsener Datenbestände in, neue Systeme ist hierbei eine der schwierigsten Hürden, aber eine wirtschaftlich bedeutsam Anforderung bei der Implementierung neuer Komponenten. Für diese Aufgabe stehen besonders in kleineren Unternehmen derzeit nicht die DV-Spezialisten zur Verfügung, die solche Arbeiten durchführen können. CIM ist nicht - quasi als Organisations- und Technologiesprung - von heute auf morgen zu realisieren. Im Sinne eines stufenweisen Aufbaus müssen einmal realisierte Ansätze integriert und dabei teilweise aktualisiert werden. Erforderlich für eine erfolgreiche CIM-Installation ist daher ein unternehmensindividuelles Bausteinkonzept. Diese Individualität wird sich sowohl auf die funktionellen Bausteine an sich, als auch auf die Problemlösung innerhalb der Bausteine erstrecken. Schlagworte wie "CIM kauft man nicht von der Stange", "CIM ist ein Konzept, kein Programm" tragen jedoch nicht unerheblich zur bestehenden Verwirrung bei. Nur eines ist wirklich sicher - da der Aufwand für die Einführung von CIM nicht proportional von der Mitarbeiteranzahl abhängt, können sich heute in der Regel nur Großunternehmen ein derartiges Organisationsprojekt leisten. Kleinere und mittlere Firmen sind in ihrer Existenz hochgradig gefährdet:

- Großbetriebe werden durch CIM unter Umständen sowohl hinsichtlich der terminlichen und produktmäßigen Erfüllung der Kundenwünsche als auch hinsichtlich der Nutzung des eingesetzten Kapitals flexibler als Kleinbetriebe. Damit entfällt für die mittelständische Industrie der wesentliche Wettbewerbsvorteil.

- Da ein mengenmäßiges Wachstum nur begrenzt möglich ist, werden Großunternehmen - um die Auswirkungen von Rationalisierungsmaßnahmen auf den Personalstand auszugleichen - die Fertigungstiefe zwar nicht je Fertigungsort/Fabrik, aber auf das Gesamtunternehmen hin gesehen ausdehnen. Zulieferer werden daher immer weniger Produktnischen finden.

Die Zukunftssicherung der mittelständischen Industrie kann deshalb ebenfalls nur über den Weg CIM gelingen. Die Devise kann nur "besser, billiger, schneller, noch flexibler als die Großen" lauten. Andere Chancen zeichnen sich nicht ab: "So weitermachen wie bisher" zumindest ist kein Weg. Mit anderen Worten: Erst wenn es gelingt, vor allem die mittelständische Industrie für die CIM-Philosophie aufgeschlossen zu machen und für ihre spezifischen Anwendungsfälle sinnvolle Lösungen zu entwickeln und umzusetzen, wird diese neue Technologie zu einer für breite Kreise fairen, zukunftsträchtigen und damit auch gesellschaftspolitisch positiven Chance. Andernfalls kann CIM ein entscheidendes Instrument für eine verhängnisvolle Monopolisierung des produktionstechnischen Potentials werden.

Für die weitere Zukunft kann sich CIM nicht nur auf das möglichst effektive Produzieren in einer bestehenden Fabrik beschränken. Häufig bedingt ein neues Produkt neue Betriebsmittel, neue Prozesse - gegebenenfalls eine komplett neue Fabrik. Die frühzeitige Marktpräsenz wird dann nicht nur allein durch den Produkterstellungsprozeß bestimmt. Mindestens ebenso wichtig wie die Produktseite ist hier, in kürzester Zeit Produktionseinrichtungen, Prozesse und Basisinformationen so bereitzustellen, daß ab dem ersten Produktionstag ohne Mengen- und Qualitätseinbrüche gefertigt werden kann. Nur so läßt sich über einen zeitlichen Wettbewerbsvorsprung eine angemessene Amortisation erzielen.

Auch hier gilt: Doppelarbeit muß um jeden Preis vermieden werden, Tests müssen - wo immer möglich - auf dem Rechner gefahren werden. Ein erster Ansatz in dieser Richtung ist das ESPRIT-Projekt AMICE (CIM-OSA). Allerdings ist CIM-OSA derzeit nur ein leeres Framework. Die Vorstellung muß sein: Die komplette Fabrik wird auf dem Rechner modelliert, strukturiert, dimensioniert, ausgetestet... Am Tag des Produktionsbeginns sind bereits x Tage als Simulation produziert worden. Der Tag x bedeutet lediglich, daß jetzt tatsächlich produziert wird. Die Prozesse, die NC-Programme, die Steuerungs- und Qualitätssicherungsprogramme und so weiter sind identisch, die komplette Anlaufphase entfällt.

Als nächste Stufe von CIM ist daher anzustreben: Die rechnerunterstützte Strukturierung, Modellierung, Dimensionierung und Erprobung des optimalen Produktionsprozesses auf der Basis eines integrierten Informationsmodells. Die Aufgabe ist zum Beispiel, im Modell mittels Simulation die optimale Steuerungsstrategie zu finden, unabhängig, ob ein bestehendes PPS-System diese Strategien abbilden kann.

Das Vorhandensein von Standard-Software und deren Einbindung ist nicht die Frage: Moderne CASE-Instrumente werden die Programmentwicklung so vereinfachen daß nur noch maßgeschneiderte Software in Frage kommt. In diesem speziellen Fall wird eine Programmierung sogar ganz überflüssig: Spezielle Programmerstellungstools können aus den Simulationsdaten das komplette Steuerungsprogramm automatisch erzeugen.

An bestehenden CAD-, CAP-, CAQ- und so weiter Programmen ist nicht der Programmaufbau, die Funktionsweise und so weiter interessant, sondern in erster Linie, ob sie über normierte Schnittstellen in ein solches Unternehmensmodell eingefügt werden können.

Die weiteren Entwicklungsschwerpunkte sind damit:

1. Die Modellierung der Betriebsmittel und ihrer Strukturierung mit allen für den echten Prozeß notwendigen Daten,

2. Die Modellierung der Produkte und ihrer Strukturierung mit allen für den echten Prozeß notwendigen Daten,

3. Die Modellierung des Prozesses als Zuordnung Produkt - Verrichtung - Betriebsmittel,

4. Die Umsetzung einer Prozeßmodellierung in eine geeignete PPS-/Fertigungssteuerungshierarchie.

Die wesentlichen Faktoren für eine Beschleunigung der Planungsphase und damit der Marktpräsenz sind:

1. Die saubere Trennung der Planungsfunktionen entsprechend den Beschreibungsgrößen einer (Produktions-)Aufgabe in produkt-/material-, ressourcen-, prozeß-/verrichtungs- und die ergänzenden mengen-/termindefinierenden Funktionenebenen.

2. Die saubere Trennung der Datenbestände nach Produkt-, Ressourcen- und Prozeßdaten.

3. Die Normung aller Schnittstellen. Ohne europäischen Beitrag zur Normung werden strategische Entscheidungen über die Wettbewerbsfähigkeit in Übersee gefällt. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung arbeitet daher an exportierter Stelle in der CIM-Normung mit.

Kleinere und mittlere Unternehmen erhalten heute ihre Beratung/Information fast ausschließlich von Rechnerherstellern und Software-Häusern. Damit ist der Anwender dem Rat der Berater hilflos ausgeliefert: Hersteller haben keine unternehmensindividuelle Lösung anzubieten, sondern rechnerspezifische Konzepte, die "unternehmensneutral" sein sollen.

Wenn es bei CIM darauf ankommt, verschiedene Organisationseinheiten und Einrichtungen betriebsspezifisch zu integrieren, müssen die Unternehmen, die CIM schrittweise einführen wollen, selbst über ein für Entscheidungen ausreichendes Know-how auf diesem Gebiet verfügen.

Viele Unternehmen haben weder das Know-how noch die Personalkapazität, CIM-Lösungen zu implementieren. Trotzdem kann und darf der Weg zu CIM nicht in ein unwägbares und unverantwortliches Risiko münden. Die Übernahme von einzelnen "bewährten" CIM-Komponenten bestimmter Hersteller kann aber nicht die Lösung sein: Ein System ist mehr als die Summe seiner Elemente. Mittelständische Unternehmen benötigen deshalb Unterstützung auf zwei essentiellen Gebieten:

- Entwicklung eines ganzheitlichen CIM-Konzepts individuell vor dem Hintergrund der Unternehmenssituation,

- Erarbeitung eines Strategiekonzepts zur stufenweisen Realisierung von CIM.

Ein Informationskonzept ist individuell - jeder muß seinen eigenen Weg gehen!

1. Beziehen Sie Ihre Mitarbeiter früh mit ein. Die Güte Ihrer Lösung hängt vom Detailwissen der Mitarbeiter auf allen Ebenen ab.

2. Bauen Sie das Know-how im eigenen Betrieb auf, überlassen Sie es nicht ganz Externen - es geht um Ihre spezielle Lösung.

3. Erstellen Sie ein Gesamtkonzept, das für alle verbindlich ist und ohne Änderung Zug um Zug umgesetzt wird.

4. Realisieren Sie Ihr Konzept stufenweise. CIM wird nicht aus dem Hut gezaubert.

5. Siedeln Sie die CIM-Projektführung möglichst hoch an (Geschäftsleitung, oberes Management) und bündeln Sie die Verantwortung.

6. Behalten Sie die Schnittstellen im Auge - stets bleiben einige Schnittstellen, die aus eigener Kraft bewältigt werden müssen.

7. Stellen sie durch ein möglichst neutrales und flexibles Konzept sicher, daß Sie nicht von Herstellern abhängig werden.

8. Erproben Sie selbst, wie leistungsfähig und kompatibel die für Sie in Frage kommenden Komponenten sind - Versprechungen weichen oft von den Tatsachen ab.

Packen Sie die Sache sofort an - CIM sichert die Wettbewerbs- und Überlebensfähigkeit!

Privatdozent Wilhelm Dangelmaier ist bei der IPA, Fraunhofer Gesellschaft für Produktionstechnik und Automatisierung in Stuttgart, tätig.