Advanced Planning - Six Sigma Europe Production Planning and... · Production Planning & Scheduling...

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Production Planning & Scheduling

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Advanced Planning

09 Production Planning & Scheduling



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Inhalt

Aufgabe des PP&S

Erstellung des Belegungsplans

Modelbildung

Aktualisierung des Belegungsplans

Anzahl der Planungsebenen



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Aufgaben des PP&S

Aufgabe des Produktion Planning & Scheduling

Feinplanung für die einzelnen Werke und Fertigungsbereich

Baut auf den Ergebnissen des Master Plannings auf

Im Ergebnis wird die genaue Belegung der Maschinen geplant

Maschinenbelegungsplan

außerdem werden die optimalen Losgrößen für die einzelnen Fertigungsaufträge

bestimmt

Ausprägung der notwendigen (Fertigungs-) Modelle

hängt von einer Reihe von Faktoren, bspw. dem Fertigungstypen ab

Ziel: optimale Auslastung der Kapazitäten

Einhaltung von Kundenterminen



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PP&S im Rahmen von Advanced Planning

Production Planning & Scheduling innerhalb des Advanced Planning

Produktion Distribution Absatz Beschaffung

Erstellen von Planungsmodellen

Planung der Maschinenbelegung

Aktualisierung /Optimierung des Belegungsplans

das Masterplanning liefert

die Rahmendaten

Vorgaben für

Stücklistenauflösung



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Inhalt

Aufgabe des PP&S


Modelbildung





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Erstellung eines Belegungsplans

Rahmenbedingungen für den Belegungsplan

Der Belegungsplan beinhaltet

wann jeder Auftrag,

in welcher Reihenfolge,

auf welcher Ressource,

beginnt und endet.

Der Planungszeitraum kann zwischen einen Tag u. einer Woche variieren

mindestens so lang wie der längste Durchlauf eines Auftrags

begrenzt durch Genauigkeit der Bedarfsprognose

Der Belegungsplan sollte nicht ständigen Änderungen unterliegen (aufgrund von

Auftragsänderungen oder Störungen)

Detaillierungsgrad ist u.a. vom Fertigungstyp abhängig

Für einige Produktionstypen (Werkstattfertigung) ist ein PP&S für alle Engpassressourcen

gemeinsam erforderlich

Bei Gruppenfertigung genügt ein grober periodenbezogener Kapazitätsabgleich von einer

Gruppe zu bearbeitender Aufträge

die Reihenfolge legt die Gruppe manuell fest

A B C D Rüstzeit

Produktion

Gantt-Chart für 4 Aufträge auf einer Maschine

100 01 02 03 04 05 06 07 08 t



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Vorgaben für den Belegungsplan

Ein wesentlicher Input sind die Erfahrungen der Disponenten vor Ort

selten sind alle notwendigen (Detail-) Informationen im System hinterlegt

Erstellung sollte dezentral erfolgen

Die notwendige Rahmendaten stellt das Master Planning zur Verfügung

Umfang der einsetzbaren Überstunden und Zusatzschichten

mit externen Zulieferern vereinbarte Liefermengen

anzustrebende saisonale Lagerbestand am Ende des Planungszeitraums (soweit es sich um

eine Lagerproduktion handelt)



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Ablauf zur Erstellung eines Belegungsplans (I)

Abbildung des Produktionsprozesses und der

zugehörigen Materialflusses eines

Fertigungsbereiches (oder Werkes)

hoher Detaillierungsgrad

meist auf die potentiellen Engpassressourcen

beschränkt bestimmen die Produktionsleistung

1. Modelbildung

2. Übernahme der benötigen Input-

daten aus dem ERP-System

3. Erzeugung möglicher Szenarien

4. Generierung des (ersten)

Belegungsplans

5. Analyse des Belegungsplans und

ggf. Modifikation

6. Entscheidung

für ein Szenario

7. Ausführung und Aktualisierung bis

Reoptimierung erforderlich

1

2

1. Modelbildung

2. Bereitstellung der Inputdaten

Das PP&S verwendet Daten aus:

dem PPS-System

dem Master Planning

ja

nein



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Ablauf zur Erstellung eines Belegungsplans (II)

Eine weitere, wesentliche Datenquelle sind die

detaillierten Kenntnisse der Entscheidungsträger in den

Fertigungsbereichen

tatsächlich vorhandene Produktionsbedingungen

Fähigkeiten verfügbarer Mitarbeitern (oft nicht in

der zentralen EDV gespeichert)

mit diesen Daten werden Input-Daten modifiziert um

realistische Szenarien zu generieren

1. Modelbildung


daten aus dem ERP-System (MPP)



Belegungsplans


ggf. Modifikation

6. Entscheidung

für ein Szenario



1

2


4. Erzeugung eines (ersten) Belegungsplans

für ein gegebenes Szenario mit Hilfe des APS

entweder in zwei aufeinander folgenden Planungsstufen

oder in einer Planungsstufe

ja

nein



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Ablauf zur Erstellung eines Belegungsplans (III)

bei unzulässigen Belegungsplan können die Entscheider

den Plan so modifizieren, das ein neuer Planlauf einen

zulässigen Plan erzeugt

Einführen von Überstunden oder

Angabe alternativer Arbeitspläne (Umgehung der

Engpassressource)

Unzulässigkeiten werden als Alerts angezeigt

Termin- , Kapazitätsüberschreitungen

1. Modelbildung





Belegungsplans


ggf. Modifikation

6. Entscheidung

für ein Szenario



1

2

5. Analyse des Belegungsplans u. ggf. Modifikation

6. Entscheidung für ein Szenario

sind alle Plandaten überprüft, kann das beste Szenario

mit zugehörigen Belegungsplan ausgewählt werden

ja

nein



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Ablauf zur Erstellung eines Belegungsplans (IV)

Weiterleitung des Belegungsplans an:

das PPS-System, um die anstehenden Entscheidungen

des Plans ausführen zu lassen

an das Transportmodul (Routenplanung, Beladungen)

das MRP-Modul für Stücklistenauflösung

Stücklistenauflösung für alle potenziellen

Engpassressourcen

Ergebnis: Aufträge für Nicht-Engpassressourcen,

sowie Reservierungen (bzw. Bestellungen)

notwendiger Materialien

Umsetzung des Belegungsplans bis ein Ereignis eine

Planrevision erforderlich macht ( )

neuer Kundenauftrag

Ausfall einer Maschine

Änderungen im Model sind relativ selten ( )

Bspw. weiter Fertigungsstufen

1. Modelbildung





Belegungsplans


ggf. Modifikation

6. Entscheidung

für ein Szenario



1

2

7. Ausführung und Aktualisierung bis Reoptimierung

erforderlich

ja

nein 2

1



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Inhalt

Aufgabe des PP&S


Modelbildung





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Modelbildung

Notwendige Daten zur Modelbildung

Hierzu müssen zunächst eine Reihe von Stammdaten abgebildet werden:

Standorte,

Rohstoffe, Teile und Baugruppen

Stücklisten (als einstufige Baukastenstücklisten ausgeführt, d.h. jedem Teil sind nur die direkten

Vorgängerteile zugeordnet)

Arbeitspläne beinhalten die Aktivitäten und damit den Ressourcenverbrauch je Teil

Produktionsmittel (Maschinen und Anlagen)

Angaben zu den Zulieferern

Rüstmatrizen sowie Schichtpläne und Fabrikkalender

Sowohl der Teilebedarf je Auftrag (aus Stückliste) als auch der Ressourcenverbrauch je

Teil (aus Arbeitsplan) werden für die Einplanung von Aufträgen benötigt

Baukastenstücklisten und Arbeitspläne zusammen bilden ein Produktionsprozessmodel

(PPM)

Das Modell eines Fertigungsbereiches muss alle Eigenschaften des Produktions-

prozesses abbilden, die für die Einhaltung der Liefertermine wesentlich sind.



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Modelbildung

Darstellung von Produktionsprozessmodellen am Beispiel ‚Ketchup-Produktion‘

Beispiel für Model eines zweistufigen

Fertigungsprozesses

das 1. PPM zeigt den Herstellungsprozess

der Ketchup-Sauce

beinhaltet Reinigung, Rühren und Warten

bis zu Abfüllung

die fertige Sause muss innerhalb 24h

abgefüllt werden

das 2. PPM zeigt den Abfüllvorgang

ein PPM besteht aus mindestens einem

Arbeitsgang mit einer oder mehreren

Aktivitäten

bezieht sich immer auf eine

Primärressource (im 1. PPM der Kessel)

Aktivitäten können Materialien als Input

und als Output haben

die technisch notwendige Reihenfolge

(Vorrangbeziehungen) wird mit Pfeilen

dargestellt

Reinigungs-

material Rohstoffe

(hier Zutaten)

Reinigung Rühren Warten

flüssiger

Ketchup Abfall

Primärressource 1: Kessel

Primärressource 2: Verpackungslinie

(…) Aktivität Material Materialfluss zwischen Aktivitäten (mit mini-

malen und maximalen (neg.) Zeitabständen 0 Std.

Reinigung Abfüllung Verpackung

Karton flüs. Ketchup,

Flaschen

*Reinigungs-

personal

*Abfüllungs-

personal

*Verpackungs

-personal

* Sekundär-

ressourcen

Kartons

mit je 24

Ketchup-

flaschen



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Modelbildung

Darstellung der zeitlichen Abläufe im PPM

Für die Vorrangbeziehungen sind (wie in der Netzplantechnik) folgende Verknüpfungen von

Aktivitäten möglich:

Ende-Start, Ende-Ende, Start-Ende und Start-Start sowie zeitliche Mindest- und

Höchstabstände

damit ist eine sehr genaue Abbildung der zeitlichen Beziehungen zwischen den Aktivitäten möglich

einschließlich der Abbildung paralleler Ressourcen mit überlappender Bearbeitung

Reinigungs-

material Rohstoffe

(hier Zutaten)


flüssiger

Ketchup Abfall

Primärressource 1: Kessel

(…) Aktivität Material Materialfluss zwischen Aktivitäten (mit mini-

malen und maximalen (neg.) Zeitabständen 0 Std.



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Modelbildung

Verbindung einzelner PPMs (Pegging)

die einzelnen PPMs werden durch

‚Pegging-Pfeile‘ in eine zeitliche Ordnung

gebracht (hier blau dargestellt)

hierzu werden die zu den Output-Materialien

gehörenden Knoten eines PPMs mit denen

der Inputmaterialien im nachfolgenden

PPMs verbunden

mit der Auflösung der Kundenaufträge

anhand der zugehörigen PPMs werden die

Materialbedarfe innerhalb bestimmter

Zeitfenster berechnet

beginnend mit der letzten

Bearbeitungsstufe

die PPMs werden ausschließlich in APS

gespeichert und aktualisiert

die zeitlichen Beziehungen zwischen den

Aktivitäten lassen sich damit oft viel

genauer beschreiben, als dies in den

Stücklisten und Arbeitsplänen der ERP und

PPS-Systemen möglich ist

Reinigungs-

material Rohstoffe

(hier Zutaten)


flüssiger

Ketchup Abfall

Reinigung Abfüllung Verpackung

Karton flüs. Ketchup,

Flaschen

*Reinigungs-

personal

*Abfüllungs-

personal

*Verpackungs

-personal

Kartons

mit je 24

Ketchup-

flaschen



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Modelbildung

Weitere notwendige Daten

Bewegungsdaten geben u. a. den jeweiligen Zustand des Fertigungsprozesses wieder:

Lageranfangsbestände, einschließlich Work-in-Process

Rüstzustände der Ressourcen und

der Auftragsbestand, der in einem vorgegebenen Zeitintervall zu bearbeiten ist

Des weiteren hat der Anwender die Möglichkeit aus einer Menge an (Entscheidungs-) Regeln zu wählen

Losgrößenregeln

Prioritätsregeln

alternative Maschinenfolgen

• einige APS erwarten Regeln als Input für die nachfolgende Planung (z.B. minimale Losgrößen und Eindeckzeiten)

• die Fixierung auf sogenannte „wirtschaftliche Losgrößen“ ist oft nicht Zielführend, da in der Praxis häufig nur minimale Kosteneinsparungen erzielt werden

• besser ist die Flexibilisierung der Losgrößen um die Produktion zu glätten und Überstunden zu vermeiden

Ermittlung von Losgrößen

• bei alternativen Maschinenfolgen wird die optimale Lösung nicht vom AP-System errechnet

• präferierte Maschinenreihenfolgen sind vom Benutzer anzugeben oder in einer Rangfolge aufzulisten

• das Lösungsverfahren beginnt mit dann mit der ersten und „probiert“ bis eine passende gefunden wird

Maschinenreihenfolge



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Modelbildung

Festlegen der Ziele für das Planungsmodel

Zur Findung einer – möglichst optimalen – Lösung müssen die Ziele vorgegeben werden

hauptsächlich gilt es Zeitziele zu optimieren:

Minimierung von Zykluszeiten

Minimierung der Summe von Terminüberschreitungen

Minimierung der maximalen Terminüberschreitung

Summe der Durchlaufzeiten der Aufträge

Summe der Rüstzeiten

Kostenbeeinflussung ist auf dieser Ebene der Planung eher gering, aber vorstellbar

als Kostenziele kommen in Betracht:

variable Produktionskosten (Bspw. Standard- oder Eilbearbeitung),

Rüstkosten und

Strafkosten

Falls mehrere Ziele verfolgt werden, kann häufig nicht für jedes Ziel ein Optimum erreicht

werden Kompromisslösung (bspw. durch Wichten der einzelnen Ziele)



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Modelbildung

Darstellungsmöglichkeiten für fertigen Belegungsplan

Für die Darstellung der gefundenen Lösung gibt es mehrerer Möglichkeiten

die einfachste ist eine Liste der Aktivitäten mit Start- und Endterminen, sowie den betreffenden

Anlagen

Ein Entscheidungsträger wird ein Gantt-Diagramm bevorzugen

• Belegung der einzelnen Ressourcen mit Aufträgen in einen vorgegebenen Zeitintervall

Ressourcen-Gantt-Diagramm

• Sicht auf die einzelnen Aufträge und die im Zeitablauf stattfindenden Bearbeitungen auf den jeweiligen Ressourcen Auftrags-Gantt-Diagramm

• Sicht auf nur eine Ressource oder einen Auftrag Einzelauswahl

Ansichtsmöglichkeiten Gantt-Diagramm:

Für den interaktiven Eingriff in den Plan (z.B. durch Verschieben eines Arbeitsgangs) ist das

Ressourcen-Gantt-Diagramm am besten geeignet



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Inhalt

Aufgabe des PP&S


Modelbildung





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Möglichkeiten zur Aktualisierung von Belegungsplänen

Das Planungssystem geht davon aus, dass alle Daten mit Sicherheit bekannt sind

deterministische Entscheidungssituation wird unterstellt

selbst für kurze Zeiträume ist dies eine optimistische Annahme

kurzfristige Auftragseingänge

Störungen, etc.

APS bietet die Möglichkeit, Abweichungen zwischen Plan- und Ist-Produktion anzuzeigen

Fertigstellungszeitpunkte werden automatisch aktualisiert – der Disponent entscheidet, ob eine

Reoptimierung notwendig ist

Vorteil APS: - umfangreichen Möglichkeiten zur Erzeugung von Szenarien

„Durchspielen von Möglichkeiten“ erleichtern die Entscheidungsfindung

neben der Möglichkeit den Plan völlig neu zu erstellen gibt es noch das zweistufige Planungsverfahren

zuerst werden zusätzliche Arbeitsgänge in den Belegungsplan eingefügt

dann wird der vorläufige Plan reoptimiert, um Kosten zu senken

Änderungsbedarf



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Beispiel für zweistufige Plananpassung (I)

Ausgangssituation

Auftrag A B C D

Fertigstellungstermin 102 104 107 108

vereinbarte Fertigstellungstermine

A B C D E

A 0 0 1 1 1

B 1 0 0 0 2/3

C 1 1 0 0 1/3

D 1 1 1/3 0 1

von nach

Rüstmatrix

A B C D Rüstzeit

Produktion


mit Durchlaufzeit und Reihenfolgeabhängiger

Rüstzeit

100 01 02 03 04 05 06 07 08 t

4 Aufträge sollen auf einer Maschine bearbeitet werden

Fertigstellungstermine sind einzuhalten

die reihenfolgenabhängigen Rüstzeiten betragen entweder 0 / 1 / 1/3 oder 2/3 Zeiteinheiten

Ziel: Minimierung der Summe der reihenfolgeabhängigen Rüstzeit

der Planungszeitraum beginnt bei 100

Ausgangssituation



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Beispiel für zweistufige Plananpassung (II)

Planänderung

Auftrag A B C D E

Fertigstellungstermin 100 104 107 108 107

vereinbarte Fertigstellungstermine

A B C D E

A 0 0 1 1 1

B 1 0 0 0 2/3

C 1 1 0 0 1/3

D 1 1 1/3 0 1

E 1 1 2/3 1 0

von nach

Rüstmatrix

A B C D Rüstzeit

Produktion


mit Durchlaufzeit und Reihenfolgeabhängiger

Rüstzeit

100 01 02 03 04 05 06 07 08 t

Nachdem A begonnen wurde soll ein weiterer Auftrag E angenommen werden

Fertigungstermin ist 107

es wird unterstellt, dass eine begonnen Bearbeitung nicht unterbrochen wird

da zwischen E und B eine positive Rüstzeit anfallen würde ist das Einfügen zwischen A und B nicht möglich

E

x ? ?



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Beispiel für zweistufige Plananpassung (III)

A B C D Rüstzeit

Produktion 100 01 02 03 04 05 06 07 08 t

Für die Planänderung ergeben sich 3 Alternativen

Alternative a)

A B C D E

A 0 0 1 1 1

B 1 0 0 0 2/3

C 1 1 0 0 1/3

D 1 1 1/3 0 1

E 1 1 2/3 1 0

von nach

Rüstmatrix E

Summe der Rüstzeiten: 2 1/3

A B C D Rüstzeit

Produktion 100 01 02 03 04 05 06 07 08 t

Alternative b) E

Summe der Rüstzeiten: 2 1/3

A B C E Rüstzeit

Produktion 100 01 02 03 04 05 06 07 08 t

Alternative c) D

Summe der Rüstzeiten: 2

Alternative c weist die geringste Rüstzeit auf

Nach Reoptimierung des Belegungsplans kann die Rüstzeit um 1/3 optimiert werden!



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Vermeidung von Nervosität in der Produktion

Erzeugung neuer Belegungspläne ist nicht nur zeitaufwendig sondern führt häufig auch

zur Nervosität der Pläne

z.B. wird Inputmaterial plötzlich früher als geplant benötigt

eine Rücksprache mit Lieferanten wird notwendig

Mitarbeiter müssen anders eingeteilt werden, etc.

zusätzlicher Aufwand in der Produktion

zur Vermeidung werden unmittelbar anstehende Aufträge fixiert

man spricht auch von Einfrieren

die eingefrorenen Aufträge sind dann nicht mehr Gegenstand der Reoptimierung

Gängige Praxis ist die Vorgabe eines Zeitintervall, den sog. Frozen Horizon

liegt der Startzeitpunkt eines Auftrags innerhalb des Frozen Horizon, wird dieser

automatisch fixiert



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Inhalt

Aufgabe des PP&S


Modelbildung





Seite 27



Wahl der Planungsebenen hängt von der Komplexität der Fertigung ab

Das PP&S-Modul kann den Belegungsplan entweder in einem Schritt oder in zwei

aufeinander folgenden Schritten erzeugen.

Vorteilhaftigkeit hängt wesentlich vom Produktionstypen ab

Werkstattfertigung

• häufig mehrere Funktionsgleiche Maschinen

• zur Bearbeitung eines Auftrag i.d.R. eine Vielzahl alternativer Produktionswege (Maschinenfolgen)

• Herstellung eines Produkts erfordert mehrstufigen Fertigungsprozess

• Produkt durchläuft dabei mehrere Werkstätten

• bei einer Losbildung werden mehrerer zeitlich aufeinander folgende Bedarfe zu einem Fertigungslos zusammengefasst, um Rüstaufwand einzusparen

• üblicherweise sind Hunderte Fertigungsaufträge innerhalb des Planungszeitraums einzuplanen

zur Reduzierung der Komplexität wird das PP&S in

zwei (hierarchische) Planungsebenen aufgeteilt

in der übergeordneten Ebene wird die Zeit in

Perioden der Länge „Tag“ oder „Wochen“ eingeteilt

funktionsgleiche Ressourcen werden zu

Ressourcengruppen zusammengefasst

sofern die Bearbeitungsdauern sehr viel kleiner

sind, als eine Periode, kann auf eine Planung der

Reihenfolge Fertigungsaufträgen auf den

einzelnen Ressourcen verzichtet werden

Detailplanung erfolgt in der unteren

Planungsebene

Zuordnung von Ressourcen und

Reihenfolgeplanung nur innerhalb einer

Ressourcengruppe

Kom

ple

xe P

lanung



Seite 28



Mögliche Nachteile zweistufiger Planungssysteme

Für die Aggregation von Ressourcen zu Ressourcengruppen müssen die Perioden

relativ lang sein

ein (beliebiger) Fertigungsauftrag muss in der selben Periode starten und enden können

Modelle dieser Einteilung bezeichnet man auch als Big Bucket Modelle

Nachteile von Big Bucket Modellen:

eine zulässige Lösung für ein derartiges Modell führt nicht zwingend zu einen

zulässigen Belegungsplan

Unzulässigkeiten können entstehen, wenn

Reihenfolgeabhängige Rüstzeiten vorliegen,

bei der Kapazitätsglättung Ressourcengruppen betrachtet wurden oder

keine Vorlaufzeit zwischen zwei aufeinander folgenden Arbeitsgängen

eingeplant wurde

Kapazitätsverfügbarkeit der

Betriebsmittelgruppe



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Erläuterung der Nachteile von Big Bucket Modellen (I)

Problem mit reihenfolgeabhängigen Rüstzeiten im Big Bucket Modellen

die Einlastung von Arbeitsgängen auf Ressourcen berücksichtigt nur die Periodenkapazität, aber

nicht die Reihenfolge

Hilfsweise kann ein gewisser Teil der Periodenkapazität für Rüstzeiten reserviert werden

dieser wird i.d.R. entweder zu groß oder zu klein bemessen sein

Problem durch das Zusammenfassen zur Ressourcengruppen

Beispiel: zwei Maschinen werden zu einer Ressourcengruppe zusammengefasst

Es wird eine Periodenzeit von 3 Zeiteinheiten verwendet

daraus ergibt sich eine Periodenkapazität der Maschinengruppe von 6 ZE

Jeder Arbeitsgang erfordert eine Rüstzeit von 1 ZE und eine Bearbeitungszeit von 1 ZE damit

müssten 3 Arbeitsgänge auf der Maschinengruppe innerhalb einer Periode durchgeführt werden

können

Produktionsplan zugehöriger Belegungsplan zur Abarbeitung der drei

Arbeitsgänge auf 2 Maschinen

müsste 1 Arbeitsgang gesplittet

werden

Für jeden ‚Splitt‘ müsste die

Maschine umgerüstet werden



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Abwägen von Vor- und Nachteilen

die Beispiel verdeutlichen, dass genau abzuwägen ist, welche Aggregationen in welchen

Planungssituationen angebracht sind

Häufig wird die Antwort vom Produktionstypen abhängen

Einerseits führt eine Losgrößenplanung und Kapazitätsglättung mit einen Big Bucket

Model zu einer Reduktion des Detaillierungsgrades

andererseits wird ein gewisser Schlupf notwendig, um eine zulässige Disaggregation in

detaillierte Belegungspläne zu ermöglichen

führt tendenziell zu längeren Durchlaufzeiten



Seite 31



Notwendigkeit die Komplexität einzuschränken

Oft sind sehr viele alternative Belegungspläne für eine Ressource möglich (auch wenn

von diesen viele nicht zulässig sein werden)

theoretisch existieren n! verschiedenen Reihenfolgen beim Einplanen von n Arbeitsgängen

auf einer Ressource

d.h. bei 5 Arbeitsgängen ergeben sich 1 x 2 x 3 x 4 x 5 = 120 Möglichkeiten

bei 10 Arbeitsgängen ergeben sich mit 10! bereits mehr als 3,6 * 106 Möglichkeiten

bei 20 Arbeitsgängen 2,4*1018 Möglichkeiten

trotz leistungsstarke Algorithmen zur Reduzierung der zu bewertenden Lösungen, bleibt

es schwierig gute Lösungen bei einer hohen Anzahl von Arbeitsgängen zu erhalten

hier kann die Zerlegung der PP&S in zwei Planungsebenen ein adäquates Mittel sein

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