DiFOR

Referenzmodell zur durchgängigen digitalen Planung komplexer Produktionssysteme (DiFOR)

Ein Drei-Säulen-Konzept; Modell – Methode – System

Zusammenfassung

Dieser Beitrag stellt das Konzept und den aktuellen Praxiseinsatz eines Referenzmodells zur Planung mit digitalen Fabrik-Werkzeugen in der Vorproduktion vor. Dieses Referenzmodell DiFOR (Digital Factory Operating Reference) wurde in Zusammenarbeit zwischen der Steinbeis Hochschule Berlin und der Daimler AG entwickelt. Die Motivation, als auch die Erläuterung dieses allgemeingültigen Modells und der damit verbundenen digitalen Planungsmethode bilden hierbei den Schwerpunkt dieses Artikels. Die DiFOR stützt sich auf folgendes Drei-Säulen-Konzept, Modell-Methode-System.

Reference model for digital integrated planning in complex production systems (DiFOR)

A Three-Pillar-Concept; model – method – system

Summary

This paper presents the concept and the current practical use of a reference model for planning with digital planning tools in the preproduction. This reference model DiFOR (Digital Factory Operating Reference), was developed in collaboration between the Steinbeis University Berlin and Daimler AG. The emphasis of this article is the motivation, as well as the explanation of this reference model and the associated digital planning method. The DiFOR relies on the following Three-Pillars-Concept, model – method – system.

Einleitung

International agierende Automobilbauer und Zulieferer sehen sich heute aufgrund der steigenden Komplexität und  den wachsenden Anforderungen an die Flexibilisierung mehr denn je mit dem Zielkonflikt Zeit – Kosten – Qualität in der Planung, Entwicklung, Beschaffung und Inbetriebnahme an verschiedenen Standorten konfrontiert. So stellen diese Werke im Konzernverbund oft eigenständige Organisationseinheiten dar, welche mit hierarchisch autarken IT- und Personalstrukturen gewachsen sind. Durch die Vereinheitlichung von technischen Workflows mittels der Einführung von Produktionssystemen, wie Adaptionen des Toyota-Produktions-System (TPS), wird seit Mitte der 1990´er Jahre die Produktion unternehmensgleicher und teils konzernübergreifender Baugruppen, Aggregate und Endprodukte an den weltweit verteilten Standorten in großem Umfang standardisiert [1]. So wird die neue globale Plattform für schwere Motoren der Daimler Trucks sowohl bei Detroit Diesel (Detroit, USA), Mercedes Benz (Mannheim, Deutschland) als auch teilweise bei Mitsubishi Fuso (Kawasaki, Japan) beplant und produziert.

Diese Standardisierung der Prozessabläufe steht, neben den eigenständigen Organisations- und Planungseinheiten, einer steigenden Flexibilisierung bei sinkenden Produktlebenszyklen und den daraus resultierenden verkürzenden Planungszeiten, gegenüber. Des Weiteren wächst die Produktvarianz der europäischen Hersteller. So hatte der Vorgänger der aktuellen C-Klasse von Mercedes-Benz eine theoretisch mögliche Variantenvielfalt von 10²⁷ [2,3]. Damit angesichts dieser Herausforderungen die internationalen Planungsabteilungen voneinander partizipieren und einheitliche Linienabläufe digital geplant werden können, beziehungsweise bei Plattformen geplant werden müssen, wird vorausgesetzt, dass in Analogie zur Produktentwicklung, konzernweit gültige Standards in der Produktionsvorplanung etabliert werden. Die Grundlage hierfür sind ein Netzwerk von digitalen Modellen, Methoden und Werkzeuge, die mit Hilfe eines durchgängigen Datenmanagements integriert werden [4, 5,6].

Motivation

Grundlage dieser Arbeit ist eine repräsentative Befragung aufgegliedert in ein qualitatives Experteninterview mit 23 Befragten unter Anwendern europäischer Automobilbauer als auch Systemlieferanten und einer quantitativen Umfrage zum „Hype Cycle Digitale Fabrik“ mit 176 Rückläufern bei 856 Probanden [7, 8]. Dabei kamen 76,9% der Befragten zu der Aussage, dass die führenden Werkzeuge der digitalen Fabrik sowohl alphanumerischer, wie auch grafisch basierender Natur den erwünschten produktiv einsetzbaren Reifegrad erreicht haben. Seitens der tatsächlichen Anwendung im Unternehmen stehen diese Werkzeuge jedoch eher als Insellösungen mit inkompatiblen Schnittstellenkonformitäten in einer gewachsenen heterogenen IT-Infrastruktur zur Verfügung (92,8% der Befragten).  Hinzu kommen eine oftmals mangelhafte Prozessverkettung zwischen Konstruktions-, Produktions- und Serienplanern (73,3% der Befragten). Als weiteres Ergebnis wurde neben den bereits genannten IT-Barrieren und Kommunikationsproblemen weitere Explikationsschwierigkeiten erwähnt, welche sich in sprachlichen und interkulturellen Hürden, Bildungsdifferenzen, gewachsenen individuellen Office-Applikationen und dem dadurch resultierenden subjektiven auf implizitem Wissen basierendem Planungsvorgehen äußerten (63,5% der Befragten).

Handlungsbedarf

Zur Vereinheitlichung und Erstellung dieses Referenzmodells und um die aufgezeigten Hindernisse zu überwinden, ergab sich folgender Handlungsbedarf:

1. Externalisierung und Bereitstellung des gebundenen Wissens der vorherrschenden Produktionsplanungsabläufe mit Methoden des Knowledge Engineering [9].
2. detaillierte Nennung aller zu nutzenden Werkzeuge und deren Umfänge und Einsatzgebiete mittels einer Systemlandkarte [10].
3. Beschreibung von vorhandenen und benötigten standardisierten Schnittstellen innerhalb der IT-Systemlandschaft [4, 11]. Hierbei muß eine vollständige IST-Aufnahme und Analyse der etablierten Prozessketten, IT-Werkzeuge und Datenstrukturen erfolgen.
4. Clusterung und Vereinheitlichung der ermittelten Daten. Dadurch kann eine Konsolidierung zu einem standardisierten Produktionsplanungsablauf erfolgen.
5. Evolutionäre Optimierung der Geschäftsprozesse (in diesem Fall sind das die Produktionsplanungsprozesse) auf Basis des softwarebezogenen Redesign in folgenden Ebenen [12]:

• Ereignisse
• Arbeitsgänge
• Arbeitsabläufe
• Informationen
• Informationsflüsse
• Dokumente

Zielsetzung

Das Ziel ist dabei eine Vielzahl von standortspezifischen Prozesslandkarten in iterativen KVP-Maßnahmen zu einem unternehmensweit einheitlichen Planungsablauf für Produktionsplaner zu vervollständigen. Dieser Planungsablauf stützt sich dabei auf einer durchgängigen Nutzung von je nach Planungsschwerpunkt alphanumerischem oder grafisch orientiertem Grundwerkzeug mit medienbruchfreien gekoppelten Zusatzwerkzeugen. Dieser durchgängige Ablauf stellt in seiner allgemeinen Gültigkeit für die Planung von serienproduzierenden technischen Gütern das Referenzmodell der digitalen Planung (DiFOR) dar.

Modell

Als Herangehensweise zur Entwicklung des DiFOR wurde ein systemtheoretischer kybernetischer Ansatz gewählt, der sich auf der Forschungsmethode von Ulrich/Hill begründet. Folgende Kernelemente zur Erstellung des Referenzmodells und der Methodenentwicklung unter Verwendung von verketteten praxis- und theoriebezogenen Prozessen  wurden berücksichtigt [13]:

• Ganzheitliche interdisziplinäre Sichtweise (Kommunikation, Koordination und Integration akzentuieren)
• Dynamische Betrachtung (laufende Prozesse der Veränderung)
• Gestaltungsorientierung (struktureller Sachverhalt ergänzt durch Gestaltungsempfehlungen) [14, 15]

Die Entwicklung der Prozesslandkarte ist in Bild 1 aufgrund des zeitlichen Fortschritts zu erkennen.

Die empirische Grundlage des DiFOR-Modells fußt auf der eingangs aufgezeigten Befragung unter OEM  (Original Equipment Manufacturer) und Zulieferern der Automobilbranche. Erkenntnisse aus diesen Experteninterviews waren des weiteren die Vereinheitlichung der aus der Theorie bekannten vier Prozessphasen (Vorbereitung, Grobplanung, Feinplanung und Ausführungsplanung) [16,17], die Einteilung der Planungsdisziplinen in zwei Anwendungsgebiete (unmittelbare und mittelbare Produktionsplanung),  mit jeweils zwei Planungsdisziplinen (Montage, Fertigung, Logistik, Layout) als auch die Erstellung eines zunächst differenzierten Modell, Methode und System –„Drei-Säulen-Konzepts“.

Abhängig von der zeitlichen Einordnung, der prozessualen Detailtiefe und dem aktuellen Reifegrad der Softwarewerkzeuge, muß ein durchgängiger und vollständiger Einsatz möglich sein. Dabei soll zu jedem Zeitpunkt ein Mehrwert im Aufwand/ Nutzen-Verhältnis bei gleichzeitiger vollständiger Planungsdokumentation geschaffen werden. Dieses Grundmodell ist in Anlehnung an das SCOR-Modell (Supply Chain Operating Reference) in Bild 2 dargestellt. Mit der Einteilung nach Planungsdisziplinen und Planungsfortschritt, zeigt es die normierte DiFOR-Prozesslandkarte. Diese ist in dritter Ebene aus einem unternehmensweit gültigen angepassten Planungsprozess (2 – Bild 3) sowie der Prozesslandkarte für Produktionsvorplanung (3 – Bild 3) als digitale Planungsprozesslandkarte (4 – Bild 3) abgeleitet. So zeigt das Modell nur die Prozesse eines Produktionsplaners, welche  mit digitalen Fabrikwerkzeugen erstellt werden. Prozesse, ohne digitalen Hintergrund wie beispielsweise „Lastenheft schreiben“ sind ebenso nicht Teil dieses Modells, wie die Nennung der Werkzeuge, spezialisierte Rollen und Randbemerkungen zu diesen Prozessen.

Als Notationsstil für die Prozesslandkarte standen neben dem eEPK und dem UML-Aktivitätendiagramm das BPMN zur Auswahl. Diese wurden in einem Praxisvergleich unter den Produktionsplanern mit vergleichbaren Modellen gegenübergestellt. Dabei wurde die BPMN-Notationsform aufgrund der hohen Informationsdichte bei intuitiv lesbarer und transparenter Granularität für die Abbildung einer Prozesslandkarte für Kerngeschäftsprozesse ausgewählt [18, 19].

Methode

Für den Einsatz des Referenzmodells wurde eine Methode entwickelt, welche eine unternehmensspezifische Anpassung der DiFOR-Prozesslandkarte aufgrund eines vorab definierten Kriterienkatalogs erlaubt. Die Methode beschreibt eine Vorgehensweise zur Handhabung und Adaptierung des Referenzmodells an unternehmensspezifische Anforderungen. Damit das Referenzmodell im Unternehmen einsetzbar ist, müssen die Vielzahl von standort- (3 – Bild 4) und planungsspezifischen (4 – Bild 4) Prozesslandkarten iterativ an das unternehmensweit gültige (Master-)Modell (2 – Bild 4) angepasst werden.

Diese Überprüfung und Näherung an das Mastermodell erfolgt zu festgelegten Zyklen, wie beispielsweise den vereinbarten Releasewechsel der Digitalen Fabriksoftware. Die Adaptionen bis in die einzelnen Planungsabteilungen, sind bei einer Erstimplementierung relevant, da hier von einer evolutionären Optimierung für Geschäftsprozesse ausgegangen wird. Aus der Befragung hat sich ergeben, dass dadurch eine weitestgehend reibungslose Einbindung und Überwindung von Akzeptanzhindernissen in der Erstimplementierungsphase entgegengewirkt werden kann. In der Implementierungsphase wird daher zunächst auf das Grundwerkzeug fokussiert. Weitere mögliche Zusatzwerkzeuge werden Schritt für Schritt angekoppelt.

System

Die systemseitige Bereitstellung, der für das spezifische Projekt adaptierten und instanziierten DiFOR-Prozesslandkarte erfolgt auf einem Microsoft SharePoint basierenden Webfrontend (Bild 5). Der personenbezogene Login in dieser web2.0-firmeninternen Anwendung regelt dabei die Sicht und die Bereitstellung benötigter projektbezogener Daten. Die individuell skalierbare Detailtiefe der Prozesssicht, wie auch die gezielte Bereitstellung modular aufgebauter Prozessschulungsunterlagen und fachlich gesteuerten Rücksprachemöglichkeiten steigern dabei die gegenseitige Wertschöpfungspartnerschaft unter den Anwendern. Vorteile dieser systemseitigen datenbankbasierenden Bereitstellung sind neben der Akzeptanz in der Breitenwirkung, die vereinfache Pflege der Datenbank-Inhalte, Darstellung von flexiblen Prozessverbindungen und der landessprachlich gesteuerten Darstellung von rollenspezifischen Planungsschwerpunkten.

Evaluierung und Ausblick

Als Evaluierungsgrundlage wurden für die DiFOR je eine Neuplanung und eine Umplanung von Produktionsplanern für Aggregategewerke der LKW-Sparte der Daimler AG ausgewählt. Mittels einer wahlbasierten Conjoint Analyse, wurden hierbei die konventionelle Planung der Planung nach DiFOR gegenübergestellt und bewertet [20]. In diesen ersten Implementierungsprojekten konnten die Vorteile des DiFOR für kleinere Fertigungsbereiche konzentriert herausgestellt werden.

Die DiFOR ist des weiteren Teil eines Arbeitspakets im Rahmen des ADiFa (Anwendungsprotokoll zur Prozessharmonisierung in der Digitalen Fabrik) einem Forschungsprojekt des BMBF. Erkenntnisse des DiFOR werden genutzt um einen allgemeingültigen Planungsprozess produzierender Unternehmen abzubilden. Weitere Pflege der Erweiterung und Norm des DiFOR, wird nach Fertigstellung des Forschungsprojekts durch die Prostep-iVIP-Anwendergruppe erfolgen, wodurch eine stetige Weiterentwicklung der DiFOR-Norm gewährleistet wird.

Mehr dazu unter: www.difor.info

Literatur:

[1] Bracht, Uwe; Quasdorff, Olaf (2008): Das Toyota-Produktionssystem. In: wt Werkstattstechnik online, Jg. 98, H. 4, S. 268–274.

[2] Zenner, Christian (2006): Durchgängiges Variantenmanagement in der Technischen Produktionsplanung. Univ., Diss.–Saarbrücken, 2006. Saarbrücken: LFT Univ. (Schriftenreihe Produktionstechnik, 37).

[3] Bär, T.; Haasis, S.: Steps towards the Digital Factory, in: Proceedings of the

36th CIRP International Seminar on Manufacturing Systems, Saarbrücken,

Germany, 2003, S. 171-175.

[4] Zäh, Michael; Schack, Rainer; Carnevale, Marco; Müller, Stefan (2005): Ansatz zur Projektierung der digitalen Fabrik. In: ZWF, Jg. 100, H. 5, S. 286–291.

[5] Bracht, U.; Eckert, C.; Masurat, T.: Ein umfassender Ansatz für Planung und Betrieb – Ursprünge und Visionen der Digitalen Fabrik. Intelligenter Produzieren o. Jg. (2005) 1, S. 8–10

[6] Baumgartner, T.: Wenn die Computer die Fabriken von morgen testen. Industrieanzeiger 125 (2003) 51/52, S. 88–89

[7] Engel, Mathias; Riegmann, Tobias (2010): das digitale Jahrzehnt. In: ZWF, Jg. 105, H. 3

[8] Fenn, Jackie; Raskino, Mark (2008): Mastering the hype cycle. How to choose the right innovation at the right time. Boston, Mass.: Harvard Business Press. S. 7

[9] Schreiber, Guus (2002): Knowledge engineering and management. The CommonKADS methodology. 3. printing. Cambridge, Mass.: MIT Press., S. 70ff.

[10] Constantinescu, Carmen; Eichelberger, Hanno; Westkämper, Engelbert (2009): Durchgängige und integrierte Fabrik- und Prozessplanung. In: wt Werkstattstechnik online, Jg. 99, H. 1, S. 92–99.

[11] Ritter, Arno; Kuhlmann, Timm (2006): Potenzialorientierte Systemauswahl der Digitalen Fabrik. In: Industrie Management, Jg. 22, H. 2, S. 53–57.

[12] Steinbuch, Pitter A. (1998): Prozessorganisation – Business Reengineering – Beispiel R/3. Ludwigshafen (Rhein): Kiehl (Moderne Organisation für Praxis und Studium). S. 10

[13] Ulrich, Hans (2001): Gesammelte Schriften. Bern: Haupt.S. 45, S. 464

[14] Vahs, Dietmar (2001): Organisation. Einführung in die Organisationstheorie und -praxis. 3., überarb. und erw. Aufl. Stuttgart: Schäffer-Poeschel (Praxisnahes Wirtschaftsstudium).S. 35

[15] Miebach, Bernhard (2009): Prozesstheorie. Analyse, Organisation und System. 1. Aufl. Wiesbaden: VS Verlag für Sozialwissenschaften / GWV Fachverlage GmbH Wiesbaden (Springer-11776 /Dig. Serial]).S. 284ff.

[16] Schmidt, Karsten: Methodik zur integrierten Grobplanung von Abläufen und Strukturen mit digitalen Fabrikmodellen, Diss. RWTH Aachen (2003), S. 17

[17] Eversheim, W.; Schmidt, K.: Integrierte Ablauf- und Strukturplanung. In: Arbeits- und Ergebnisbericht 1999-2001 des SFB 361 “Modelle und Methoden zur integrierten Produkt- und Prozeßgestaltung”, S. 830-845. RWTH Aachen, 2001

[18] Gadatsch, Andreas (2008): Grundkurs Geschäftsprozess-Management. Methoden und Werkzeuge für die IT-Praxis Eine Einführung für Studenten und Praktiker / Andreas Gadatsch. Wiesbaden: Vieweg. S. 106

[19] Business Process Model and Notation. Einführung in den Standard für die Geschäftsprozessmodellierung. Einführung in den Standard für die Geschäftsprozessmodellierung: BOOKS ON DEMAND.S. 16

[20] Rosenkranz, Friedrich (2006): Geschäftsprozesse. Modell- und computergestützte Planung. Zweite, verbesserte Auflage. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag Berlin Heidelberg (Springer-11775 /Dig. Serial]).S. 275-276