Materialbedarfsplanung und Ressourcenbelegungsplanung: Durchführung in Produktionsplanungs- und -steuerungssystemen und ihre Analyse

359 Pages·2017·7.813 MB·German

by  Frank Herrmann, Michael Manitz (auth.)

Frank Herrmann
Michael Manitz
Materialbedarfsplanung
und Ressourcen-
belegungsplanung
Durchführung in Produktionsplanungs- und
-steuerungssystemen und ihre Analyse
Materialbedarfsplanung und
Ressourcenbelegungsplanung
Frank Herrmann · Michael Manitz
Materialbedarfsplanung
und Ressourcen­
belegungsplanung
Durchführung in Produktionsplanungs­ und
­steuerungssystemen und ihre Analyse
Frank Herrmann Michael Manitz
Regensburg, Deutschland Duisburg, Deutschland
ISBN 978-3-658-12542-4 ISBN 978-3-658-12543-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-12543-1
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Vorwort
Sehr umfangreich werden Industrieunternehmen durch Softwaresysteme zum Enterprise
Resource Planning (ERP) und Supply Chain Management (SCM) unterstu¨tzt. In diesen
Systemen erfolgt die operative Produktionsplanung und -steuerung (PPS) prim¨ar durch
die Materialbedarfsplanung und die Ressourcenbelegungsplanung. Damit wird letztlich
entschieden, wann welcher Arbeitsgang auf welcher Maschine bzw. Anlage durch welches
Personalgefertigtwird.Dasinkommerziellverfu¨gbarenSystemenimplementierteVorge-
hen wird im ersten Kapitel vorgestellt und in einen Referenzprozess, der in sehr vielen
Unternehmenauftritt,eingeordnet.DieAlgorithmenwerdenanhandvonPseudocodedar-
gestellt,undihreAnwendungaufeinerepr¨asentativeFallstudiewirddurchdieAngabevon
sehrvielenBerechnungsschrittenimDetailerl¨autert.DieErgebnissewerdeninFormvon
Ablaufpl¨anen (Gantt-Diagramme) dargestellt und mittels wichtiger Kennzahlen wie dem
AusmaßanVersp¨atungenbzw.FehlmengenundderH¨ohezurechenbarerKostenbewertet.
In den folgenden Buchkapiteln werden charakteristische Eigenschaften der Materialbe-
darfs- und Ressourcenbelegungsplanung anhand von Fallstudien konkret aufgezeigt. Im
zweiten Kapitel wird die im ersten Kapitel aufgezeigte notwendige Erweiterung der Ma-
terialbedarfsplanungumeineBeru¨cksichtigungderKnappheitderRessourcenkapazit¨aten
analysiert.DabeiwirdderenVorteilhaftigkeitebensogezeigtwieihrestrukturelleSchw¨ache.
Oftmalsverursachtdie(g¨angige)ArtundWeisederMaterialbedarfsplanungVersp¨atungen.
Zu ihrer Vermeidung werden in der Literatur mehrere Maßnahmen vorgeschlagen. Die
nichtorganisatorischen lassen sich in die Materialbedarfsplanung mit Kapazit¨atsberu¨ck-
sichtigung integrieren und werden im dritten Kapitel analysiert. Im letzten Kapitel wird
eine gegenseitige Beeinflussung zwischen Losbildung und Ressourcenbelegungsplanung
aufgezeigt, und es werden L¨osungen vorgestellt. Fu¨r die in den einzelnen Kapiteln auf-
tretenden Optimierungsprobleme werden (i.d.R. gemischt-ganzzahlige) lineare Optimie-
rungsmodelleangegeben.DiestrukturelleSchw¨achederkommerziellgenutztenPlanungs-
verfahren wird durch den Vergleich ihrer L¨osungen der Fallstudien mit den optimalen
L¨osungen aufgezeigt.
Alle Fallstudien sind so elementar, dass sie auch als U¨bungsaufgaben fu¨r entsprechende
Lehrveranstaltungen an Hochschulen und Universit¨aten eingesetzt werden k¨onnen. Auf
eine detaillierte Beschreibung ihrer L¨osung haben wir großen Wert gelegt. Um den Leser
zu einer eigenst¨andigen Bearbeitung dieser Aufgaben zu ermuntern, haben wir entspre-
chende Aufgabenbeschreibungen in den Text eingebaut.
V
Daher wendet das Buch sich an Studierende mit Interesse an der Materialbedarfs- und
Ressourceneinsatzplanung in kommerziell verfu¨gbaren Softwaresystemen und deren Dis-
krepanzzuoptimalenL¨osungen.DieaktuelleForschungentwickeltundanalysiertbessere
Verfahren.Som¨ogediesesBuchentsprechendeVorlesungenundeinenEinstiegindieFor-
schung in die operative Produktionsplanung und -steuerung unterstu¨tzen. Experten aus
derindustriellenPraxism¨ogeesdienen,dieVerfahrenihrerERP-bzw.PPS-Systemebes-
serzuverstehenundbessereinzustellen.MitseinerFokussierungsollundkanndasBuch
jedochsicherlichnichtdieLektu¨regrundlegenderLehr-undU¨bungsbu¨cherzuroperativen
Produktionsplanung und -steuerung ersetzen.
Dem Verlag Springer Gabler danken wir fu¨r die sehr bereitwillige Aufnahme des Buchs
undFrauHasenbalgsowieFrauMeisenheimerfu¨rdieguteZusammenarbeit,insbesondere
beimLektorieren.BeiFrauMu¨llerbedankenwirunsfu¨rdasKorrekturlesen.DieVerant-
wortung fu¨r eventuelle Fehler verbleibt bei uns. Schließlich danken wir unseren Familien
fu¨rdasVerst¨andnisfu¨rdenhohenZeitaufwand,dermitdemErstellendiesesBuchesver-
bunden war.
Regensburg und Duisburg, im Januar 2017 Frank Herrmann und Michael Manitz
VI
Inhaltsverzeichnis
1 ProgrammorientierteMaterialbedarfsplanungundRessourcenbelegungspla-
nung im Enterprise Resource Planning 1
1.1 Einordung in die logistische Prozesskette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Algorithmen und Fallstudie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Nutzen einer Kapazit¨atsplanung nach der programmorientierten Material-
bedarfsplanung 57
2.1 Vorteilhaftigkeit einer Kapazit¨atsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.2 Kapazit¨atsplanung nicht ausreichend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3 Programmorientierte Materialbedarfsplanung und Terminplanung 91
3.1 Durchlaufterminierung mit Lossplittung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.1.1 Lossplittung bei unendlicher Kapazit¨at . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.1.2 Lossplittung bei beschr¨ankter Kapazit¨at . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.1.3 Optimale Losbildung bei beschr¨ankter Kapazit¨at . . . . . . . . . . 132
3.2 Durchlaufterminierung mit fru¨herer Freigabe . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
3.2.1 Vermeidung von Versp¨atungen durch eine fru¨here Freigabe . . . . . 152
3.2.2 Grenze einer fru¨heren Freigabe zur Vermeidung von Versp¨atungen . 177
3.2.3 Durchlaufzeit und fru¨here Freigabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
3.3 Durchlaufterminierung mit U¨berlappung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
3.4 Vorliegen einer rollenden Planung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
4 Losbildung und Ressourcenbelegungsplanung 253
4.1 CLSP und Ressourcenbelegungsplanung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
4.2 CLSP mit Kapazit¨atsreduktion und Ressourcenbelegungsplanung . . . . . 261
4.3 Kapazit¨atsreduktion fu¨r CLSP und Ressourcenbelegungsplanung in einer
rollenden Planung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
4.4 PLSP fu¨r eine Station . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
4.5 Unterschiede zwischen CLSP und PLSP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
4.6 PLSP fu¨r mehrere, simultan verwendbare Stationen . . . . . . . . . . . . . 285
4.7 Kapazitierte Losgr¨oßenplanung bei einer dreistufigen Linienfertigung. . . . 292
4.7.1 Fallstudie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
4.7.2 L¨osung durch ein CLSP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
4.7.3 L¨osung durch ein CLSP mit reduzierter Kapazit¨at . . . . . . . . . . 297
4.7.4 L¨osung durch ein MLCLSP mit Produktionsprozessmodell . . . . . 300
4.7.5 L¨osungdurcheinMLPLSPmitProduktionsprozessmodellundMi-
kroperioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
Literaturverzeichnis 351
Stichwortverzeichnis 355
VII
1 Programmorientierte Materialbedarfsplanung und
Ressourcenbelegungsplanung im Enterprise Resource
Planning
Gegenstand von diesem Kapitel ist die in kommerziell verfu¨gbaren Enterprise-Resour-
ce-Planning-Systemen(ERP-Systemen)bzw.Produktionsplanungs-undsteuerungssyste-
men (PPS-Systemen) implementierte Materialbedarfsplanung und Ressourcenbelegungs-
planung.ERP-SystemesollendiePlanungderAbl¨aufevonAktivit¨ateninProduktionsbe-
trieben unterstu¨tzen. In einer Gesamtbetrachtung mehrstufiger Erzeugnisstrukturen lie-
gen damit aus Sicht der Material-Logistik Prozessketten vor, auf die im Abschnitt 1.1
eingegangenwird.DiemehroderwenigertauglichenkonkretenAlgorithmenzurMaterial-
bedarfs-undRessourcenbelegungsplanungwerdenimAbschnitt1.2imDetaildargestellt.
Sie werden auf eine durchgehende Fallstudie angewandt.
1.1 Einordung in die logistische Prozesskette
Fu¨r alle m¨oglichen Fertigungsstrategien und -prozesse sind in den produzierenden Un-
ternehmenGesch¨aftsprozesskettenfu¨rdiezugeh¨origeMaterial-Logistikimplementiert.So
existieren Serien- und Massenfertiger – die Produktpalette reicht von der Waschmaschi-
ne bis zur Bu¨roklammer –, oder Unternehmen fertigen kundenauftragsorientiert. Dazu
geh¨ort ein Projektfertiger, der ein großes Schiff baut, genauso wie ein Automobilherstel-
ler, der kundenindividuell konfigurierte Produkte am Fließband fertigen l¨asst. Alle diese
logistischen Prozessketten haben eine einheitliche Grundstruktur, die in [Herr11] im De-
tail beschrieben ist und in Abbildung 1.1 visualisiert ist.
In den allermeisten Unternehmen erfolgt keine auftragsorientierte Produktion (make-to-
order),beiderzuProduktionsbeginneinkonkreterKundenauftragvorliegt,derdieherzu-
stellenden Produkte art- und mengenm¨aßig festlegt und konkrete Produktions- und Lie-
ferterminevorsieht.StattdessenwerdenwenigstensKomponenteneinesEndproduktsvor-
produziert und auf ein Lager gelegt (make-to-stock). So kann beispielsweise die Montage
eines Endprodukts aus vorproduzierten Einzelteilen vorgenommen werden. Erfolgt diese
Lagerproduktionauchfu¨rEndprodukte,sowird fu¨reinenanonymen“Marktproduziert;
”
indiesemFallwirddieMarktnachfragedurchNachfrageprognosengesch¨atzt.ImRegelfall
tretenalsodielager-unddieauftragsorientierteProduktionnebeneinanderindemselben
Produktionsbetrieb auf. Um die Leistungspotentiale eines Produktionssystems m¨oglichst
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© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2017
F. Herrmann und M. Manitz, Materialbedarfsplanung und
Ressourcenbelegungsplanung,(cid:1)DOI 10.1007/978-3-658-12543-1_1
gut auszusch¨opfen, wird im Rahmen einer Produktionsprogrammplanung das zuku¨nftige
Produktionsprogramm fu¨r Enderzeugnisse oder wichtige Baugruppen – fu¨r einen mittel-
bis kurzfristigen Planungszeitraum bzw. Planungshorizont (typischerweise ein Jahr) mit
einer l¨angeren Periode (typischerweise Quartale oder Monate) festgelegt. Eine Grundla-
ge hierzu ist die Infrastruktur des Produktionssystems in Form von seinen physischen
Gegebenheiten. Hierunter fallen unter anderem die Produktionsanlagen mit ihren Kapa-
zit¨atenundverfahrenstechnischenM¨oglichkeitensowiedieLagerungs-,Materialfluss-und
Handlingseinrichtungen, durch die die Produktionsanlagen miteinander verbunden sind.
GetragenwirddieInfrastrukturvonArbeitskr¨aften,dieauchdispositivinderProduktion
t¨atig sind. Die andere wesentliche Grundlage besteht in den am Markt vorhandenen Ab-
satzm¨oglichkeiten,diedurcheinePrognoseidentifiziertwerden.Ausbeidem,alsodenzur
Verfu¨gung stehenden Kapazit¨aten in der Fertigung und den am Markt bestehenden Ab-
satzm¨oglichkeiten werden fu¨r Produktgruppen oder einzelne Erzeugnisse je Periode eine
Produktionsmenge festgelegt; diese werden im Folgenden – wie auch im SAP®-System –
als Planprim¨arbedarfe bezeichnet. Da in dieser Phase noch kein konkreter Kundenbezug
besteht, wird deswegen auch von einer anonymen Planung gesprochen.
Kunden- Liefer-
Vertrieb Faktura
auftrag ung
Produk- Prog- Produktionspro- Bedarfs- Fertigungs- Auftrags-
tion nose grammplanung planung steuerung abrechnung
Beschaf- Bestandss-- Bestellan- Bestel- Warenein- u. Rechnungs-
fung führungg forderung lung ausgang prüfung
Lager Lagerung
Abbildung 1.1: Logistischer Prozess zu Beschaffung, Produktion und Vertrieb.
Im zeitlichen Verlauf treffen Kundenauftr¨age ein. Hierbei handelt es sich um eine ver-
traglicheVereinbarungzwischeneinerVerkaufsorganisationundeinemAuftraggeberu¨ber
die Lieferung einer bestimmten Menge von Materialien (oder Dienstleistungen) zu ei-
nem bestimmten Termin. Sind die Kundenauftr¨age exakt die gleichen wie die fu¨r die
2
Produktionsprogrammplanungangenommenen,soersetzendieKundenauftr¨agediePlan-
prim¨arbedarfe (aus der Produktionsprogrammplanung); dies ist durch den schr¨ag schraf-
fiertenBereichinnerhalbderProduktionsprogrammplanunginAbbildung 1.1visualisiert
Tats¨achlichdu¨rftendiesezeitlichversetztundinanderenMengenauftreten.Umdiesaus-
zugleichen enth¨alt das SAP®-System eine sogenannte Verrechnung. Diese Verrechnung
entscheidet auch, was bei einem h¨oheren und was bei einem niedrigeren Kundenbedarf
passieren soll. Wie im SAP®-System werden diese Produktionsmengen in den einzelnen
Perioden als Prim¨arbedarfe bezeichnet. Diese Ersetzung ist durch den schr¨ag schraffier-
ten Bereich innerhalb der Produktionsprogrammplanung in Abbildung 1.1 visualisiert.
EinsolchesProduktionsprogrammausPrim¨arbedarfenwirddurchdienachfolgende(Ma-
terial-)Bedarfsplanung und (Ressourcenbelegungsplanung) Fertigungssteuerung geplant.
Aus den Bedarfen der Produktionsprogrammplanung erstellt die (Material-)Bedarfspla-
nung (MRP) Planauftr¨age, mit denen die Materialverfu¨gbarkeit sichergestellt wird. Ge-
genu¨ber der Produktionsprogrammplanung sind der Planungshorizont und die Perioden
kleiner (typischerweise mehrere Tage) und es werden detaillierte Informationen u¨ber die
Erzeugnisse beru¨cksichtigt. Anders formuliert, besteht die zentrale Aufgabe der Bedarfs-
planung aus der termingerechten Beschaffung aller im Unternehmen ben¨otigten Mate-
rialien. Neben den verkaufsf¨ahigen Erzeugnissen sind dabei auch ihre Komponenten zu
betrachten.HierzusinddieU¨berwachungderBest¨andesowiedieErstellungvonBeschaf-
fungsvorschl¨agenerforderlich.WegenderIntentiondiesesBuchswirdvoneinerEigenpro-
duktion ausgegangen. Alternativ erfolgt eine Fremdbeschaffung in dem Verantwortungs-
bereich der Beschaffung, worauf hier nicht n¨aher eingegangen wird (s. [Herr11]).
Die Beschaffungsvorschl¨age aus der Bedarfsplanung fu¨r die Eigenfertigung werden als
Planauftr¨age bezeichnet. In der industriellen Praxis handelt es sich bei der Bedarfspla-
nung um eine Mengenplanung aus Stu¨cklistenaufl¨osung und Losbildung fu¨r die einzelnen
Erzeugnisse und Komponenten, die die in der Regel vorliegende begrenzte Kapazit¨at un-
beru¨cksichtigt l¨asst. Dadurch kommt es regelm¨aßig zu einer Ressourcenkonkurrenz, wo-
durchmanchePlanauftr¨ageerstsp¨ateralsgeplantbegonnenwerdenk¨onnenunddadurch
wiederumeinigevondiesenversp¨ateterstbeendetwerdenk¨onnen.DurcheineTerminpla-
nung,dieoftmalsauseinerDurchlaufterminierungmitanschließendemKapazit¨atsabgleich
besteht, werden die m¨oglichen Starttermine mancher Planauftr¨age in zeitlich fru¨here Pe-
riodengelegt,sodassgenu¨gendKapazit¨atfu¨reineBearbeitungohneVersp¨atungvorliegt
– dies setzt voraus, dass es zeitlich fru¨here Perioden mit genu¨gend freier Kapazit¨at gibt.
Hierauf wird in Abschnitt 3.2 genauer eingegangen.
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