Einführung der Betriebsdatenerfassung und der Maschinendatenerfassung bei der Firma Oculus Optikgeräte GmbH, Wetzlar

Diplomarbeit von Eugen Wittlif

Einleitung:

Der steigende Wettbewerbsdruck und die immer höher werdenden Qualitätsansprüche der Kunden an Produkte und Dienstleistungen veranlassen Unternehmen, ihre Produktions- und Einsatzplanung von Personal und Maschinen stetig anzupassen und zu verbessern. Dabei stehen im Wesentlichen die Unternehmensziele Steigerung der Wirtschaftlichkeit, Erhaltung der Konkurrenzfähigkeit und Erhöhung der Produktivität im Vordergrund.

Gleichzeitig sollen die Kundenforderungen nach Termintreue, Qualität und wettbewerbsfähigem Preis erfüllt werden. Die Anforderungen der Kunden stehen jedoch nicht unmittelbar mit den Unternehmenszielen im Einklang. So kollidiert zum Beispiel der Kundenwunsch Produktvariation und -vielfalt mit dem Unternehmensziel Produktivitätserhöhung, welches durch lange und ununterbrochene Maschinenlaufzeiten effektiv erreicht werden kann. Um diese unterschiedlichen Ziele miteinander zu vereinen und optimal aufeinander abzustimmen, das heißt, eine effiziente Herstellung von Produkten gemäß den Kundenanforderungen zu erreichen, ist eine sinnvolle Produktionsplanung notwendig. Die Produktionsplanung und die Steuerung von Aufträgen erfordert eine lückenlose Transparenz des Betriebsgeschehens. Diese Transparenz wird durch den Einsatz der Betriebsdatenerfassung (im Folgenden BDE) und der Maschinendatenerfassung (im Folgenden MDE) hergestellt, sodass eine schnelle Reaktion auf veränderte Gegebenheiten und eine effiziente Ressourcenausnutzung gewährleistet wird.

Abbildung 1 zeigt die klassische Fertigungssteuerung in der Produktion unter Einsatz eines Enterprise Resource Planning Systems (im Folgenden ERP) in Form eines Regelkreises. Das ERP-System gibt die Sollgrößen als so genannte ERP-Vorgabe anhand von Mengen, Terminen und zu fertigenden Produkten vor. Diese ERP-Vorgaben sind mittels Stellgrößen in Form von Maßnahmen herzustellen.

Im Rahmen der Produktion der vorgegebenen Menge (Sollgröße) können unvorhersehbare Störgrößen durch externe oder interne Prozesseinflüsse eintreten, die sich auf das Prozessergebnis (Anzahl der gefertigten Produkte, Datum der Fertigstellung, Qualität) auswirken. Die Störgrößen und deren Auswirkungen werden durch das ERP-System nicht registriert, da hier keine direkte Verbindung zu diesem vorhanden ist. Das Prozessergebnis wird in Form von Aufschreibungen und Beobachtungen durch den MA an das ERP-System gemeldet. Auf dieser Grundlage entscheidet die Produktionsleitung, in welcher Weise (Nachproduktion oder Abschluss der Produktion) auf die unvorhergesehenen Prozesseinflüsse reagiert wird.

Charakteristisch für die klassische Fertigungssteuerung sind demnach ein langer Informationsweg über aufgetretene Störgrößen sowie die Vorgabe von Sollgrößen ohne Berücksichtigung von veränderten Situationen (Auftragsfortschritt, Rückstände sowie Maschinen- und Werkzeugzustand).

Genau an diesen Schwachstellen der klassischen Fertigungssteuerung setzen die BDE und MDE an. Anhand der folgenden Abbildung ist erkennbar, wie die BDE und MDE in einem Unternehmen eine höhere Transparenz im Prozessablauf erzeugt.

Der Produktionsablauf ist identisch zur Abbildung 1 des klassischen Fertigungskreises mit dem Unterschied, dass er von der BDE und MDE kontinuierlich begleitet wird. Die BDE und MDE erfassen laufend die Produktionsdaten und nehmen permanent Messungen aller Prozesseinflüsse vor. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Produktionsdaten manuell zu erfassen, jedoch ist die Ermittlung der Daten auf diese Weise zeitintensiver als eine systemseitige Ermittlung. Die Daten würden bei manueller Ermittlung somit erst zeitlich verzögert zur Verfügung stehen. Weiterhin ist die manuelle Erfassung kostenintensiver und ab einer bestimmten Unternehmensgröße nur noch mit erheblichem Aufwand durchführbar. Dementsprechend interessant ist ein computergestütztes System (BDE-/MDE-System) für Unternehmen, das einen möglichst großen Teil des Betriebsgeschehens erfassen und auswerten kann. Störgrößen werden direkt registriert und die Stellgrößen im Produktionsablauf können rechtzeitig den veränderten Situationen angepasst werden, um trotz störender Einflüsse ein Produktionsergebnis zu erreichen, das der Sollgröße entspricht. Im Gegensatz zur klassischen Fertigungssteuerung sind die Informationswege über aufgetretene Störungen kurz und Situationsveränderungen werden im Produktionsablauf berücksichtigt; eine effektive Steuerung von Aufträgen wird dadurch ermöglicht.

Trotz der offensichtlichen Stärken der BDE-/MDE-Systeme müssen jedoch auch eventuell auftretenden Problemstellungen berücksichtigt werden.

Die erste Problematik, die sich im Zusammenhang mit der Einführung von BDE-/MDE-Systemen darstellt, ist die genaue Definition der Daten, die für das Unternehmen eine hohe Transparenz bedeuten und durch deren Kenntnis die Prozessabläufe nachhaltig verbessert werden können. Die benötigten Daten werden dabei im Rahmen einer Untersuchung der strategischen Ziele der Unternehmens (z.B. Prämienentlohnung der MA, Verbesserung der Fertigungssteuerung oder exakte Nachkalkulation) ermittelt.

Eine Modernisierung der klassischen Fertigungssteuerung durch die Integration von BDE-/MDE-Systemen im Prozessablauf bedeutet für ein Unternehmen zunächst einen zeitlichen und finanziellen Aufwand. Dieser Aufwand stellt häufig ein Hemmnis für die Einführung von BDE-/MDE-Systemen dar, insbesondere wenn die bisherigen Methoden der Unternehmensleitung keinen Anlass zur Besorgnis der Unternehmensfortführung gaben. Ein ‘Hat doch bisher auch immer geklappt!’ oder ‘Was das wieder kostet!’ ist diesbezüglich nicht selten zu hören. Auch die Befürchtungen der Belegschaft vor Kontrolle und Überwachung durch die Unternehmensleitung können die Einführung von BDE/MDE erschweren. Weitere Probleme können sich ergeben, wenn die Maschinen in der Produktion des Unternehmens nicht mehr dem aktuellen Stand der Technik entsprechen und umfangreiche Anpassungsmaßnahmen notwendig wären. Eine Herausforderung dabei ist, die verschiedenen Teilsysteme, die bereits im Unternehmen vorhanden sind, mit den neu einzuführenden Systemen an den richtigen Schnittstellen zu verbinden, da diese nur bei Kompatibilität Daten austauschen können und einwandfrei funktionieren. Erschwerend kommt hinzu, dass die Systeme oft auf verschiedenen Plattformen laufen und sich die Benutzeroberflächen unterscheiden.

Eine sorgfältige Vorbereitung der Implementierung von BDE-/MDE-Systemen sowie eine transparente Kommunikation im Unternehmen sind deshalb grundlegende Voraussetzungen für eine Verbesserung des Produktionsablaufs mit derartigen Systemen.

Zielsetzung der Arbeit:

Das Hauptziel der vorliegenden wissenschaftlichen Arbeit ist die transparente und übersichtliche Ausarbeitung einer technischen Lösung zur erfolgreichen Einführung eines funktionsfähigen BDE-/MDE-Systems an dem praktischen Beispiel eines mittelständischen Produktionsbetriebes in Deutschland.

Um das angestrebte Hauptziel zu erreichen, werden folgende Unterziele abgeleitet: Erstens ist ein individuell auf das Unternehmen abgestimmtes Sollkonzept zu erarbeiten, und nach dem Abgleich mit dem Ist-Zustand sind detaillierte Maßnahmen zur Erreichung des Sollzustands zu definieren (Projektplan). Zweitens sollen für die im Rahmen des Projektablaufs auftretenden kritischen Größen und Problemfelder Lösungen gefunden werden, die schnellstmöglich in den Projektplan eingearbeitet werden, um eine reibungslose Einführung der Systeme zu gewährleisten sowie zeitliche Verzögerungen zu vermeiden.

Das dritte Unterziel besteht in diesem Zusammenhang darin, die Vorbereitung der Mitarbeiter auf die Einführung der Systeme zu gestalten.

Die Arbeit beinhaltet keine Kosten-Nutzen-Analyse der Einführung von BDE und MDE im Unternehmen. Die Entscheidung der Einführung wurde von der Geschäftsführung bereits im Jahr 2008 getroffen.

Gang der Untersuchung:

Diese wissenschaftliche Arbeit gliedert sich in fünf Kapitel.

Im ersten Kapitel erfolgt zunächst eine Einleitung in das zu untersuchende Thema sowie die Darstellung der Zielsetzung der Arbeit.

Mit Kapitel 2 werden die theoretischen Grundlagen der Betriebs- und Maschinendatenerfassung dem Untersuchungs- und Dokumentationsteil der Arbeit vorangestellt. Der Leser erhält einen Überblick über Eigenschaften, Funktionsprinzip, Auswertungs- und Darstellungsmöglichkeiten sowie den Einsatzmöglichkeiten im Unternehmen der BDE und MDE. Weiterhin erfolgt eine kritische Betrachtung der Vor- und Nachteile beider Verfahren.

Darauf aufbauend werden in Kapitel 3 die Rahmenbedingungen im einführenden Unternehmen erörtert. Diese umfassen eine kurze Unternehmensbeschreibung sowie die Darstellung des Stellenwertes der Datenerfassung in diesem Unternehmen.

Anschließend erfolgt in Kapitel 4, als Kern der Arbeit, eine Einführung in das Projekt sowie die Ermittlung und Analyse des Ist-Zustandes. Im Fokus der Ermittlung des Ist-Zustandes stehen die vorhandenen Ressourcen des Unternehmens. Darüber hinaus wird die Ausarbeitung des Soll-Zustandes dargestellt und darauf folgend eine Gegenüberstellung des Ist-Zustandes zu dem Soll-Zustand vorgenommen, um die notwendigen Umsetzungsmaßnahmen für das Projekt daraus abzuleiten. Im Rahmen einer Machbarkeitsanalyse erfolgt insbesondere eine Prüfung der technischen Voraussetzungen und der Modifikationsmöglichkeiten der vorhandenen Ressourcen. Nach dieser Analyse wird sowohl auf die Vorstellung der technischen Lösung für die Einführung der beiden Systeme als auch das Implementierungskonzept der BDE und MDE im einführenden Unternehmen übergeleitet. Im Zusammenhang mit der Vorstellung der technischen Lösung wird auch auf die Schnittstellen zu bereits vorhandenen Systemen im Unternehmen eingegangen. In der Maßnahmenplanung werden neben den technisch umzusetzenden Vorgängen auch Maßnahmen zur Vorbereitung der Mitarbeiter auf BDE und MDE aufgezeigt.

Abschließend wird in Kapitel 5 ein Resümee gezogen sowie ein Ausblick in die Zukunft gegeben. Mögliche Entwicklungen und Perspektiven der BDE und MDE werden dabei beleuchtet. Darüber hinaus wird das Erreichen der Zielsetzung überprüft.

Inhaltsverzeichnis:

	Abbildungsverzeichnis	vi
	Abkürzungsverzeichnis	vii
1.	Einleitung	8
1.1	Ausgangssituation und Problemstellung	8
1.2	Zielsetzung der Arbeit	12
1.3	Aufbau der Arbeit	12
2.	Theoretische und praktische Grundlagen	14
2.1	Grundlagen der Betriebsdatenerfassung	14
2.1.1	Arten und Verwendung von Betriebsdaten	14
2.1.2	Einsatzmöglichkeiten der BDE im Unternehmen	15
2.1.3	Funktionsprinzip der BDE	17
2.1.4	Auswertungs- und Darstellungsmöglichkeiten	21
2.2	Grundlagen der Maschinendatenerfassung	23
2.2.1	Arten und Verwendung von Maschinendaten	24
2.2.2	Einsatzmöglichkeiten der MDE im Unternehmen	24
2.2.3	Funktionsprinzip der MDE	25
2.2.4	Auswertungs- und Darstellungsmöglichkeiten	26
2.3	Kritische Betrachtung	30
2.3.1	Vorteile der Betriebs- und Maschinendatenerfassung	30
2.3.2	Nachteile der Betriebs- und Maschinendatenerfassung	32
3.	Rahmenbedingungen im Unternehmen	33
3.1	Darstellung der OCULUS Optikgeräte GmbH, Wetzlar	33
3.2	Stellenwert der Datenerfassung bei OCULUS	35
3.3	Rahmenbedingungen der Datenerfassung bei OCULUS	35
3.3.1	Einsatzgebiete	35
3.3.2	Zielsetzung	37
4.	Einführung der Betriebs- und Maschinendatenerfassung bei OCULUS	38
4.1	Projektvorbereitung	38
4.2	Ermittlung und Darstellung des Ist-Zustandes	40
4.2.1	Ablauforganisation in der Fertigung und Montage	40
4.2.2	Vorhandene Ressourcen	43
4.2.2.1	Personal	43
4.2.2.2	Maschinen	43
4.2.2.3	Datenbanken und Systeme	44
4.3	Analyse des Ist- Zustandes	45
4.4	Erarbeitung eines Soll-Zustandes	49
4.4.1	Bedingungen für die Erarbeitung des Soll-Zustandes	49
4.4.2	Darstellung des Soll-Zustandes	50
4.4.2.1	Transparenz im Fertigungsprozess	51
4.4.2.2	Entwicklung eines Resource Planning Systems	52
4.4.2.3	Leistungsgerechte Entlohnung	55
4.5	Machbarkeitsanalyse	58
4.5.1	Überprüfung der betrieblichen Voraussetzungen	58
4.5.1.1	Einbindung der vorhandenen Ressourcen	59
4.5.1.2	Modifikation der vorhandenen Ressourcen	59
4.5.	Überprüfung der technischen Voraussetzungen	60
4.6	Ausgestaltung des Soll-Zustandes	61
4.6.1	Betriebliche Lösung für die Betriebsdatenerfassung	61
4.6.2	Betriebliche Lösung für die Maschinendatenerfassung	66
4.6.3	Technische Lösung zur Anbindung an weitere Systeme	70
4.7	Implementierung der Betriebs- und Maschinendatenerfassung im Unternehmen	71
4.7.1	Maßnahmenplanung	71
4.7.2	Umsetzung der Maßnahmen	72
4.8	Analyse der Implementierung	75
5.	Resümee und Ausblick	78
5.1	Resümee	78
5.2	Ausblick	80
	Literaturverzeichnis	81
	Anhang	83

Textprobe:

Kapitel 4.5, Machbarkeitsanalyse:

In diesem Kapitel wird überprüft, ob die technischen, betrieblichen und finanziellen Voraussetzungen für die Einführung von BDE-/MDE-Systemen bei OCULUS vorliegen. Darüber hinaus wird dargestellt, welche bereits vorhandenen Ressourcen direkt eingebunden werden können bzw. wie diese Ressourcen modifiziert werden müssen, um den in Kapitel 4.4 ausgearbeiteten Soll-Zustand zu erreichen.

Überprüfung der betrieblichen Voraussetzungen:

Ausgehend von der Analyse des Ist-Zustandes und dem ausgearbeiteten Soll-Zustand ist erkennbar, an welchen Stellen die BDE und MDE eingesetzt werden soll, um die angestrebten Effekte wie beispielsweise die Schaffung von Transparenz oder eine Verfeinerung der Produktionsplanung zu erreichen.

In diesem Kapitel wird analysiert, welche vorhandenen betrieblichen Ressourcen auf welche Art in den zukünftigen Prozessablauf mit BDE und MDE eingebunden werden können und welche noch für eine Verwendbarkeit modifiziert werden müssen.

Einbindung der vorhandenen Ressourcen:

Der Transponderchip, den die MA bisher für die Kommt-Geht-Stempelungen und für die Bezahlung in der Kantine benutzen, soll zukünftig auch für die An- und Abmeldung der Aufträge im Rahmen der Auftragsdatenerfassung zur persönlichen Identifizierung verwendet werden.

Zusätzliche Arbeitskräfte werden mit der Einführung der BDE-/MDE-Systeme nicht benötigt. Die zusätzlich anfallende Arbeit – Auswertung der Statistiken, Kontrolle der getätigten Buchungen oder Unterstützung bei Falschbuchungen durch die MA – kann von dem bereits vorhandenen Personal übernommen werden. In Planung ist, dass die jeweiligen Abteilungsleiter oder zentralen Ansprechpersonen in der Arbeitsvorbereitung diese Aufgaben übernehmen.

Maßnahmen sind im Zusammenhang mit der Schulung von MA im Umgang mit dem neuen System zu ergreifen. Weiterhin ist vor der Einführung der BDE-/MDE-Systeme eine Aufklärung der MA sinnvoll, um den MA verständlich aufzuzeigen, aus welchen Gründen sich die Geschäftsführung für die Einführung dieser Systeme entschieden hat, welche Ziele damit verfolgt werden und welche Veränderungen sich in diesem Zusammenhang für die MA ergeben. Aus internen, persönlichen Gesprächen ist häufig eine gewisse Angst vor permanenter Kontrolle durch die Geschäftsführung und Abteilungsleiter wahrzunehmen und daraus folgend eine leichte Ablehnung des Systems. Hier ist es besonders wichtig, dieser durch eine transparente Kommunikation entgegenzutreten.

Modifikation der vorhandenen Ressourcen:

Eine Anbindungsmöglichkeit der Maschinen an die MDE-Terminals ist bisher noch nicht gegeben. Um eine Weitergabe der entsprechenden Maschinensignale an das MDE-Terminal sicherzustellen, müssen alle Maschinen, die an das MDE-System angeschlossen werden sollen, umgerüstet werden. In die Maschinen sollen Maschinenschnittstellen installiert werden, die die Maschinensignale abgreifen und über eine Kabelverbindung an die MDE-Terminals in Abständen von 30 Sekunden weiterleiten.

Die Erfassung der Betriebsdaten erfolgte bisher anhand von manuellen Aufschreibungen durch die MA, die in unregelmäßigen Zeitabständen ins ERP-System eingegeben wurden. Diese Erfassung der Daten soll nicht mehr manuell, sondern durch Scannen von Barcodes oder direkte Eingaben im BDE-Terminal erfolgen, die in Realtime an das BDE-System übertragen werden.

Die betrieblichen Voraussetzungen zur Einführung der BDE-/MDE-Systeme bei OCULUS liegen vor. Durch die noch vorzunehmende Modifizierung einiger Ressourcen werden sich die an dem Angebot orientierten Kosten geringfügig erhöhen. Der Umfang der Erhöhung dieser finanziellen Ressourcen ist jedoch vertretbar.

Überprüfung der technischen Voraussetzungen:

Zur technischen Einbindung der BDE-/MDE-Systeme bedarf es eines Unternehmensnetzwerkes (LAN), über das die Geschäfts-, Produktions- und Betriebsleitung sowie die eigentliche Fertigung miteinander kommunizieren. Der Datenaustausch mit den Systemen Zeus und Merkator erfolgt über standardisierte Schnittstellen. Die Datenerfassung im Fertigungsbereich erfolgt über BDE-/MDE-Terminals sowie automatisch durch die Anbindung der Maschinen über Maschinenschnittstellen.

Ein Unternehmensnetzwerk ist bei OCULUS bereits vorhanden, sodass eine grundlegende IT-Infrastruktur gegeben ist. Die BDE-/MDE-Systeme müssen jedoch noch mit dem Netzwerk über standardisierte Schnittstellen verbunden werden.

Eine Koppelung der BDE-/MDE-Systeme an Zeus und Merkator ist ebenfalls über standardisierte Schnittstellen möglich.

Da die Erfassung der Betriebs- und Maschinendaten über BDE-/MDE-Terminals erfolgen soll, ist weiterhin eine Netzwerkverbindung zwischen den Terminals und dem empfangenden Server notwendig. Diese ist technisch mit geringem finanziellem Aufwand machbar.

Der Anschluss der Maschinen an das MDE-System ist über das MDE-Terminal vorgesehen. Dabei liefern die Maschinen so genannte ‘potenzialfreie’ Impulse an das MDE-Terminal. Bei der Überprüfung der technischen Voraussetzungen wurde festgestellt, dass derzeit noch keine Möglichkeit an den Maschinen für die Entsendung derartiger Impulse an das MDE-Terminal vorhanden ist. Eine Erweiterung der Maschinenschnittstelle für diese Fähigkeit ist jedoch möglich.

Laut Leonhardt ist der SQL Express Server von Microsoft, den OCULUS zur Zeit verwendet, für den Anschluss von BDE und MDE ausreichend, sodass die Systeme funktionsfähig sein werden. Allerdings empfiehlt Leonhardt mittelfristig, einen leistungsfähigeren Server anzuschaffen, da die Menge der an den Server übermittelten Daten sehr groß ist und im Laufe der Betriebsdauer des BDE-/MDE-Systems weiter zunimmt. Vor allem die Maschinendaten nehmen aufgrund der Datenübermittlung in Abständen von 30 Sekunden viel Speicher in Anspruch.

Die technischen Voraussetzungen für die Einführung eines BDE-/MDE-Systems liegen bei OCULUS grundsätzlich vor oder sind mit vertretbarem Kosten- und Zeitaufwand realisierbar.