Der Digitale Regelkreis in der Smarten Fabrik

Dennis Schwäke, Axel Hahn und Frank Fürstenau

Produktionsziele der Smarten Fabrik sollen mithilfe digitaler Kontrollflüsse unterstützt werden. Dieser Beitrag beschreibt dazu ein Konzept, welches die Struktur operativer Informationsflüsse als Elemente eines Regelkreises versteht. Unter dem Begriff Digitaler Regelkreis werden hierbei technische Regelungsansätze, Elemente der Geschäftsprozesse sowie vertikale und horizontale Informationen betrieblicher Anwendungssysteme zusammengeführt. Die gemeinsame Ausrichtung der unterschiedlichen Perspektiven erfolgt dabei anhand operativer Prozessziele der Wertschöpfung. Der Ansatz des Digitalen Regelkreises wird abschließend in einer Fallstudie bewertet.

Die Integration horizontaler und vertikaler Prozesse und Systeme gilt als elementarer Bestandteil der Smarten Fabrik [1]. Dabei definiert das zustandsabhängige Zusammenspiel von Bewegungsdaten mit den regulierenden Stamm- und Nutzdaten der Anwendungssysteme den Reifegrad der Integration [2]. Diese Daten bilden zugleich die Grundlage im Informationsfluss der Auftragsabwicklung. Zum einen als erzeugte Daten im Prozess (horizontale Ebene) und zum anderen als Vorgabewerte, welche genutzt werden, um die Leistung der Auftragsabwicklung zielorientiert zu kontrollieren (vertikale Ebene). Bild 1 zeigt dazu einen Wertschöpfungsprozess mit beispielhaften Datenströmen im Zuge der Auftragsabwicklung:
 


Bild 1: Beispiel integrierter Informationen im Zuge der Auftragsabwicklung.

Aufgabe bei der Implementierung integrierter Datenflüsse ist die Definition geeigneter Gestaltungsmaßnahmen zur schnellen, sicheren und effizienten Kontrolle aktueller Zustände der Wertschöpfung [3].

Horizontale Informationen der Leistungserstellung (Ist-Werte) werden dazu mithilfe vertikaler Vorgabeinformationen der Leistungssteuerung (Soll- und Plan-Werte) überwacht und bei Bedarf angepasst. Ziel ist es, (drohenden) Leistungsverlusten durch gesteigerte Reaktionsgeschwindigkeit und (proaktiven) Maßnahmen, entgegenzuwirken [4].

Im Umfeld der Smarten Fabrik werden die konkreten Aufgaben dieser digitalen Kontroll-strukturen in Form von Produktionszielen definiert [5]. Dabei dienen Kennzahlen zur Bewertung der Ziele. Primäre Kennzahlen der Produktion sind die Leistungsverluste von Kapazitätseinheiten in Form der Gesamtanlageneffektivität (GAE) und die Verluste durch unproduktive Anteile der Durchlaufzeit in Form des Prozesswirkungsgrad (PWG) [6].

Das Konzept des Digitalen Regelkreises beschreibt dazu eine Struktur, welche die vertikale und horizontale Integration zur Sicherung der Produktionsziele unterstützt.
 

Der Regelkreis zur Kontrolle von Informationsflüssen in der Smarten Fabrik

Das Prinzip des Regelkreises wird vielfach in Managementansätzen und Normen zur Regelung von Kontrollflüssen angewandt [7]. Auch die PPS verwendet seit jeher diese Organisationsform, um eine Methode zur dauerhaften Selbststeuerung (im engeren Sinne Regelung) zu nutzen [8]. Der Aufbau eines Regelkreises folgt dabei einem einheitlichen Wirkprinzip: Ausgehend von der Definition einer Zielgröße c (Sollwert) und der Überwachung einer gemessenen Regelgröße x (Istwert), wird mithilfe integrierter Regelelemente und zugehöriger Verarbeitungsfunktionen ein bedingter Informationsfluss zur Verhaltenskontrolle geschaffen. Dieser besitzt die Aufgabe, die Regeldifferenz e (∆ Soll/Ist) mithilfe eines geänderten Stellwerts m (Planwert) und der abgeleiteten Stellgröße y auszugleichen. Bild 2 beschreibt dieses allgemeine Wirkprinzip in Form eines technischen Regelkreises:
 


Bild 2: Wirkprinzip eines technischen Regelkreises - in Anlehnung an [9].

In der Produktion wird die konkrete Regelaufgabe in Form von Prozesszielen definiert. Als Teil der übergeordneten Ziele (GAE und PWG) fallen hierunter bspw. operative Aufgaben zur Sicherstellung der Termintreue, der Personalbereitschaft, der Produktqualität, des Transports, der Rückverfolgbarkeit oder der Anlagenverfügbarkeit.

Im integrierten Aufbau des allgemeinen Wirkprinzips eines technischen Regelkreises (Bild 2) gilt es demnach, vertikale und horizontale Informationen im Sinne der Produktionsaufgabe zu verbinden.

Dabei ist ein technischer Regelkreis (Bild 2) nicht ohne Weiteres mit den Kontrollstrukturen realer Unternehmen vergleichbar. Zum einen, weil einzelne Regelelemente Bestandteil verteilter Anwendungssysteme sind (vertikale Ebene) und zum anderen weil die Regelfunktionen in unterschiedlichen Prozessaktivitäten (horizontale Ebene) durchgeführt werden (müssen).

Im hier beschriebenen Konzept definieren nachfolgende Merkmale einen Digitalen Regelkreis im Sinne der Smarten Fabrik:
• Einsatz eines betrieblichen Anwendungssystems,
• zur Sicherung eines Produktionsziels,
• durch Einsatz einer bedingten Kontrollstruktur,
• bei geschlossenem Wirkprozess,
• unter Einsatz arbeitsteiliger Prozessaktivitäten,
• mit dem Potenzial die Verhaltensanpassung zu automatisieren.

Ziel ist dabei der Transfer zwischen dem technischen Wirkprinzip und der Umsetzung des Digitalen Regelkreises in der realen Organisation. Die Umsetzung der vertikalen Integration wird dabei anhand der technischen Interoperabilität bewertet [10]. Durch die Nutzung vorhandener Schnittstellen-Technologien kann diese bereits realisiert werden. Sicherlich nicht als „Plug-and-play-Lösung“, aber in Form beherrschbarer Systemschnittstellen [11]. Für betroffene Unternehmen besteht in der organisatorischen Interoperabilität derzeit die größere Herausforderung [12].

Selbst bei technischer Austauschbarkeit aller notwendigen Daten zum Betrieb eines Digitalen Regelkreises, bleibt der Schritt zur organisatorischen Prozessgestaltung. Umsetzungsverantwortliche stehen dabei vor der Aufgabe die aktuelle Struktur des Digitalen Regelkreises in der Organisation zu ermitteln. Hierzu sollten Ziele, Qualität und Eigenschaften der Kontrollstrukturen dokumentiert werden.

In der Realität besteht hierzu allerdings keine zentrale Informationsquelle welche genutzt werden könnte, um Aufbau, Verhalten oder Reife digitaler Kontrollflüsse zu systematisieren.

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