Planungszeiten drastisch kürzen

Prof. Dr.-Ing. L. Schulze Dipl.-Oec. M. Gerasch Dipl.-Ing. J. Runge

Die Zeit von der Auftragsvergabe bis zur Inbetriebnahme von Materialflusssystemen wird immer kürzer. Gleichzeitig steigt der Anspruch, den die späteren Betreiber an die Funktionalität, Qualität und Wirtschaftlichkeit stellen, ständig an. Da die Umsetzungsphase kaum noch zeitliche Einsparpotenziale bietet, wird versucht, mit engen zeitlichen Vorgaben den Planungsprozess zu verkürzen. Dieser Maßnahme steht die Qualität der Planung entgegen. Häufig bleibt unbeachtet, dass das Planungsergebnis die Leistungsfähigkeit des späteren Betriebes und somit die Wirtschaftlichkeit für den gesamten Lebenszyklus der Anlage erheblich beeinflusst.
Zur Verkürzung der Planungszeit und zur Verbesserung der Ergebnisqualität kann eine durchgängige rechnergestützte Planung beitragen. Unter dem Begriff Virtual Prototyping ist die rechnergestützte Entwicklung von Konsumgütern bereits jetzt im Einsatz. Für die speziellen Belange einer rechnergestützten Planung von Materialflusssystemen müssen die dort genutzten Ansätze adaptiert und um fachspezifische Bestandteile erweitert werden.

Jedes Materialflusssystem ist eine ganz individuelle Lösung. Das liegt einmal an den jeweiligen Anforderungen, wie der geforderten Kapazität und Umschlagsleistung. Und zum anderen führen Rahmenbedingungen, wie Platzrestriktionen, gesetzliche Regelungen und Auflagen und die ökonomischen Einflussgrößen, immer zu individuellen Anlagen.
Auf dem Weg zur optimalen Lösung können rechnergestützte Planungstools dem Planer die Entscheidung zwar nicht abnehmen, jedoch kann er mit einer durchgängigen Rechnerunterstützung bei Routinetätigkeiten entlastet werden. Damit werden die notwendigen Kapazitäten für die kreative Suche nach innovativen Konzepten freigesetzt /1/.
Eine wirklich durchgängige Planung bis hin zur Simulation eines Realkonzeptes mit einem einzigen komplexen Planungstool ist sicherlich nicht sinnvoll möglich. Dafür sind der Planungsprozess zu umfassend und die einzelnen Planungsaufgaben zu unterschiedlich. Jedoch lassen sich ausgewählte Einzelprozesse der Planung in einer übergreifenden Softwarelösung abbilden. Dadurch kann innerhalb des Softwaretools automatisch auf die Datenbasis und generierte Zwischenergebnisse zugegriffen werden. Im Gegensatz dazu bieten vernetzte Softwarelösungen die Möglichkeit zum komfortablen Datenimport und -export, der allerdings vom Bediener initiiert werden muss.
Ein ganzheitlicher Ansatz zur rechnergestützten Planung von Materialflusssystemen kann dazu beitragen, die Lücken in derzeitigen Planungsprozessen zu schließen. In der Regel sind an der Planung komplexer Materialflusssysteme eine Vielzahl von Planern aus unterschiedlichen Fachdisziplinen beteiligt. Sie nutzen im Regelfall Planungstools, die untereinander nicht kompatibel sind. Damit ist man von einem reibungslosen Austausch der Eingangsdaten, Zwischenergebnisse und Endergebnisse häufig weit entfernt.
Beginnend mit dem Projektmanagement über die Datenaufnahme in der Zustandsanalyse bis hin zur Inbetriebnahmeplanung müssen Daten häufig mit einem hohen Aufwand aus einem Planungstool exportiert werden, um sie dann oftmals doch nicht verarbeitungsgerecht importieren zu können. Die manuelle Aufbereitung von Daten stellt somit im Planungsalltag nicht nur eine zeitintensive und teure, sondern zudem auch eine fehleranfällige Vorbereitungsarbeit der einzelnen Arbeitsschritte dar. Aus diesem Grund ist es notwendig, ein Datenmanagementsystem zu nutzen, in dem sowohl Eingangsdaten als auch Zwischenergebnisse in einer standardisierten Form abgelegt und gespeichert werden.

Virtual Prototyping,
Digital Mock Up und Co.

Mit der Verknüpfung von unterschiedlichen Entwicklungstools kann das so genannte Virtual Prototyping, kurz VP, realisiert werden. In der klassischen Produktentwicklung kommt das Virtual Prototyping während des iterativen Entwicklungsprozesses neuer Produkte schon seit einiger Zeit zum Einsatz. Der Schwerpunkt beim Virtual Prototyping liegt darin, den Produktprototypen in Form eines rechnergestützten Modells zu entwickeln. Das Modell soll sowohl dreidimensional dargestellt und möglichst realitätsnah aufbereitet werden als auch mit den charakteristischen Eigenschaften und Funktionalitäten des späteren Produktes ausgestattet sein.
Der virtuelle Produktprototyp wird auch Digital Mock Up, kurz DMU, genannt. Der Einsatz des DMU kann sich je nach Bedarf auf den gesamten Produktlebenszyklus erstrecken. Neben der Produktentwicklung umfasst dies auch Aufgaben wie Produktherstellung, Produktvertrieb, Produktnutzung und Produktrecycling und dient dabei als Kommunikations- und Entscheidungsplattform /2/.
Für die Verknüpfung zu einer gemeinsamen Plattform sind einheitliche Kommunikationsstandards zu hinterlegen, um eine effiziente Abwicklung zu erreichen. Durch die Schaffung einer einheitlichen Datenbasis mit einem Produktdatenmanagementsystem, kurz PDM, können die einzelnen Planer jederzeit auf die aktuellen Daten zugreifen. Vor dem Hintergrund, dass die verschiedenen Anwendungen ihre Daten lokal speichern, kann eine konsistente Datenhaltung nur über eine übergreifende Struktur, das so genannte Metamodell, erreicht werden /3/.
Auf diese Weise lassen sich auch neue Planungstools über standardisierte Schnittstellen in die Entwicklungsplattform integrieren. Somit ergibt sich ein modular aufgebautes System unterschiedlicher Entwicklungstools verschiedener Hersteller, das flexibel einsetzbar und auch für spezifische Einsatzfälle erweiterbar ist.
Ein wesentlicher Bestandteil von Virtual Reality, kurz VR, ist die Visualisierung, also die rechnergestützte und fotorealistische Darstellung von Objekten jeglicher Art. Basis bilden dabei 3D-CAD-Daten, Skizzen oder fotografische Darstellungen. Virtual Reality umfasst neben der Visualisierung auch die Akustik und die Haptik. Sie ermöglicht es, dem Anwender entsprechender Tools mit seinen natürlichen Sinnen eine vom Computer geschaffene dreidimensionale Umwelt in Echtzeit zu erleben und mit ihr zu interagieren.
Bei der Planung von Materialflusssystemen ist der Ablauf ähnlich dem der Produktentwicklung. So erfolgt in der Grobplanung die systematische Generierung der technisch machbaren Varianten. Anschließend muss unter den wesentlichen Faktoren und Einflussgrößen eine Auswahl durchgeführt werden. Diese Auswahl und die anschließende Konkretisierung des Planungsgegenstandes im Planungsprozess ist gleichzusetzen mit einer kontinuierlichen Weiterentwicklung des virtuellen Prototypen /4/.
Ein markanter Unterschied zwischen Produktentwicklung und der Planung von Materialflusssystemen liegt darin, dass zum einen ein Produkt entwickelt und zum anderen eine Anlage konfiguriert werden soll. Dabei kann bei der Planung von Materialflusssystemen stärker als bei der Produktentwicklung auf vorhandene Standardkomponenten zurückgegriffen werden.

Konfigurieren statt konstruieren

Computer Aided Design, kurz CAD, als Hilfsmittel zur rechnergestützten 2D- und 3D-Zeichnungskonstruktion bietet grundsätzlich vier Arbeitsweisen:
n manuelles Zeichnen mit geometrischen Grundformen,
n Nutzung von vordefinierten Objektbibliotheken,
n Anpassung parametrisierbarer Standardelemente und
n automatisches Zeichnen.
CAD-Software kann bei der Planung von Materialflusssystemen zur Erstellung des Feinlayouts in Form eines dreidimensionalen Modells verwendet werden. Die Nutzung von Objektbibliotheken und des automatischen Zeichnens verkürzen den Planungsprozess spür-bar. Bei Layouts, in denen parametrisierbare Elemente enthalten sind, kann der Planer verhältnismäßig schnell Änderungen einpflegen. Beim automatischen Zeichnen von Materialflusssystemen gibt der Anwender die ihm zur Verfügung stehenden Eingangsgrößen in Masken ein. Die einzelnen Bestandteile, wie beispielsweise der Lagerkern und die Materialflusstechnik im Lagervorfeld, lassen sich dann im Layout platzieren.
Das automatische Zeichnen ist mit dem am Fachgebiet Planung und Steuerung von Lager- und Transportsystemen (PSLT) der Universität Hannover entwickelten Planungstool „VIPLA – Visualisierung und Planung von Lagersystemen“ möglich. Neben der reinen Zeichenentlastung hilft dieses Tool darüber hinaus bei weiteren Planungsaufgaben. Der Einsatz von VIPLA beginnt mit der interaktiven Eingabe von Anforderungen und Restriktionen sowie den zu beachtenden Systemvarianten. Nach einer Verifizierung und einer Überprüfung auf die technische Realisierbarkeit durch das Planungstool erfolgt unter Nutzung der editierbaren Stammdaten die Berechnung unterschiedlicher Systemvarianten. Sie umfasst unter anderem die folgenden Berechnungsschritte:
n Auslegung der Regalanlage,
n Bestimmung der Gebäudeabmessungen,
n Berechnung von Spielzeiten, Geräteanzahlen, Grenzleistungen etc. und
n Auslegung der Brandschutzeinrichtungen /5/.
Der Einsatz eines Planungstools wie VIPLA wird in erster Linie durch die Besonderheit der Planung von Lagersystemen möglich. Im Gegensatz zur Produktentwicklung einer Antriebswelle oder eines Stoßdämpfers müssen die Planer innerbetrieblicher Lagersysteme nicht bei der Konstruktion eines Regals oder eines Stetigförderers beginnen. Diese Elemente stehen zum großen Teil als Standards zur Verfügung. Damit sind Geometrie- und Leistungsdaten vorhanden, und die Technik kann somit aus dem breiten Angebot anhand der jeweiligen Bedürfnisse ausgewählt werden. In der Layoutplanung können Standardmodule verwendet werden, die sich miteinander nach bestimmten Regeln kombinieren lassen. Für die Planung von Materialfluss- und Logistiksystemen gilt somit, dass weniger konstruiert als vielmehr konfiguriert werden muss.
Die Umsetzung des DMU in einen Simulator erlaubt es, das Systemverhalten bei unterschiedlichen Lastprofilen schon vor der Realisierung zu testen. Die Auslegung der einzelnen Bausteine oder der Gesamtanlage, beispielsweise in Hinblick auf die Statik, kann mit entsprechenden Berechnungsverfahren realisiert werden. Die Beurteilung der Leistung des Materialflusssystems und die Auswirkungen von Störungen lassen sich hingegen nur realitätsnah mit dynamischen Verfahren ermitteln.
Der Aufwand für die Modellbildung ist abhängig von der Komplexität des abzubildenden Gesamtsystems und vom angestrebten Detaillierungsgrad. Für Aufgabenstellungen, die beispielsweise mit Tabellenkalkulationen, Datenbankabfragen oder analytischen Methoden gelöst werden können, ist die Simulation deshalb uneffektiv. Die Modellerstellung in Simulatoren muss weitestgehend neu erfolgen. Lediglich Layouts können häufig aus einem vorher erstellten CAD-Modell übernommen werden. Aus diesem Grund sind der Aufwand und der zu erwartende Nutzen vor der Erstellung eines Simulationsmodells genau gegeneinander abzuwägen /6/.

Aufwändige 3D-Modelle

Das Blocklayout der Grobplanung stellt zweidimensional die Anordnung von Bereichen und Anlagen dar. Demgegenüber muss in der Feinplanung das zu realisierende Gesamtgewerk detailliert in einem 3D-Modell abgebildet werden. Das umfasst die endgültige zeichnerische Abbildung sämtlicher Gebäude, der Haustechnik sowie der Materialfluss- und Lagertechnik. Die Abbildung kann in Form von dreidimensionalen Draht-, Flächen- oder Volumenmodellen erfolgen.
Die dreidimensionale Darstellung der Planungsergebnisse im Feinlayout ist ein wichtiger Bestandteil der Visualisierung. Dabei soll eine Visualisierung weitergehender verstanden werden als nur die Darstellung des Planungsgegenstandes durch 3D-Modelle.
Das Rendering ist eine Bildberechnungsmethode im Rahmen der Visualisierung. Durch Auflegung von Farben und Texturen wird eine optische Aufwertung eines 3D-Modells erreicht. Zudem werden durch die Anordnung von Lichtquellen Schatten, Lichtstrahlen und Spiegelungen erzeugt, die den dreidimensionalen Eindruck verstärken. Das Rendering von CAD-Modellen kann beispielsweise mit dem NavisWorks Presenter der Firma NavisWorks Ltd. relativ schnell und komfortabel durchgeführt werden. Eine Voraussetzung hierfür ist die konsequente Einrichtung unterschiedlicher Layer im CAD-Modell.
Zumeist steht bei der Visualisierung das Rendering einzelner Objekte mit einer Kollisions- und Designprüfung im Vordergrund. Die Navigation in Echtzeit durch ein 3D-Modell mit einem „walk-through“ sowie die Betrachtung einzelner Objekte aus verschiedenen Perspektiven sind Standard, ebenso das Verschieben von Objekten, wie das Einpassen von Bauteilen. Anhand des virtuellen Prototypen können weiterhin unmittelbar die ergonomischen Eigenschaften des Planungsgegenstandes untersucht werden. So lassen sich in der Planung von Lagersystemen bei- spielsweise die Kommissionierarbeitsplätze unter ergonomischen Gesichtspunkten beurteilen.

Diskrepanzen frühzeitig erkennen

Die Vorteile einer durchgängigen rechnergestützten Planung von Lagersystemen liegen in erster Linie in einer Reduzierung der Planungszeit und damit in einer erhöhten Reaktionsgeschwindigkeit sowie einer Reduzierung der Planungskosten. Da schon in einer frühen Planungsphase auf ein breites Spektrum an Lösungsansätzen zurückgegriffen werden kann, wird die Entscheidungsbasis entscheidend verbessert.
Ein weiterer Vorteil, dem oftmals nur ein geringerer Stellenwert zugestanden wird, ist die in einem solchen System notwendige konsistente Datenhaltung. Sie ermöglicht allen Beteiligten einen schnellen Zugriff auf aktuelle Informationen, stellt diese in standardisierter Form zur Verfügung und schafft so Transparenz. Auch werden so fehlerhafte Datensätze weitgehend vermieden.
Durch das Virtual Prototyping und besonders durch den Einsatz von Visualisierungstools kann die Kommunikation in den interdisziplinären und unternehmensübergreifenden Planungsteams durch eine anschauliche Aufbereitung des DMU erheblich verbessert werden. Dies gilt auch für die Präsentation von Zwischen- oder Endergebnissen beim Auftraggeber. Das frühe Aufdecken von Diskrepanzen zwischen Auftragnehmer und Auftraggeber vermeidet unnötige Kosten und Verzögerungen durch Fehlentwicklungen /7/.
Mit einem Projekt-Controlling, das den Planungsfortschritt fortwährend begleitet, kann die Einhaltung von Termin- und Kostenplänen verbessert und gleichzeitig eine hohe Qualität erreicht werden. Die durch eine durchgängige Rechnerunterstützung erreichbare Verbesserung der jederzeit abrufbaren Informationsbasis kann diesen Ansatz ganz wesentlich unterstützen. Zudem bestehen für das Controlling gute Möglichkeiten, den permanenten Wissenstransfer zwischen allen Beteiligten zu überwachen und gegebenenfalls unterstützend oder korrigierend einzugreifen. Die in diesem Zusammenhang eingesetzten Tools zum Projektmanagement können eine weitere Hilfe darstellen.

Realitätsnah ohne aufwändige Programmierung

Die Einsatzmöglichkeiten von VP haben sich in den vergangenen Jahren wesentlich erweitert. Das gilt vor allem für das 3D-CAD, die Virtual-Reality-Methoden, wie Visualisierung, und die Simulation. Die verbesserte Leistungsfähigkeit der Hardware, der Anwendungssoftware und der Betriebssysteme ermöglichen es dem Planer, auch komplexe und detailgetreue virtuelle Prototypen zu erstellen.
Die hohe Realitätsnähe der heutigen virtuellen Prototypen gibt gute Erkenntnisse über Eigenschaften und Verhalten des Planungsgegenstandes. Gleichzeitig wird eine flexible Handhabung und verhältnismäßig leichte Editierbarkeit des Prototypen gewährleistet.
Ein Beispiel für die gute Handhabbarkeit ist die einfache Visualisierung, die früher aufwändig programmiert werden musste. Für sie stehen inzwischen vorgefertigte Visualisierungstools zur Verfügung. CAD-Modelle können in diese Tools importiert und durch Techniken wie „Drag and Drop“ mit in Bibliotheken abgelegten Materialien belegt werden. Die Erweiterung dieser Bibliotheken durch das Importieren von Bitmaps, beispielsweise in Form von digitalen Fotografien, ermöglicht eine Anpassung an die jeweilige Aufgabenstellung.
Bei komplexen 3D-Modellen, die insbesondere in der Visualisierung eine große Speicherkapazität bedingen, kann durch eine Datenreduktion eine Anpassung der Systemanforderungen an Standard-PCs erfolgen. Eine solche Reduktion der Daten kann durch Tesselation oder durch die Funktion „Level of Detail“, kurz LOD, erreicht werden. Tesselation bedeutet die Approximation der Originaldaten mit einfacheren Formen oder durch Polygonreduktion. Bei der LOD-Funktionalität hängt der Detaillierungsgrad der Objekte von der Position des Betrachters ab /8/.
Die Miniaturisierung von EDV-Bauteilen, die Verbesserungen bei Sensorik, Kameras, Displays und Projektoren sowie die Innovationen bei Computerschnittstellen und der drahtlosen Datenübertragung vergrößert das Angebot bei Mensch-Maschine-Schnittstellen. VR-Tools, wie Datenhandschuhe, Head Mounted Displays, Projektionssysteme und CAVEs, erweitern die Möglichkeiten, virtuelle Prototypen realistisch wahrnehmen zu können.
Die Einsatzfähigkeit und Akzeptanz solcher VR-Tools hängt neben dem Preis und den benötigten Hardwareanforderungen auch von der Qualität der Darstellung und der Art der Steuerung ab. Aus diesem Grund müssen weiterhin die Ziele verfolgt werden, die Auflösung und den Detailgrad zu steigern und die Benutzerfreundlichkeit zu erhöhen.

Resümee

Durch die Realisierung von Virtual Prototyping lässt sich die Planungsdauer bei gleichzeitig steigender Planungsqualität verkürzen. Auf diese Weise kann ein echter Wettbewerbsvorteil geschaffen werden. Insbesondere der Einsatz von Visualisierung oder anderen VR-Technologien trägt dazu bei, Entscheidungen zu beschleunigen und den Kommunikationsprozess zu verbessern.
Die besondere Chance des Virtual Prototyping im Gesamtkontext des Planungsprozesses von Lagersystemen liegt in der durchgängigen Nutzung einer gemeinsamen Datenbasis. Eine Voraussetzung dafür ist es, dass Standardschnittstellen vorhanden sind, über die verschiedene Softwaretools miteinander verbunden werden können. Da im Zuge der Planung große Datenmengen von den verschiedenen Planern erzeugt werden, ist ein konsistentes, zentrales Datenmanagement notwendig, das einen leichten Zugriff auf die Daten ermöglicht.
Die generelle Einsatzfähigkeit von Softwaretools ist stets vom Anwendungsgebiet und vom Komplexitätsgrad des Planungsprozesses sowie von den EDV-Kenntnissen des Planers abhängig. Wie gut die jeweiligen Tools aber auch sein mögen, sie können den Planer im Planungsprozess nur unterstützen. Der Erfolgsfaktor ist und bleibt der Mensch.