Kommissionierroboter brauchen keine Pause

Neue Kommissionierstrategien per Simulation ¿ Betriebs- und Durchlaufzeiten reduziert

Die 1866 gegründete Hamberger Industriewerke GmbH hat sich in ihrer über 130-jährigen Geschichte von einer kleinen Zündholzfabrik zu einem innovativen, weltweit expandierenden Unternehmen entwickelt. Die heutigen Geschäftsfelder umfassen die Bereiche Flooring, Sanitary, Sports sowie Land- und Forstwirtschaft. Mit der Marke HARO ist das Unternehmen Marktführer in der Produktion von Bodenbelägen in Deutschland. Mehr als 280 verschiedene Designs, Holzarten, Dekore, Sortierungen und Abmessungen in den Sortimenten Parkett, Kork-, Furnier- und Laminatboden bilden das umfangreiche Produktspektrum. Mit der erfolgreichen Produktion von HARO-WC-Sitzen sind die Hamberger Industriewerke GmbH der größte Hersteller für WC-Sitze in Deutschland und einer der Marktführer weltweit. Das Unternehmen aus Stephanskirchen nahe Rosenheim wird heute in vierter und fünfter Generation von Dipl.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Hamberger und Dr. Peter M. Hamberger geführt. Mit etwa 1300 Mitarbeitern wird jährlich ein Umsatz von 200 Mio. Euro erwirtschaftet. Bei einem Exportanteil von 37 % werden dabei die Produkte in mehr als 50 Länder exportiert /1/.

Aufgrund der hohen Artikelvielfalt im Bodenbelagssektor und dem Drang der Kunden nach kürzeren Lieferzeiten der Produkte wurde im Jahr 2000 in der Nähe des Werksgeländes und geringer Entfernung zur Autobahn ein Logistikcenter für Parkett- und Laminatprodukte in Betrieb genommen. Auf einer Fläche von rund 34 500 m2 sind dort der Lager- und der Kommissionierbereich sowie der Versand untergebracht.
Den Kern dieses Logistikcenters bildet ein automatisiertes Kompaktlager, auch ¿Automated Compact Warehouse¿, kurz ACW, genannt. Mit einer Länge von 130 m und einer Höhe von 35 m verfügt das Kompaktlager auf 19 Ebenen mit jeweils zweimal 66 Kanälen über insgesamt 30000 Stellplätze. An das Kompaktlager angeschlossen ist eine automatisierte Kommissionierzone mit Stetigförderern und Kommissionierrobotern.
Auch Bodenbeläge kommen
just-in-time

Die Zunahme von Just-in-time-Lieferungen bei gleichzeitiger Verringerung der Bestellmenge hat auch im Parkett- und Laminatbodenhandel Einzug gehalten. Dies führt zu einer stetig ansteigenden Leistungsanforderung an das Lager und die Kommissionierung.
Aus diesem Grund wurde dem Fachgebiet für Planung und Steuerung von Lager- und Transportsystemen, kurz PSLT, der Universität Hannover die Aufgabe übertragen, im Rahmen einer Zustandsanalyse die logistischen Abläufe im Logistikcenter hinsichtlich möglicher Optimierungspotenziale zu durchleuchten und Maßnahmen zur Leistungssteigerung zu entwickeln. Im Mittelpunkt des Projektes stand die automatisierte Kommissionierzone. Ziel war es, Maßnahmen zur Steigerung der Kommissionierleistung zu entwickeln.
Zu Beginn des Projektes wurden die projektspezifischen Rahmenbedingungen des Logistikcenters vor Ort durch eine Zustandsanalyse erfasst. Darauf aufbauend erfolgten die Ableitung allgemeiner Verbesserungspotenziale und die Entwicklung mehrerer aufeinander abgestimmter Maßnahmen, die sich leistungssteigernd für die Kommissionierung auswirken.
Kompakt lagern mit Rollpaletten

Im Kompaktlager des Logistikcenters der Hamberger Industriewerke GmbH werden Rollpaletten, kurz Ropa, verwendet. Dies sind rollfähige Stahlpaletten, die ausschließlich als systeminternes Ladehilfsmittel dienen und speziell für den vorliegenden Anwendungsfall im Kompaktlager ausgelegt sind. Einzulagernde Artikelpaletten werden auf eine Rollpalette aufgesetzt. Dadurch wird ein problemloser Transport, weitgehend unabhängig vom Zustand der Artikelpalette, möglich.
Im Logistikcenter werden bis zu 20 Ropa in Kanälen hintereinander gelagert, in denen sie mit eigenen Rollen auf Schienen laufen. Durch Kupplungen an den einzelnen Rollpaletten entsteht dabei ein Ropa-Zug, der mit jeder weiteren Einlagerung in den Kanal um eine Ropa-Länge nach hinten geschoben wird. Diese Lagerart ermöglicht allerdings nur einen direkten Zugriff auf die vorderste Palette im Kanal /2/.
Die Horizontal- und die Vertikaltransporte der Ropa innerhalb des ACW laufen getrennt und unabhängig voneinander ab. Die Ein- und Auslagerung in einen Kanal übernimmt ein so genannter ¿Trolley¿. Das ist ein ebenengebundener Querverschiebewagen, der Zugriff auf alle seitlich liegenden Kanäle hat. Er kann eine Rollpalette bei der Aufnahme von dem Ropa-Zug im Kanal abkoppeln und anschließend zu einem Bereitstellplatz vor dem Vertikalförderer transportieren. Die Vertikalförderer haben die Aufgabe, die Rollpaletten auf den verschiedenen Ebenen des Kompaktlagers bereitzustellen.

Ware zum Roboter

Im Mittelpunkt der Betrachtung stand die sich räumlich dem Kompaktlager anschließende automatische Kommissionierzone. Im Rahmen einer Aufnahme vor Ort wurden das Layout der Kommissionierzone mit den vorhandenen CAD-Zeichnungen abgeglichen, die Abläufe aufgenommen und beispielhafte Zeitmessungen von ausgewählten Prozessen durchgeführt. Die Aufnahme umfasste dabei die Materialflüsse für die Kommissionierung sowie den Transport von Leerpaletten und Rollpaletten in der Ist-Situation.
In der Kommissionierzone werden die aus dem Kompaktlager kommenden Artikelpaletten zu zwei Kommissionierrobotern befördert. Diese kommissionieren nach dem Prinzip ¿Ware zum Mann¿ oder besser ¿Ware zum Roboter¿ und entnehmen entsprechend den Kundenaufträgen Artikel, die sie auf einer leeren zum Kunden gehenden Palette, auch Kundenpalette genannt, ablegen. Dabei wird sowohl positiv als auch negativ kommissioniert, um die Anzahl der umzusetzenden Packstücke zu minimieren. Abschließend gehen sowohl die Kundenpaletten als auch die Artikelpaletten wieder in das Kompaktlager. Die Kundenpaletten werden in speziellen Transportkanälen für den Versand bereitgestellt.

Querverschiebewagen verteilen die Paletten

Die Rollpaletten werden in der Kommissionierzone sowohl von stetigen Fördersystemen, wie Rollenbahnen und Tragkettenförderer, als auch von unstetigen Querverschiebewagen transportiert. Dazu sind neun parallel verlaufende Tragkettenstiche angeordnet. Fünf Stiche beliefern die beiden Kommissionierroboter mit Paletten. Für Artikel- und Kundenpaletten werden separate Stiche genutzt. Gemischte Kundenpaletten, also Paletten mit unterschiedlichen Artikeln für einen Kunden, erstellt ein Kommissionierroboter über einen dritten Stich. Die Verteilung der Paletten auf die einzelnen Stiche erledigt ein Querverschiebewagen, der stirnseitig zu den Stichen verfährt.
Über einen Zuführstrang aus dem Kompaktlager und den Querverschiebewagen werden die Artikelpaletten zu den Kommissionierrobotern befördert. Dabei laufen alle Paletten eines Kommissionierauftrages über den selben Roboter. Neben der Artikelpalette benötigt ein Roboter natürlich auch eine Kundenpalette. Sie besteht aus einer leeren Holzpalette, die auf einer Rollpalette aufliegt. Verheiratet werden Ropa und leere Holzpalette durch das Unterfahren einer Rollpalette unter einen Stapel von Holzpaletten. Durch eine Hub-/Senkvorrichtung wird dabei die Ropa mit einer Holzpalette vereint. Beide Palettentypen lagern in entsprechenden Spendern.
Stehen sowohl die Artikel- als auch die Kundenpalette beim Kommissionierroboter bereit, nimmt dieser Roboter die geforderte Anzahl an Packstücken von der Artikelpalette und legt sie auf der Kundenpalette ab. Im Anschluss sorgt ein zweiter Querverschiebewagen für den Transport der Paletten zurück ins Kompaktlager.
Nicht immer geht es automatisch

Artikelpaletten, die von der automatischen Kommissioniereinrichtung nicht bearbeitet werden können, bedürfen der Klärung. Das kann zum Beispiel der Fall sein, wenn ein Strichcode nicht automatisch von den Scannern erfasst und dadurch die Palette nicht identifiziert werden kann. Für diese Fälle ist ein spezieller Arbeitsplatz, ein so genannter Klärplatz vorgesehen, zu dem die Paletten über einen Rückführstich gelangen. Hier besteht die Möglichkeit zur manuellen Klärung.
Gleichzeitig dient der Klärplatz zur Etikettierung ausgewählter Kundenpaletten. Diese Paletten werden nach der Kommissionierung nicht direkt in das Kompaktlager, sondern ebenfalls über den Rückführstich zum Klärplatz transportiert. Ein Mitarbeiter bringt hier auf die einzelnen Packstücke die kundenspezifischen Etiketten auf. Bevor die Paletten nach der manuellen Bearbeitung wieder in das Kompaktlager gelangen dürfen, werden die Konturen durch die Profilkontrolle auf Automatisierungsfähigkeit geprüft /3/.

Mit Simulation gegen Komplexität

Im Anschluss an die Aufnahme der Abläufe in der Kommissionierzone folgte die Analyse der Daten. Auf Grund der hohen Komplexität und dynamischen Vernetzung der einzelnen Fördertechnikkomponenten in der Kommissionierzone ist dabei eine Untersuchung mit analytischen Methoden nur begrenzt erfolgreich. Deshalb wurde eine computergestützte Simulationsstudie für die Materialflüsse in der Kommissionierzone durchgeführt.
Bei einer Simulation wird das reale System in ein experimentelles Modell umgesetzt, um zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die Wirklichkeit übertragbar sind /4/. Ein zeitintensiver Teil der Simulationsstudie fällt der Modellbildung zu. Es muss darauf geachtet werden, dass das reale System, das aus Elementen und deren Beziehungen untereinander besteht, im Modell so abgebildet wird, dass eine Vergleichbarkeit gewahrt bleibt /5/. Hierbei muss häufig ein Kompromiss zwischen realitätsnahem Verhalten und Handhabbarkeit der Struktur gefunden werden.
Im Anschluss an die Modellbildung erlaubt die Simulation eine vergleichende Bewertung unterschiedlicher Ablaufvarianten ohne einen Eingriff in den Betrieb des realen Systems vornehmen zu müssen. Die Auswirkungen unterschiedlicher Strategien und Veränderungen des Layouts erfordern nach den Änderungen am Modell neue Simulationsläufe. Die Ergebnisse der Simulation muss man dann interpretieren und auf ihre Effizienz hin bewerten /6/.

Kommissionierstrategien gestalten

Zuerst einmal wurde das vorhandene Layout in einem Simulator abgebildet und dabei unter anderem folgende Elemente berücksichtigt:
n Tragkettenförderstiche mit unterschiedlich langen Abschnitten,
n Querverschiebewagen,
n Kommissionierroboter sowie
n Palettenspender.
Die bei der Ist-Aufnahme ermittelten Randbedingungen, wie beispielsweise Bearbeitungszeiten oder Übergabezeiten, beschreiben die erforderlichen Attribute der einzelnen Elemente. Neben den Elementen des Systems wurden die Kommissionierstrategien und Prozesse analog zum eingesetzten Lagersteuerungssystem gestaltet. Eine Zufallsverteilung erzeugt Kommissionieraufträge in unterschiedlichen zeitlichen Abständen mit verschieden langen Auftragsketten, die dann zur Bearbeitung fest einem Roboter oder dem Etikettierplatz zugewiesen werden.
Zur Abgrenzung des Modells gegenüber Schnittstellen zu äußeren Systemen wurden Randbedingungen definiert. So blieben beispielsweise ACW-bedingte Störungen, die natürlich Auswirkungen auf die Kommissionierzone haben, unberücksichtigt. Weiterhin ging man von einer bedarfsgerechten Bereitstellung von Artikelpaletten und bedarfsgerechten Abnahme von Kunden- sowie Artikelpaletten durch das ACW aus.
Als Leistungsvorgabe für die Durchführung der Simulation wurden zwei Lastprofile entwickelt. Dem ersten Lastprofil liegen die Leistungsdaten der Ist-Situation zu Grunde und im zweiten Lastprofil galt es, mögliche zukünftige Entwicklungen abzubilden.

Roboter besser auslasten

Die Analyse der Simulationsergebnisse ergab, dass unter den angenommenen Randbedingungen die Fördertechnik durchaus noch Leistungspotenziale aufweist. So sind beispielsweise die Kommissionierroboter noch nicht ausgelastet. Die fixe Zuordnung der Auftragsketten zu den Robotern, die immer komplett einen Kommissionierauftrag bearbeiten, führt besonders bei den Querverschiebewagen zu Blockungen.
Eine erste angedachte Maßnahme ist die Einrichtung einer Bypass-Strecke mit Pufferfunktion und einem eigenständigen Etikettierplatz für die zu kennzeichnenden Paletten. Die Bypass-Strecke verläuft parallel zum Zuführstich aus dem ACW und mündet direkt in den Klärstich. Dadurch müssen zu etikettierende Paletten nicht vom Querverschiebewagen transportiert werden. Es wird eine Entkopplung der Materialflüsse für die zu kennzeichnenden Paletten und für die zu kommissionierenden Paletten erreicht. Als Folge wirken sich Blockungen auf Grund der fixen Auftragsketten nicht auf den Etikettierplatz aus. Neben mehreren Pufferplätzen verfügt die Bypass-Strecke über zwei Einschleusstationen für kommissionierte Paletten, die nach der Kommissionierung noch etikettiert werden müssen, und eine Einschleusstation für Paletten, die zum Klärplatz laufen. Darüber hinaus ist ein Palettenstapler für die in der Kommissionierzone anfallenden leeren Holzpaletten vorgesehen.
Der Simulationslauf ergab, dass durch die Entkopplung der Materialflüsse eine nennenswerte Verkürzung der Betriebszeit allein durch Reduktion der Roboterwartezeiten erreicht wird. Die Fördertechnik weist aber noch weitere Leistungspotenziale auf.
Als nächste Maßnahme wurde die Änderung der Kommissionierstrategie mit einer freien Roboterbelegung angedacht. Alle Paletten einer Auftragskette müssen nicht mehr zwangsläufig von einem Roboter kommissioniert werden. Die Verteilung der zu kommissionierenden Paletten auf die Roboter erfolgt belastungsorientiert. Das reduziert bei den Robotern die Wartezeit erheblich. Damit hat die Simulation gezeigt, dass die Betriebszeit der automatisierten Kommissionierzone durchaus noch weiter gesenkt werden kann. Auf Grund der gestiegenen Leistung erhöht sich allerdings der Zeitanteil von Blockungen, da der Querverschiebewagen, der den Transport in das ACW erledigt, nahezu voll ausgelastet ist.
Die Simulationsläufe mit dem zweiten Lastprofil zeigen tendenziell gleiche Effekte wie die Simulationsläufe mit dem ersten Lastprofil auf. Die Entkopplung von Etikettier- und Kommissionieraufträgen sowie die Auflösung der fixen Zuordnung der Auftragsketten zu den Robotern verstärken die Reduzierung der Betriebszeit. Die Simulation ergab, dass die Fördertechnik darüber hinaus keine weiteren zusätzlichen Leistungspotenziale mehr aufweist. Der ACW-seitige Querverschiebewagen stellt eindeutig das leistungsbegrenzende Element dar.

Resümee

Mit Hilfe einer Simulationsstudie konnten detaillierte Erkenntnisse über die Prozesse in der automatisierten Kommissionierzone der Hamberger Industriewerke GmbH gewonnen werden. Die Simulation ermöglichte dabei die Analyse und Bewertung der Materialflüsse in der Ist-Situation. Es wurde deutlich, dass in der Kommissionierung noch erhebliche Potenziale für eine Leistungssteigerung freigesetzt werden können. Vor allem durch eine Reduzierung der Roboterwartezeiten lässt sich die Kommissionierleistung signifikant steigern.
Es wurden verschiedene Maßnahmen untersucht, bewertet und dabei sowohl Aspekte bezüglich einer Änderung der Ablaufstrategie als auch Anordnung der Fördertechnik berücksichtigt. Die Entkopplung der Materialflüsse sowie die freie Zuordnung der Artikelpaletten zu den Robotern führen zu einer Verringerung der Durchlaufzeiten und des Ressourceneinsatzes. Die Umsetzung ausgewählter Maßnahmen wird zurzeit vorbereitet. Die Simulation konnte im Rahmen des vorliegenden Projektes einen wesentlichen Beitrag zur Absicherung der beabsichtigten Investitionen leisten. n