Produktionsplanungs- und -steuerungssystem

Grundlagen

Ein Produktionsplanungs- und -steuerungssystem (PPS-System) dient der Unterstützung des (operativen) Produktionsmanagements bei der Gestaltung des Produktionsprogramms und des Produktionsvollzugs nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten. Im Rahmen der Produktionsplanung und -steuerung ist insbesondere festzulegen [Kurbel 2005, S. 7]

• welche absatzbestimmten Produkte in welchen Mengen im Planungszeitraum herzustellen sind,
• welche Mengen an Einsatzgütern (Vor- und Zwischenprodukten) dafür benötigt werden,
  
• ob und wenn ja in welchem Ausmaß eigentlich zu unterschiedlichen Zeitpunkten benötigte End-, Zwischen- und Vorproduktmengen aus wirtschaftlichen Gründen zu Losen zusammengefaßt werden sollen,
  
• zu welchen Zeitpunkten die Herstellung der einzelnen End- und Zwischenproduktmengen unter Berücksichtigung der verfügbaren personellen und maschinellen Kapazitäten der Produktionssysteme erfolgen soll und
  
• in welcher Reihenfolge die vor den einzelnen Arbeitsplätzen bzw. Produktionsanlagen wartenden (freigegebenen) Fertigungsaufträge bearbeitet werden sollen.

Zur Lösung dieser Fragestellungen wurden im Laufe der Zeit zahlreiche Optimierungsmodelle entwickelt. Derartige Partialmodelle berücksichtigen jedoch nicht die wechselseitigen Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Teilproblemen der Produktionsplanung und -steuerung. Um zu einem Gesamtoptimum zu gelangen, müssten die einzelnen Teilplanungsprobleme daher in einen umfassenden Modellansatz integriert und simultan gelöst werden. Solche Simultan- oder Totalmodelle führen im praktischen Einsatz jedoch bereits bei recht überschaubaren Planungsproblemen zu unbeherrschbaren Modellgrößen. Vor diesem Hintergrund wurde das Konzept der hierarchischen Produktionsplanung entwickelt [Switalski 1989, Kistner, Steven 2001, S. 209-237], welches das Gesamtproblem der Produktionsplanung und -steuerung in Teilprobleme zerlegt, die (unter Anwendung der für den jeweiligen Bereich relevanten Partialmodelle) nacheinander gelöst werden, wobei die Ergebnisse einer übergeordneten Planungsstufe den Ausgangspunkt für die Planung der darunterliegenden Stufe bilden [Vahrenkamp 2008, S. 110]. Der (zeitliche) Detaillierungsgrad der Planung nimmt dabei von Stufe zu Stufe zu. Dieser Planungsphilosophie folgen die gängigen PPS-Systeme, deren Aufbau in Abbildung 1 im Überblick dargestellt ist und im folgenden beschrieben wird.

Abb. 1: Grundstruktur eines PPS-Systems [Kistner/Steven 2001, S. 259]

Aufbau von PPS-Systemen

Primärbedarfsplanung

Gegenstand der Primärbedarfsplanung (Produktionsprogrammplanung) ist die Festlegung der in der Planungsperiode herzustellenden Mengen der absatzbestimmten Produkte. Dabei kann es sich neben Endprodukten auch um verkaufsfähige Zwischenprodukte wie z.B. Ersatzteile für die Endprodukte handeln. Die Planung basiert auf eingegangenen Kundenaufträgen und/oder Nachfrageprognosen, wobei je nach Unternehmenstyp (Lager- vs. Auftragsfertiger) die eine oder die andere Form zur Anwendung kommt bzw. dominiert. Für die Nachfrageprognose stehen in Abhängigkeit vom Nachfrageverlauf verschiedene Prognoseverfahren zur Verfügung; die wichtigsten zeigt Tabelle 1. Um unter Berücksichtigung der vorhandenen Kapazitäten zu einem optimalen Produktionsprogramm zu gelangen, wurden Optimierungsmodelle entwickelt, die unter Berücksichtigung von Absatz-, Kapazitäts- und ggf. Lagerrestriktionen ein deckungsbeitragsmaximales oder kostenminimales Produktionsprogramm für eine Planungsperiode von bis zu einem Jahr bestimmen.

Tab. 1: Wichtige Prognoseverfahren

Der Planungshorizont für einen Primärbedarfsplan und damit für die Primärbedarfsplanung beträgt im allgemeinen sechs bis zwölf Monate. Die Primärbedarfe werden dabei in der Regel wochenweise dargestellt.

Sekundärbedarfsplanung

Im Rahmen der Sekundärbedarfsplanung (Mengenplanung, (Material-) Bedarfsplanung, Materialdisposition, Materialwirtschaft) sind die für die Herstellung des Primärbedarfs benötigten Einsatzgütermengen zu bestimmen. Hierbei ist zwischen eigengefertigten, im folgenden als Zwischenprodukte bezeichneten und fremdbezogenen, im folgenden unter dem Begriff Vorprodukte subsummierten Produktbestandteilen zu unterscheiden. Für erstere werden später Fertigungsaufträge und für letztere Beschaffungsaufträge generiert. In beiden Fällen kann die Bedarfsermittlung entweder verbrauchs- oder programmgesteuert erfolgen. Welches Verfahren der Bedarfsermittlung zur Anwendung kommt, hängt von der Wertigkeit der Güter ab. So werden hochwertige Gütern in der Regel programmgesteuert und geringwertige Güter verbrauchsgesteuert disponiert.

Bei der verbrauchsgesteuerten Disposition werden die benötigten Einsatzgütermengen aus den Verbräuchen der Vergangenheit abgeleitet. Hierbei kommen dieselben Prognoseverfahren zum Einsatz wie in der Primärbedarfsplanung.

Bei der programm- oder bedarfsgesteuerten Disposition wird der Bedarf an Einsatzgütern hingegen aus der Zusammensetzung der absatzbestimmten Produkte hergeleitet. Die Erzeugnisstrukturen sind dabei in Stücklisten hinterlegt. In Abhängigkeit von der Art der Darstellung unterscheidet man Mengen(übersichts)-, Struktur-, Baukasten- und Dispositionsstücklisten. Das Kernstück der programmgesteuerten Disposition bildet die sog. Brutto-Netto-Bedarfsrechnung, im Rahmen derer ausgehend vom teilperioden- (in der Regel wochen-) weise gegliederten Primärbedarf durch Auflösung der Stücklisten und Berücksichtigung evtl. vorhandener Lagerbestände sukzessive die für die Befriedigung dieses Bedarfs benötigten Mengen an Vor- und Zwischenprodukten berechnet werden. Ein wesentlicher Bestandteil der Brutto-Netto-Bedarfsrechnung ist die Losgrößenplanung, im Rahmen derer die Vor- und Zwischenproduktbedarfe verschiedener Teilperioden (in der Regel Wochen) zu sog. Losen zusammengefaßt werden.

Bei der verbrauchsgesteuerten Disposition werden die Beschaffungs- und Fertigungsaufträge allein aus den vorhandenen Lagerbeständen durch Anwendung der bekannten Methoden der Lagerbestandsführung abgeleitet.

Termin- und Kapazitätsplanung

An die Sekundärbedarfsplanung schließt sich die Termin- und Kapazitätsplanung (Grobterminierung, Zeitwirtschaft) an. Sie zerfällt in die Schritte Durchlaufterminierung, Kapazitätsplanung und Kapazitätsabgleich.

Gegenstand der Durchlaufterminierung ist die grobe Festlegung vorläufiger Start- und Endtermine der einzelnen für die Herstellung von Zwischen- und Endprodukten notwendigen Arbeitsgänge auf Basis geschätzter Plan-Durchlaufzeiten. Vorläufig sind die Termine zum einen deshalb, weil die Planung zunächst ohne Berücksichtigung der Kapazitätssituation erfolgt. Zum anderen ergeben sich die endgültigen Bearbeitungstermine erst aus der Ablaufplanung. Diese wird aber im Konzept der hierarchischen Produktionsplanung erst nach der Termin- und Kapazitätsplanung durchgeführt.

Im Rahmen der Kapazitätsplanung wird die aus der Durchlaufterminierung resultierende Kapazitätsnachfrage dem Kapazitätsangebot gegenübergestellt. Übersteigt die Kapazitätsnachfrage das Kapazitätsangebot oder unterschreitet erstere letzteres deutlich, sind Maßnahmen des Kapazitätsabgleichs zu ergreifen.

Auftragsfreigabe

Nach Abschluss der Termin- und Kapazitätsplanung liegt ein mengenmäßig und zeitlich fixierter Grobplan für einen längeren Zeitraum (in der Regel 1-3 Monate) vor, dessen Einhaltung aufgrund des möglichen Eintritts von unvorhergesehenen Ereignissen jedoch nicht sichergestellt werden kann und der daher auch nicht als verbindliche Vorgabe für die Produktion dienen kann. Um auf derartige Störereignisse adäquat reagieren und diese in der Planung berücksichtigen zu können, ist der Planungshorizont auf einen überschaubaren Zeitraum von ca. 1-2 Wochen zu verkürzen. Diejenigen Fertigungsaufträge, deren in der Termin- und Kapazitätsplanung festgelegter Starttermin in diesen Planungshorizont fällt, werden dann zur Fertigung freigegeben und im Rahmen der sich an die Auftragsfreigabe anschließenden Ablaufplanung mit exakten Bearbeitungsterminen auf den einzelnen Bearbeitungsstationen versehen. Die Auftragsfreigabe bildet somit die Schnittstelle zwischen der Fertigungsplanung und der Fertigungssteuerung im Rahmen des Produktionsvollzugs.

Ablaufplanung

Im Rahmen der Ablaufplanung (Reihenfolgeplanung, Maschinenbelegungsplanung, Feinterminierung) sind für die einzelnen Arbeitsgänge der bislang nur mit groben Start- und Endterminen versehenen freigegebenen Fertigungsaufträge die genauen Bearbeitungstermine auf den einzelnen Bearbeitungsstationen des Produktionssystems festzulegen. Dabei ist zwischen Flow-Shop- und Job-Shop-Problemen zu unterscheiden [Schneeweiß 2002, S. 14-15]: Von einem Flow-Shop-Problem spricht man, wenn alle Fertigungsaufträge die Bearbeitungsstationen in derselben Reihenfolge durchlaufen müssen (Fließfertigung mit identischer Maschinenfolge für alle Aufträge). Ein Job-Shop-Problem liegt vor, wenn die Aufträge die einzelnen Bearbeitungsstationen in unterschiedlicher Reihenfolge durchlaufen können (Job-Shop-Problem i.w.S.). Dabei ist noch einmal dahingehend zu differenzieren, ob die Bearbeitungsreihenfolge zwar von Auftrag zu Auftrag variiert, für den einzelnen Auftrag aber fest vorgegeben ist (Werkstattfertigung mit auftragsindividueller Maschinenfolge, Job-Shop-Problem i.e.S.) oder keine fest vorgegebene Bearbeitungsreihenfolge für den einzelnen Auftrag existiert (Werkstattfertigung mit beliebiger Maschinenfolge für alle Aufträge). Dieser letztgenannte Fall wird auch als Open-Shop-Problem bezeichnet [Zäpfel 2001, S. 203; Dyckhoff/Spengler 2007, S. 254]. In Abhängigkeit vom Vorliegen eines Flow- oder Job-Shop-Problems kommen verschiedene Verfahren der Reihenfolgeplanung zur Anwendung. Besondere praktische Relevanz kommt dabei Prioritätsregeln zu.

Auftragsüberwachung

Im Rahmen der Auftragsüberwachung ist der Fertigungsablauf im Hinblick auf die Planeinhaltung zu überwachen. Bei Störungen des planmäßigen Fertigungsablaufs (z. B. aufgrund von Personal-, Maschinen- oder Lieferausfällen) sind geeignete gegensteuernde Maßnahmen vorzusehen.

Entwicklungsstufen von PPS-Systemen

Es ist offensichtlich, dass Produktionsplanungs- und -steuerungsprobleme realistischer Größenordnung nur computergestützt gelöst werden können. Daher wurden bereits in den 60er-Jahren die ersten Computersysteme für diesen Anwendungsbereich entwickelt. Diese unterstützten zunächst nur die Materialbedarfsplanung (Material Requirements Planning, abgekürzt MRP); sie wurden daher auch als MRP-Systeme bezeichnet. Später wurden die MRP-Systeme dann um Funktionalitäten für die übrigen Stufen der hierarchischen Produktionsplanung erweitert und als MRP II-Systeme bezeichnet. MRP steht nun für Manufacturing Resource Planning [Kurbel 2005, S. 1 f]. Der Begriff MRP II wird allerdings in der Literatur nicht einheitlich im eben beschriebenen Sinne als Synonym für ein alle Stufen der hierarchischen Produktionsplanung und -steuerung umfassendes PPS-System verwendet. Einige Autoren bezeichnen als MRP II-Konzept die Erweiterung klassischer (hierarchischer) PPS-Systeme durch Einführung von Rückkopplungen zwischen den Stufen, die es gestatten, auf früheren Planungsstufen getroffene Entscheidungen aufgrund von Erkenntnissen, die aus später getroffenen Planungsentscheidungen resultieren, zu korrigieren [Zelewski/Hohmann/Hügens 2008, S. 480].

Die nächste Stufe in der Entwicklung betrieblicher Informationssysteme bilden Enterprise Resource Planning-Systeme oder kurz ERP-Systeme. Sie stellen eine Erweiterung der MRP II-Funktionalität um Module für an die Produktion angrenzende und diese unterstützende Bereiche wie FinanzBeschaffung, Vertrieb, Anlagenwirtschaft, Personalwesen, Finanz- und Rechnungswesen usw. dar. Im Gegensatz zu MRP II-Systemen sind sie in ihrer Anwendung nicht mehr auf den industriellen Bereich begrenzt, sondern wirtschaftszweigunabhängig einsetzbar. ERP-Systeme ermöglichen somit eine funktionsbereichsübergreifende (unternehmensweite) Planung und Steuerung der Unternehmensprozesse in Unternehmen beliebiger Wirtschaftszweige [Kurbel 2005, S. 3].

PPS- und ERP-Systeme haben jedoch den Nachteil, dass sie primär die Planung der Produktionsprozesse unterstützen, weniger jedoch deren Steuerung, die notwendig wird, wenn die Pläne aufgrund unvorhergesehener Ereignisse nicht eingehalten werden können. Zur besseren Unterstützung der Fertigungssteuerung wurden daher Ende der 80er Jahre sog. elektronische Leitstände als eigenständige Ergänzungen der PPS- bzw. ERP-Systeme entwickelt, die Anfang des 21. Jahrhunderts in die sog. Manufacturing Execution Systeme (abgekürzt MES) übergingen. Leitstände und MES unterscheiden sich primär in der Intensität der Verbindung zwischen Planung und Steuerung [Kurbel 2005, S. 263].

Mit zunehmender Vernetzung der Unternehmen entlang der Wertschöpfungskette (Supply Chain)reicht eine rein unternehmensbezogene Planung und Steuerung jedoch nicht mehr aus. Die Geschäftsprozesse sind vielmehr unternehmensübergreifend zu planen und zu steuern. Softwaresysteme, die eine derartige unternehmensübergreifende Produktionsplanung und -steuerung im Sinne des Supply Chain Management unterstützen, werden als APS-Systeme bezeichnet, wobei APS für Advanced Planning and Scheduling steht [Kurbel 2005, S. 3 f]. APS-Systeme lösen den Einsatz von ERP-Software in den Unternehmen nicht ab, sondern integrieren die ERP-Systeme verschiedener Unternehmen entlang der Supply Chain und optimieren durch die Bereitstellung fortschrittlicher oder fortgeschrittener ("advanced") Algorithmen die unternehmensübergreifenden Geschäftsprozesse. In der Praxis ist der Übergang zwischen ERP- und APS-Software allerdings fließend.

Literatur

Dyckhoff, Harald ; Spengler, Thomas: Produktionswirtschaft. 2. Auflage. Springer : Berlin/Heidelberg/New York 2007.

Kistner, Klaus-Peter; Steven, Marion: Produktionsplanung. 3. Auflage, Heidelberg : Physika, 2001.

Kurbel, Karl: Produktionsplanung und -steuerung im Enterprise Resource Planning und Supply Chain Management. 6. Auflage, München, Wien : Oldenbourg, 2005.

Schneeweiß, Christoph: Einführung in die Produktionswirtschaft. 8. Auflage. Springer: Berlin/Heidelberg/New York 2002.

Switalski, Marion: Hierarchische Produktionsplanung. Heidelberg : Physika, 1989.

Vahrenkamp, Richard: Produktionsmanagement. 6. Auflage, München : Oldenbourg, 2008.

Zäpfel, Günther: Grundzüge des Produktions- und Logistikmanagement. 2. Auflage, München, Wien : Oldenbourg, 2001.

Zelewski, Stephan ; Hohmann, Susanne ; Hügens, Torben: Produktionsplanungs- und –steuerungssysteme. Oldenbourg : München 2008.