Anwen­dungs­fall für die Pro­du­zie­ren­de Industrie

Taktzeitoptimierung

Erhö­hung der Pro­duk­ti­vi­tät von Maschi­nen und Anla­gen durch eine Ver­bes­se­rung der Taktzeit.

Typische Problemstellung in der Produktion

In der auto­ma­ti­sier­ten Seri­en­fer­ti­gung durch­lau­fen Werk­stü­cke und Tei­le in der Regel einen mehr­stu­fi­gen Pro­zess, der dadurch gekenn­zeich­net ist, dass unter­schied­li­che Arbeits­gän­ge und Bear­bei­tun­gen auf ver­schie­de­nen Maschi­nen durch­ge­führt wer­den. Zwi­schen die­sen Fer­ti­gungs­stu­fen und Sta­tio­nen erfolgt der Wei­ter­trans­port. Teil­wei­se sind sogar Qua­li­täts­kon­trol­len oder eine Zwi­schen­la­ge­rung als Puf­fer zwischengeschalten.

Gemein­hin ist die Zyklus­zeit, also die Zeit­dau­er der Bear­bei­tung auf den ein­zel­nen Fer­ti­gungs­stu­fen unter­schied­lich lang. Für eine maxi­ma­le Pro­duk­ti­vi­tät und einen kon­ti­nu­ier­li­chen Mate­ri­al- und Pro­duk­ti­ons­pro­zess wer­den des­halb die Abläu­fe an den Pro­zess­schrit­ten oder Maschi­nen mit den längs­ten Zyklus­zei­ten aus­ge­rich­tet. Für zeit­in­ten­si­ve Arbeits­gän­ge wer­den zudem oft zwei oder mehr Sta­tio­nen par­al­lel in den Pro­duk­ti­ons­pro­zess inte­griert. Damit wird zwar die Bear­bei­tungs­ka­pa­zi­tät erhöht und damit die Takt­zeit ver­kürzt, aber auch die Kom­ple­xi­tät in der Aus­steue­rung des Fer­ti­gungs­pro­zes­ses vervielfacht.

Bei der Pla­nung und Aus­le­gung der Bear­bei­tungs­zei­ten wer­den zudem für jeden Arbeits­gang gewis­se Reser­ven ein­ge­rech­net, damit in der Pra­xis die ver­trag­lich gefor­der­ten Zeit­dau­ern oder Men­gen­ein­hei­ten sicher erreicht wer­den. Auch ein nicht opti­ma­ler Mate­ri­al­trans­port oder selbst klei­ne­re Stö­run­gen kön­nen sich ganz wesent­lich auf die rea­le Takt­zeit aus­wir­ken. Außer­dem soll­ten wei­te­re Ein­fluss­fak­to­ren berück­sich­tigt wer­den, die zu Stö­run­gen füh­ren könn­ten z. B. das Ver­kan­ten von Tei­len oder der Wie­der­an­lauf nach dem Fah­ren gegen eine Begren­zung. Bei all­dem müs­sen immer auch die Leis­tungs­fä­hig­keit und die mecha­ni­schen und ther­mi­schen Gren­zen der Bau­tei­le und Aggre­ga­te, bspw. Ser­vo­mo­to­ren beach­tet werden.

Es wird deut­lich, dass sich durch die Sum­me der Ein­fluss­fak­to­ren die Opti­mie­rung der Takt­zeit in der Pra­xis als sehr kom­plex her­aus­stellt. Des­halb ist eine Takt­zeit­op­ti­mie­rung auf­grund von Erfah­run­gen oder „nach Gefühl“ in der Pra­xis häu­fig anzu­tref­fen. Die­ses Vor­ge­hen hat jedoch kla­re Gren­zen hin­sicht­lich der Opti­mie­rungs­mög­lich­kei­ten und die viel­fäl­ti­gen Kor­re­la­tio­nen fin­den nur in gerin­gem Maße Beachtung.

Wie kann also eine nach­hal­ti­ge Opti­mie­rung gelingen?

Taktzeitoptimierung mittels IIoT-Technologien als Lösung

Als Grund­la­ge für die Daten­er­he­bung und Über­wa­chung der Pro­zes­se ist es not­wen­dig, alle Pro­zess­stu­fen sowie die rele­van­ten Durch­gangs­punk­te zu den ein­zel­nen Sta­tio­nen mit Sen­so­ren und ent­spre­chen­den Lese­ge­rä­ten aus­zu­stat­ten. Dafür kön­nen Werk­stück­trä­ger und Trays mit RFID-Trans­pon­dern (engl. radio-fre­quen­cy iden­ti­fi­ca­ti­on) aus­ge­rüs­tet wer­den, die – wie der Name besagt – mit­hil­fe elek­tro­ma­gne­ti­scher Wel­len das Erken­nen der zu- und ablau­fen­den Waren­trä­ger ermög­li­chen.Als wei­te­re wich­ti­ge Daten­quel­le die­nen die Steue­run­gen der Maschi­nen und Robo­ter. Über sie kön­nen die tat­säch­li­chen Pro­zess­zei­ten aus­ge­le­sen und in pro­duk­ti­ve Arbeits­zei­ten für wert­schöp­fen­de Bear­bei­tun­gen und Pro­zes­se sowie unpro­duk­ti­ve Bewe­gungs- und Neben­zei­ten wie z. B. für Werk­zeug­trans­port, Teile­trans­port und Ver­fahr­we­ge auf­glie­dern.Zusätz­lich müs­sen auch die Puf­fer­zo­nen über­wacht wer­den. Falls die Waren­trä­ger eine vari­ie­ren­de Men­ge an Tei­len auf­neh­men kön­nen, ist auch die Erfas­sung deren Bele­gung bzw. der Stück­zahl mit opti­schen Sen­so­ren oder über Last­mes­sung zu emp­feh­len. Als zusätz­li­che Daten­quel­le lohnt es sich zudem für die Funk­ti­on der Anla­ge kri­ti­sche oder mit hohem Ver­schleiß behaf­te­te Bau­tei­le und Aggre­ga­te mit Sen­so­ren und Mess­ge­bern aus­zu­stat­ten. Schließ­lich muss bei jeder Stei­ge­rung der Pro­duk­ti­vi­tät eine über­pro­por­tio­na­le Belas­tung der Anla­ge ver­mei­den wer­den.Alle die­se Sen­so­ren und Daten­quel­len der Anla­ge wer­den über das Indus­tri­al Inter­net of Things ver­netzt. Unter­stüt­zung bei der kon­ti­nu­ier­li­chen Daten­er­he­bung, Daten­spei­che­rung und Aus­wer­tung der Zyklus­zei­ten für jede ein­zel­ne Pro­zess­stu­fe bie­ten intel­li­gen­te Soft­ware­tools, wie z. B. die IIoT Buil­ding Blocks. Sehr wich­tig ist bei einem sol­chen Soft­ware­tool die Fähig­keit zur zeit­li­chen, sekun­den­ge­nau­en Syn­chro­ni­sa­ti­on der unter­schied­li­chen Daten, damit eine Ver­gleich­bar­keit sicher­ge­stellt und Abhän­gig­kei­ten erkannt wer­den kön­nen.Zur Takt­zeit­op­ti­mie­rung wer­den mit­hil­fe der Ana­ly­se der Daten fol­gen­de Schrit­te durchlaufen: 
  • Erken­nen von Zeit­ver­lus­ten durch Stö­run­gen sowie Iden­ti­fi­zie­ren der Gründe
  • Auf­de­cken von Eng­päs­sen und War­te­zei­ten im Pro­zess­ab­lauf, die Aus­wir­kun­gen auf die Takt­zeit haben, z. B. Robo­ter war­tet auf die Frei­ga­be des Bewe­gungs­raums, der auch von einem ande­ren Robo­ter bean­sprucht wird
  • Iden­ti­fi­zie­ren der Sta­ti­on mit dem Ein­zel­pro­zess, der die längs­te Zyklus­zeit benö­tigt, da die­ser die Takt­zeit der Fer­ti­gungs­li­nie bestimmt
  • Detail­lier­tes Ana­ly­sie­ren des Pro­zes­ses hin­sicht­lich der Ver­mei­dung unpro­duk­ti­ver Bewe­gungs- und Nebenzeiten
  • Prü­fen der Mög­lich­keit zur Stei­ge­rung der Pro­zess­ge­schwin­dig­keit bei Auf­recht­erhal­tung der Qua­li­tät und Beach­tung der Leis­tungs­gren­zen der Anla­ge sowie der Bear­bei­tungs­ka­pa­zi­tät durch Par­al­lel­an­ord­nung wei­te­rer Sta­tio­nen und Maschinen
  • Umset­zen der Maß­nah­men und erneu­tes Ana­ly­sie­ren, wel­cher evtl. neue längs­te Ein­zel­pro­zess nun die Takt­zeit bestimmt und ent­spre­chend wei­ter­füh­rend opti­miert wer­den kann
Mit­hil­fe eines Sys­tems mit IIoT-Tech­no­lo­gien und einer intel­li­gen­ten Soft­ware IIoT Buil­ding Blocks steht also eine Lösung zur Ver­fü­gung, mit der eine ziel­ge­rich­te­te Takt­zeit­op­ti­mie­rung der Linie auch in einem kom­ple­xen Pro­duk­ti­ons­sys­tem gelingt. Eine exak­te Daten­er­fas­sung und Daten­ana­ly­se sind die not­wen­di­ge Grund­la­ge, um bei der Opti­mie­rung der Takt­zeit Erfol­ge zu erzie­len, die über die Mög­lich­kei­ten einer ein­fa­chen Beob­ach­tung hin­aus­ge­hen. Denn Unter­schie­de in Sekun­den oder in Bruch­tei­len von Sekun­den kön­nen bei einer gro­ßen Linie durch rei­ne opti­sche Beob­ach­tung kaum wahr­ge­nom­men werden. 
Grafik zeigt einzelne Schritte der Taktzeitoptimierung
Pha­sen der Taktzeitoptimierung

Vorteile durch Taktzeitoptimierung

Das Ziel der Takt­zeit­op­ti­mie­rung ist es, unge­plan­te Aus­fall­zei­ten zu eli­mi­nie­ren, Vor­lauf­zei­ten zu redu­zie­ren und dadurch die Durch­lauf­zei­ten zu ver­kür­zen. Mit der daten­ba­sier­ten Ana­ly­se wer­den auch „ver­deck­te“ Ein­fluss­fak­to­ren bei kom­ple­xen Abläu­fen iden­ti­fi­ziert, bspw. auch bei gro­ßen Pro­duk­ti­ons­an­la­gen mit vie­len Robo­tern oder Mon­ta­ge­li­ni­en. Denn auch klei­ne Eng­päs­se oder kur­ze „Aus­set­zer“ füh­ren zu Zeit­ver­lus­ten im Betrieb und wer­den in ihrem Ein­fluss auf die tat­säch­lich erreich­te Takt­zeit ger­ne unterschätzt.

Das daten­ba­sier­te Vor­ge­hen stellt dabei sicher, dass “Job-Stop­per”, also der lang­sams­te, die Takt­zeit bestim­men­de Pro­zess in der Linie ein­deu­tig iden­ti­fi­ziert wird. Die Opti­mie­rung des Ein­zel­pro­zes­ses gelingt auch nicht auto­ma­ti­siert, son­dern erfor­dert „Fin­ger­spit­zen­ge­fühl“. Denn jede Beschleu­ni­gung von Abläu­fen kann wie­der­um zu insta­bi­le­ren Pro­zes­sen füh­ren oder Anla­gen­tei­le über­las­ten. Und genau davor „warnt“ bzw. schützt die daten­ba­sier­te Ana­ly­se, weil auch schein­bar unbe­deu­ten­de Abhän­gig­kei­ten mit ihren Aus­wir­kun­gen auf den Gesamt­pro­zess und die Takt­zeit erkannt wer­den. Ein Pro­zess muss also unter allen Bedin­gun­gen sicher und sta­bil funk­tio­nie­ren, bevor sich eine Takt­zeit­op­ti­mie­rung lohnt.

Alles in allem führt die Takt­zeit­op­ti­mie­rung zur Stei­ge­rung der Pro­duk­ti­vi­tät, ein höhe­rer Durch­satz mit mehr Out­put an Tei­len und Pro­duk­ten wird mög­lich sowie zur Ver­rin­ge­rung der Her­stel­lungs­kos­ten. Es kann somit eine bes­se­re Aus­las­tung der Anla­ge sicher­ge­stellt wer­den und das Poten­zi­al bestehen­der Fer­ti­gungs­an­la­gen wird bes­ser aus­ge­nutzt. Die frei gewor­de­nen Reser­ven kön­nen ent­spre­chend zeit­nah mehr Nach­fra­ge bedie­nen. Der Ein­satz von Soft­ware­tools gewähr­leis­tet, dass die Opti­mie­rung nicht zulas­ten der Pro­zess­si­cher­heit und Qua­li­tät geht oder zu einer Über­las­tung der Anla­ge führt.

Opti­mie­ren auch Sie die Takt­zeit Ihrer Fer­ti­gungs­pro­zes­se mit­hil­fe von IIoT-Soft­ware.
Unse­re Erfah­rung tei­len wir dabei ger­ne mit Ihnen und unter­stüt­zen Sie im Rah­men eines Pilot­pro­jek­tes mit den IIoT Buil­ding Blocks.

Was ist Taktzeitoptimierung?

Die Takt­zeit ist in der indus­tri­el­len Pro­duk­ti­on die Zeit­dau­er, wie lan­ge ein Werk­stück oder eine Men­gen­ein­heit einen ein­zel­nen Pro­duk­ti­ons­pro­zess bzw. eine Sta­ti­on durch­läuft. Durch Takt­zeit­op­ti­mie­rung kann die Pro­duk­ti­vi­tät von auto­ma­ti­sier­ten Pro­duk­ti­ons­an­la­gen gestei­gert wer­den. Dies resul­tiert zumeist in einer Ver­kür­zung der Takt­zeit, die durch Erfas­sung der Daten aus Ein­zel­pro­zes­sen sowie der Betrach­tung des Zusam­men­spiels der Fer­ti­gungs­sta­tio­nen, Steue­run­gen und Logis­tik mög­lich ist.

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Wolf­ram Schä­fer
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