Computer Integrated Manufacturing

1.3 Computer Integrated Manufacturing (CIM)

Das Unternehmen im Rahmen einer organisatorischen Gestaltung aus dem Blickwinkel der verschiedenen vorhandenen Informationsflüsse zu betrachten, wurde mit dem Aufkommen der elektronischen Datenverarbeitung immer bedeutsamer. Als Information bezeichnet man allgemein zweckbezogenes Wissen über Zustände und Ereignisse. Fehlt diese Zweckeignung, so spricht man von Daten. Sowohl Daten als auch Informationen fallen in einem Unternehmen ständig an und müssen in großen Mengen verarbeitet werden. Sie in geeigneter Weise zur Koordination betrieblicher Vorgänge einzusetzen ist eine erfolgsbestimmende Größe für ein Unternehmen. Zielgerichtetes Arbeiten mit Informationen ist ohne deren Übermittlung, also ohne Kommunikation, nicht möglich.

Alle Informationsflüsse im Unternehmen methodisch zu integrieren, wobei einzelne Bereiche sowie ihr Zusammenwirken über einen gemeinsamen Datensatz gesteuert werden soll, ist die große Herausforderung von Fertigungs- und Organisationsplaner.

Durch die computerintegrierte Produktion (Computer Integrated Manufacturing - CIM) ist dies heute möglich. Dabei liegt die Prämisse der Steuer- und Beherrschbarkeit von Prozessen durch bereichs- und prozeßübergreifende Datenzentralisierung zugrunde.

Die Fabrik der Zukunft wird zum großen Teil eine rechnergestützte Fabrik sein, darin besteht kein Zweifel. Die Frage ist, wie die gewachsenen Insellösungen Schritt für Schritt in ein Gesamtkonzept integriert werden können. Die deutschen Industrieunternehmen stehen heute mehr denn je in einer engen Wechselbeziehung zu einer vielschichtigen Umgebung. Dabei besteht ein komplexer werdendes Beziehungsgeflecht untereinander und zum Markt.

Durch die zunehmende Internationalisierung und den steigenden Konkurrenzdruck ergeben sich eine Vielzahl von Abhängigkeiten und Verbindungen. Der Markt erwartet von den Unternehmen ein flexibles Reagieren auf Kundenwünsche, die oft noch während der Auftragsabwicklung geändert werden. Klassische Unternehmensziele, wie die Wirtschaftlichkeit, oder die Produktivität werden durch neue wie die Flexibilität ergänzt (Bild 1 ) .

Auch die Anforderungen der Kunden haben sich drastisch geändert. Der Bedarf von langlebigen und wartungsarmen Produkten zeigt das hohe Qualitätsbewußtsein der Kunden. Weiter ist das technische Umfeld gekennzeichnet durch eine kurze Produktlebensdauer, was zwangsläufig zu einer Verkürzung der Entwicklungszeit führen muß. Die Zeit zwischen der Produktidee und der Produktlieferung ist zu minimieren.

Marktbeobachtungen zufolge sind selbst die meisten hochentwickelten und innovativen Betriebe noch weit von CIM entfernt. Die Euphorie der vergangenen Jahre hat sich abgeschwächt und auf eine reale und vernünftige Ausgangsbasis eingependelt. Den meisten ist klar geworden, daß der computergestützte Industriebetrieb zwar vom Management her erschlossen und initiiert werden muß, daß mit der stufenweisen Realisierung jedoch oftmals ganz unten auf der Werkstattebene begonnen werden sollte und daß die personellen und investiven Aufwendungen hoch sind.

Aber nicht nur im Produktionsbereich hat der Computer heute Einzug gehalten. Auch der Büro- und Verwaltungsbereich kommt ohne Computer nicht mehr aus. Durch die Verschmelzung von CIM mit 0A (Office Automation) unter dem Begriff CIB (Computer Integrated Business) wird dabei über den Produktionsbereich hinaus auch der planende und verwaltende Bereich der Unternehmen mit einbezogen.

Die Integration von CA-Komponenten kann auf verschiedenen Ebenen stattfinden. Das CIB-Ebenen-Modell zeigt Bild 2. Gegenstand der Integration sind heute vor allem die Ebenen Kommunikationssysteme, Arbeitsplätze mit Betriebssystemen, Datenbanksysteme und Anwendungssoftware.

1.3.1 Kommunikationssysteme

Die Kommunikation zwischen verschiedenen Rechnern, Workstations, NC-Maschinen, Robotern usw. erfolgt durch Netzwerke und Protokolle. Durch Standardisierung wird hier dem Anwender die Möglichkeit gegeben z. B. Workstations unterschiedlicher Hersteller miteinander zu vernetzen, so daß einmal getätigte Investitionen abgesichert sind.

Zwei eng miteinander verbundene Standards bieten Lösungen hierfür. Beide Schichtmodelle wurden von Anwendern initiiert und entsprechend dem ISO/OSI-Standard (International Standards Organisation/Open Systems Interconnection] . Für heterogene Automatisierungsumgebungen im Fabrikbetrieb bemüht sich General-Motors mit MAP (Manufacturing Automation Protocol) einen Standard zu schaffen.

Im technischen und administrativen Büro ist es der Flugzeughersteller Boeing, der mit TOP (Technical Office Protocol) einen Standard initiiert hat. Viele Unternehmen, Entwickler, EDV-Hersteller oder auch Anwender beteiligen sich weltweit durch verschiedene Projekte an diesen beiden Standardisierungsbemühungen.

In Zukunft wird es möglich sein, zum Beispiel ein CAE/CAD/CAPP-TOP-LAN (Local Area Network] zu installieren, das die gesamten technischen Bürobereiche verknüpft und die Daten an die Fertigung über ein Gateway, gegebenenfalls auch über größere Entfernungen, an das Produktionsnetz, das NC-Maschinen, Roboter, Lager- und Transportsysteme verknüpft, weiterleitet. Bild 3 zeigt, wie eine solche Konstellation aussehen könnte.

MAP eignet sich besonders, wenn es um ein von Grund auf neues Konzept im Fertigungsbereich geht, also einer Realisierung auf der "grünen Wiese".

Die Europäer dagegen haben ihrerseits mit CNMA (Communication Network for Manufacturing Applications) eine Initiative gestartet, die bessere Chancen als MAP bietet, wenn bestehende Strukturen und Funktionalitäten bei der Erstellung des Konzeptes für einen Produktionsbetrieb berücksichtigt werden müssen.

1.3.2. Arbeitsplätze und Betriebssysteme

Ein Einzelner Großrechner, der immer mehr Arbeitsplätze zentral versorgt, entspricht bei der geforderten hohen Flexibilität am Arbeitsplatz und der hohen Informationsdienste insbesondere bei der Übertragung graphischer Daten z. B. im CAD / CAPP-Bereich nicht mehr dem Stand der Technik.

In den Unternehmen tritt die Dezentralisierung immer mehr in den Vordergrund. Die Zukunft gehört der verteilten Datenverarbeitung, die über mehrere Rechnerebenen angesiedelt ist. Dabei kommt es zu einem funktionalen Rechnerverbund zwischen Arbeitsplatzrechnern und Servern für unterschiedliche Aufgaben wie Datenhaltung und Berechnungen.

· Workstations

Workstations bauen auf leistungsfähigen 32-bit-Prozessoren auf und sind für spezielle Aufgaben mit Coprozessoren, beispielsweise für Gleitkommaoperationen, Kommunikation, Graphik usw. ausgestattet.

Durch die Erhöhung der Taktfrequenz der Prozessoren, die Entwicklung der RISC (Reduced Instruction Set) Computerarchitekturen und durch den Einsatz neuer Materialien (Gallium-Arsenid) wird eine weitere Leistungssteigerung in Zukunft zu erwarten sein.

· Betriebssysteme

Marktanalysen von IDC zufolge wird sich das Dickicht von verschiedenen Betriebssystemen bis etwa 1991 stark lichten.

In der IBM-Welt werden es die Betriebssysteme MVS und VM sein, bei Digital Equipment VMS. Alle anderen Hersteller werden auf das Betriebssystem UNIX setzen müssen, das hardwareunabhängig ist und somit für Integrationszwecke sogar prädestiniert erscheint. Im Bereich der Personal Computer wird sich neben MS-DOS noch OS/2 (beide von Microsoft) durchsetzen. Die Betriebssysteme MVS, VMS und auf PC-Ebene MS-DOS haben bereits heute eine so große Marktdurchdringung, daß sie nicht wegzudenken sind. UNIX dagegen wird das größte Wachstum vorausgesagt. Es ist universell auf allen Rechnerebenen einsetzbar, und somit für die dezentrale Datenverarbeitung verfügbar.

Heute gibt es keinen namhaften Computerhersteller mehr, der UNIX nicht mit in sein Programm aufgenommen hat.

Für kein anderes Betriebssystem werden Standardisierungsentwicklungen durch Hersteller, Benutzergruppen und neutrale Normierungsgremien so forciert wie für UNIX. Von den Computerherstellern Bull, ICL, Nixdorf, Olivetti und Siemens wurde deshalb im Jahre 1984 die X/ Open Group gegründet. 1985 kamen Philips und Ericsson dazu und ein Jahr später die ersten amerikanischen Hersteller wie DEC, HP und Unisys. 1987 schloß sich AT&T, der amerikanische UNIX-Lizenzgeber an. Die Aufgabe der X/Open Group ist die Definition und Durchsetzung einer standardisierten Anwendungsumgebung, die portable Anwendungssoftware und Integration sicherstellt. Bei den einzelnen Komponenten handelt es sich dabei um Sprachen, das Datenmanagement, Netzwerke, Benutzer-Schnittstellen, also um standardisierte Schnittstellen, die eine Implementierung der herstellerspezifischen Software ermöglichen.

1.3.3 Datenbanksysteme (DBS)

In den Anfängen der Softwareerstellung wurde der heute so wichtige Integrationsaspekt häufig nicht beachtet. Es wurden Programme für ganz bestimmte Anwendungen entwickelt, die auf keiner einheitlichen Datenstruktur aufbauten.

Daraus resultieren nicht integrierbare Insellösungen, bei denen es aufgrund der unterschiedlichen Datenstrukturen überhaupt nicht oder nur sehr schwer möglich war, den Datenbestand zweier abhängiger Anwendungen miteinander zu koppeln. Erst später wurde deutlich, wie wichtig die Möglichkeit zur Eingliederung einzelner Anwendungen in ein Gesamtkonzept ist.

Diese Integration ist mit Datenbanksystemen möglich. im administrativen Bürobereich haben sich die kommerziellen Datenbanksysteme bereits bewährt. Im technischen Bereich, wo es CIM-Teillösungen wie CAD/CAM, PPS oder NO-Fertigungen gibt, können Datenbanken ebenfalls den integrierenden Aspekt darstellen. Hier handelt es sich dann um spezielle Datenbanksysteme, die auf die technischen Belange der CIM-Komponenten zugeschnitten sind.

Immer wieder zeigt sich in Produktionsunternehmen, daß die Problematik bei der Integration heterogener Systeme im Bereich der Datenhaltung liegt. Das läßt sich an einem einfachen Beispiel erläutern.

In der Bundesrepublik sind zur Zeit etwa 200 verschiedene CAD-Systeme und 300 PPS-Systeme auf dem Markt. Um die Schnittstellenproblematik auf Ebene der Anwendungssoftware zu lösen, müßte man jedes CAD-System mit jedem PPS-System koppeln.

Das ergäbe 60.000 Kombinationen bzw. 60.000 verschiedene Schnittstellenanpassungen. Der Realisierungsaufwand, um auf diese Weise zu einer vernetzten Lösung zu kommen, würde den Rahmen des finanziell Möglichen sprengen. Da die CAD/PPS-Kopplung Voraussetzung für eine CIM-Konzeption ist, muß nach einem anderen Weg gesucht werden.

Gerade hier stellen Datenbanken die Lösung der Probleme dar. Es muß jedoch differenziert werden zwischen einer administrativen Datenbank, wie sie vorwiegend vom PPS-System benötigt wird und zwischen einer technischen Datenbank, welche die CAD-Seite abdeckt. Die im Bereich der Konstruktion erzeugten Daten unterscheiden sich erheblich von denen im kommerziellen Bereich, etwa in Struktur, der Speicherplatzanforderungen und den Verarbeitungsroutinen.

· CAD-PPS-Kopplung mittels einer technischen Datenbank

Die in der Konstruktion eingesetzten CAD-Systeme müssen offene Daten- und Programmierschnittstellen besitzen, um mit einer technischen Datenbank kommunizieren zu können.

Mit CAD erzeugte Zeichnungen enthalten zum einen Bilder (graphische Daten) und zum anderen Strukturdaten wie Texte, Bemaßungen usw. (alphanumerische Daten) .

Die Abspeicherung von Bildern in eine Datenbank ergibt sehr große Datenmengen und daraus resultiert eine hohe Zugriffszeit. Deshalb müssen technische Datenbanken optimiert werden, um eine akzeptable Performance sicherzustellen.

Weitaus weniger Schwierigkeiten bereiten die alpha-numerischen Daten, die letztendlich auch für das PPS-System entscheidend sind. Das CAD-System sollte von der Geometrieerstellung ausgehend eine Erstellung von Konstruktions- oder Baukastenstücklisten unterstützen. Von dieser Konstruktions- bzw. Baukastenstückliste ausgehend kann das PPS-System Fertigungs- oder Strukturstücklisten erzeugen.

Der im CAD-System verfügbare Teilestamm erstellt nur einen Ausschnitt des im PPS-System verwalteten Teilestamms dar. Von der PPS-Seite wird dann wiederum dem Konstrukteur der erweiterte Teilestamm zur Verfügung gestellt. Hier muß ein ständiger Abgleich stattfinden, so daß bei den Bereichen (CAD und PPS) identische Informationen vorliegen.

So z. B. die Zeichnungsarchivierung, die hauptsächlich im CAD-Bereich bisher Probleme bereitet. In der mittelständischen Industrie findet man häufig vernetzte CAD-Workstations mit einem zentralen Server vor. Mehrere Benutzer greifen also auf dieselbe Platte zu. Unterschiedliche Begriffe bei der Benennung im Zeichnungskopf werden verwendet, die nur in begrenztem Umfang standardisierbar sind. Hier muß die Möglichkeit einer Fragmentsuche bestehen. Zusätzlich muß nach Schlüsselvermerken wie Bezeichnung, Zeichnungsnummer usw. gesucht werden können.

Ebenso muß die Suche nach Normteilen unterstützt werden. Normteilbibliotheken gehören bereits heute zum Standard von guten CAD-Systemen. Die technische Datenbank muß es erlauben, daß der Zugriff auf Normteile durch eine interaktive Abfragesprache oder durch Merkmalsfelder erfolgen kann. Auch hier ist das Suchen über mehrere Merkmale, die Fragmentsuche und die Suche in mehreren Normteilbibliotheken von großer Bedeutung.

Weitere Forderungen an technische Datenbanken ist die Verwaltung von NC-Programmen, von Arbeitsplänen und von Entwicklungs- und Konstruktionsprojekten . Die im CAD-System vergebene Zeichnungsnummer taucht ja z. B. im Arbeitsplan wieder auf und wird nicht ein zweites Mal neu vergeben. Auch in diesen Teilgebieten kommt der Archivierung und Klassifizierung über den integrierenden Aspekt hinaus ein hohes Maß an Bedeutung zu.

Die technische Datenbank kann also den "Kern" der CIM-Software darstellen.

1.3.4. Informationssysteme

· Technische Informationssysteme

Hierbei handelt sich in erster Linie um Systeme, die auf der Fertigungsebene im Einsatz sind, wie z. B. CAM-Systeme zur Steuerung und Überwachung der Fertigungs- und Handhabungs-, Transport- und Lagereinrichtungen sowie CAQ-Systeme mit den Aufgaben Prüfplanung, Prüfprogrammierung und Qualitätsanalyse. Auf der Planungsebene werden CAPP-Systeme zur Fertigungs- und Montageplanung und zur NO-Programmierung sowie CAD- und CAE-Systeme zur Unterstützung beim Konstruktionsprozeß und beim Produktentwurf eingesetzt.

· Management- und Produktionsinformationssysteme

Zentrales Element der betriebswirtschaftlichen Informationssysteme stellt das Produktionsplanungs- und -steuerungssystem eines Unternehmens dar. Auf der Planungsebene werden von ihm Aufgaben der Primärbedarfsplanung, der Materialdisposition, der Termin- und Kapazitätsplanung und der Auftragsüberwachung wahrgenommen. Im Fertigungsbereich umfassen PPS-Systeme die Betriebsdatenerfassung und die Fertigungssteuerung einschließlich der Kontrolle von Mengen, Zeit und Kosten. Auf der administrativen Ebene eines Betriebes sind die kaufmännischen Informationssysteme "Kostenrechnung", "Finanzbuchhaltung" und "Lohn und Gehalt" angesiedelt. Auf der Ebene der Informationssysteme im engeren Sinne sind die Managementinformationssysteme (MIS), die Entscheidungsunterstützungssysteme (DSS) und die wissensbasierten Entscheidungsunterstützungssysteme positioniert.

· Büroautomationssysteme (BA-Systeme)

Informationssysteme zur Unterstützung von Büroprozessen setzen sich aus Dokumentenverarbeitungssystemen zur Text- und Graphikerstellung, Electronic-Mail-Systemen und aus diversen Unterstützungssystemen wie Kalendermanagement, Dictionaries, Kalkulationsprogramme, Projektmanagementsysteme etc. zusammen. Die Hauptaufgabe dieser Systeme zielt auf die Unterstützung von Dokumentverarbeitungs- und Kommunikations-, Planungs- und Informationsfunktionen im Bürobereich. Dabei steht der "Werkzeugcharakter" dieser Systeme im Vordergrund, d. h. Anwendungen können nicht bis ins Detail vorstrukturiert werden.

1.3. 5. Integrationsansätze

Grundsätzlich ist CIM von der Unternehmensgröße und der Branche unabhängig. Es muß jedoch nach den jeweiligen Schwerpunkten der einzelnen Unternehmen differenziert werden, um eine individuelle Lösung zu entwickeln. Denn einem ganzheitlichen Ansatz für ein CIM-Konzept steht die gewachsene arbeitsteilige Organisation in den meisten Betrieben entgegen. In großen Firmen, die finanziell in der Lage wären, ein solches Konzept zu realisieren, sind die Hürden besonders hoch, es sei denn, daß es sich bei der Planung eines neuen Werkes von Anfang an mit integrieren laßt. Auf der anderen Seite dürfte es bei den meisten Mittelständlern, die als weitaus flexibler gelten, aus finanziellen Gründen schwerfallen, die hohen Investitionen für die Fabrik der Zukunft aufzubringen.

Die Forderung für jedes Unternehmen lautet deshalb, daß alle Investitionen für die Technologieplanung auf die kritischen Erfolgsfaktoren im zukünftigen Wettbewerb ausgerichtet werden müssen. Das bedeutet, daß in Abhängigkeit davon, ob es sich bei dem betrachteten Unternehmen um einen Einmalfertiger, einen Wiederholfertiger, oder einem Mischfertiger handelt, völlig unterschiedlichen Ratiopotentiale hinsichtlich der Einführung von CA-Technologien bestehen können.

So ist es z. B. für einen Leiterplattenfertiger wichtig, daß er eine direkte Kopplung der Auftragssteuerung mit der vollautomatisierten Leiterplattenfertigung realisiert, um die teuren Maschinen auch bei kurzfristiger Umdisposition oder dem Ausfall Einzelner Bearbeitungsstationen gut auslasten zu können. Bild 4 zeigt eine solche PPS-CAM-Integration.

Ein weiterer wichtiger Integrationspfad ist die Kopplung von CAD und PPS. Die enge Verbindung zwischen CAD und PPS wird besonders deutlich, wenn man die Konstruktion als primäre Datenquelle für das Unternehmen ansieht und die Produktionsplanung und -steuerung als Datenhandlingsfunktion betrachtet (Bild 5) .