Produktionssysteme im Spannungsfeld zwischen Anpassungsfähigkeit und Effizienz

At the beginning of a greenfield or brownfield project, the plant operator often formulates the initial requirement to combine a highly adaptable and maximally efficient production system within one solution. In this blog post, the challenges associated with this claim are examined and possible approaches to building a unifying system are presented. At this point, it should already be emphasized that the simultaneous consideration of both requirements leads to a different solution than if the maximum expression of one requirement is pursued. This can be interpreted as a kind of "slider" in factory planning, the end of which is defined by the two maximum values of adaptability and efficiency. Depending on which planning decisions are made in the individual project, the slider moves along this spectrum between the two maximum values.

Such a situation is not unusual from a factory planning perspective, but it requires a comprehensive analysis of possible interactions and their effects. To better understand the complexity of this task, it is worthwhile to briefly review the two poles of adaptability and efficiency. (See also: Wiendhal, H-H. et al. (2023): Handbook of Factory Design)
 

What is Adaptability in Factory Planning?  

Flexibility in factory planning essentially describes the response framework with which the factory system can react to changes in circumstances. In general, two types of adaptability can be distinguished.

Flexibility in factory planning

Flexibility is generated by a response framework that can be implemented without changing the system boundaries of a factory. The scope of these measures is often short-term. From a planning perspective, for example, universally equipped workstations (dimensioning, TGA equipment, etc.) increase the framework for flexible reactions.

Adaptability in factory planning

Conversion capability, on the other hand, results from deliberate changes to system boundaries and is typically aimed at medium- and long-term effects. For example, a broad support grid reduces the number of fixed points to be considered in the case of prospective space utilization.

Both adjustment patterns require individual consideration in order to find a reasonable balance between the required degree of adjustability and the economic consequences.

What does efficiency mean in factory design?

The efficiency of a factory can be expressed in different ways: 

• Resource efficiency
• Process efficiency
• Area efficiency
• Energy efficiency
• and others.

Basically, all forms of efficiency are about achieving the best possible ratio of input to output. In the production environment, the topic of efficiency is often closely linked to issues such as standardization or automation. Even though technological developments are allowing more and more freedom in automated systems, a standardized process continues to define the optimal starting point for the use of automation in production and logistics.

This brief description of the two poles of adaptability and efficiency already gives an idea of the conflicts of objectives that can arise when both objectives are pursued bilaterally. This makes it all the more important for factory planning to develop a harmonious production system with the right balance, taking into account the individual conditions.

From our point of view, the following five points help to achieve this balance:

• Clear target profiling for the factory within the own production network
• Capable building structure for operations
• Modular layout design with universal equipment in appropriate functional areas
• Meaningful human-automation collaboration
• Implementation of intelligent production planning and control

Zu Beginn eines Green- oder Brownfield-Projekts wird seitens des Fabrikbetreibers häufig der initiale Anspruch formuliert, ein hochanpassungsfähiges und ein maximal effizientes Produktionssystem innerhalb einer Lösung zu vereinen. Mit diesem Blog-Beitrag werden die mit dieser Anspruchshaltung verbundenen Herausforderungen beleuchtet und mögliche Ansatzpunkte für den Aufbau eines vereinenden Systems aufgezeigt. An dieser Stelle sei bereits betont, dass die gleichzeitige Berücksichtigung beider Anforderungen eine andere Lösung entstehen lässt, als wenn die Maximalausprägung eines Anspruchs verfolgt wird. Dies darf als eine Art »Schieberegler« in der Fabrikplanung interpretiert werden, dessen jeweiliges Ende durch die beiden Maximalausprägungen der Pole Anpassungsfähigkeit und Effizienz definiert wird. Je nachdem, welche planerischen Weichen im individuelle Projekt gesetzt werden, pendelt sich der Regler entlang dieses Spektrums zwischen den beiden Maximalausprägungen ein.

Eine solche Situation ist aus Sicht der Fabrikplanung nicht ungewöhnlich, jedoch erfordert sie eine umfangreiche Analyse möglicher Wirkzusammenhänge und deren Auswirkungen. Um die Komplexität dieser Aufgabe besser zu verstehen, lohnt sich eine kurze Einordnung der beiden Pole Anpassungsfähigkeit und Effizienz. (siehe hierzu auch: Wiendhal, H-H. et al (2023): Handbuch Fabrikplanung)

Was bedeutet Anpassungsfähigkeit in der Fabrikplanung?  

Anpassungsfähigkeit in der Fabrikplanung beschreibt im Wesentlichen den Reaktionsrahmen, mit dem das Fabriksystem auf Umstandsveränderungen reagieren kann. Dabei kann grundsätzlich in zwei Anpassungsmuster unterschieden werden. 

Flexibilität in der Fabrikplanung 

Flexibilität wird durch einen Reaktionsrahmen generiert, der ohne Veränderungen der Systemgrenzen einer Fabrik vorgenommen werden kann. Der Handlungsspielraum dieser Maßnahmen ist häufig kurzfristig orientiert. Aus planerischer Sicht erhöhen beispielsweise universell ausgestattete Arbeitsplätze (Dimensionierung, TGA-Ausstattung etc.) den Rahmen für flexible Reaktionen. 

Wandlungsfähigkeit in der Fabrikplanung 

Wandlungsfähigkeit entsteht hingegen durch bewusste Veränderungen der Systemgrenzen und adressiert typischerweise eher mittel- und langfristige Effekte. Ein weites Stützenraster reduziert beispielweise die zu berücksichtigenden Fixpunkte im Falle einer perspektivischen Flächenumnutzung. 

Für beide Anpassungsmuster ist eine individuelle Betrachtung notwendig, um ein sinnvolles Gleichgewicht zwischen dem erforderlichen Grad der Anpassungsfähigkeit und den ökonomischen Auswirkungen festzulegen.

Was bedeutet Effizienz in der Fabrikplanung? 

Die Effizienz einer Fabrik lässt sich in unterschiedlichen Ausprägungsformen ausdrücken: 

• Ressourceneffizienz
• Prozesseffizienz
• Flächeneffizienz
• Energieeffizienz
• u. v. m.

Grundsätzlich geht es bei allen Ausprägungsformen der Effizienz stets darum, den eingesetzten Input zum erzielten Output ins optimale Verhältnis zu bringen. Im Produktionsumfeld ist das Thema der Effizienz häufig eng mit Themen wie Standardisierung oder Automatisierung verwoben. Auch wenn die technologischen Entwicklungen zunehmende mehr Freiheitsgrade in automatisierten Systemen zulassen, definiert ein standardisierter Prozess weiterhin die optimale Ausgangsbasis für den Einsatz von Automatisierung in der Produktion und Logistik.

Diese kurze Einordnung der beiden Pole Anpassungsfähigkeit und Effizienz lässt bereits vermuten, welche Zielkonflikte durch eine bilaterale Verfolgung beider Zielsetzungen entstehen können. Umso wichtiger ist die Aufgabe der Fabrikplanung, ein harmonisches Produktionssystem mit dem richtigen Gleichgewicht unter Berücksichtigung der individuellen Rahmenbedingungen zu entwickeln.

Die folgenden fünf Ansatzpunkte helfen aus unserer Sicht dabei, dieses Gleichgewicht herzustellen:

1. Klare Zielprofilierung für die Fabrik innerhalb des eigenen Produktionsnetzwerks

2. Befähigende Gebäudestruktur für den operativen Betrieb

3. Modulare Layoutgestaltung mit universeller Ausrüstung in geeigneten Funktionsbereichen 

4. Sinnvolle Mensch-Automatisierungs-Kollaboration

5. Implementierung einer intelligenten Produktionsplanung und -steuerung