Instandhaltungsplanung

Praktisch alle Betriebsmittel (Maschinen, Roboter, Fördersysteme, Werkzeuge, Komponenten etc.) unterliegen im Laufe ihrer Nutzung einem Verschleiß, der schließlich soweit geht, daß das Betriebsmittel ausfällt. Der Ausfall einer Maschine ist oft mit empfindlichen Störungen im Produktionsprozeß verbunden. Dies ist umso schwerwiegender, je stärker der Anlagenverbund zwischen den einzelnen Betriebsmitteln ist. Mit dem Ausfall einer Maschine können zahlreichen Nachteile verbunden sein, z.B. Produktionsausfälle, zerstörte Produkte, erhöhte Unfallgefahr, Verzögerung der Auslieferung von Kundenaufträgen, Stillstand auf der nächsten Produktionsstufe, usw.

Aufgabe der Instandhaltung in einer Unternehmung ist es, die Funktionsfähigkeit der Betriebsmittel aufrecht zu erhalten und bei Bedarf wiederherzustellen. Ein Ziel der Instandhaltung muß es dabei sein, die Häufigkeit der Betriebsmittelausfälle und die negativen Konsequenzen der Betriebsmittelausfälle zu reduzieren bzw. gering zu halten. Dabei sind aber auch die mit der Durchführung von Instandhaltungsmaßnahmen verbundenen Kosten zu berücksichtigen.

Wegen der großen und mit fortschreitender Automatisierung immer mehr zunehmenden Tragweite der Konsequenzen von Betriebsmittelausfällen darf die Instandhaltung nicht mehr ungeplant bei Bedarf erfolgen, sondern sie muß Ergebnis einer systematischen Instandhaltungspolitik sein. Eine Instandhaltungspolitik muß folgende Fragen beantworten:

1. Was soll instandgehalten werden?

Ein Produktionssystem besteht i.a. aus einer großen Anzahl wichtiger und unwichtiger technischer Ressourcen, die unterschiedlichen Verschleißmustern unterliegen können. Für die Instandhaltungsplanung ist es von besonderer Bedeutung, daß die Aktivitäten auf die kritischen Betriebsmittel bzw. Anlagenkomponenten konzentriert werden. Hier kann man nach dem Muster der ABC-Analyse in der Materialbedarfsplanung eine Klassifizierung der Betriebsmittel in wichtige (A), weniger wichtige (B) und unwichtige (C) Betriebsmittel vornehmen. Als Klassifizierungskriterium kann man z.B. Schätzungen für die Kosten bei Ausfall der Betriebsmittel verwenden. Dabei muß berücksichtigt werden, daß auch billige Betriebsmittel eine zentrale Bedeutung für den Ablauf der Produktionsprozesse haben können. Die Möglichkeit, Störungen von Maschinenkomponenten durch Lagerbestände von Ersatzteilen abzupuffern, führt zu Problemen der Lagerhaltungsplanung bei unregelmäßigem Bedarf.

2. Wie soll die Instandhaltung durchgeführt werden?

Man unterscheidet verschiedene Formen der Instandhaltung. Die Inspektion hat die Aufgabe, den Zustand eines Betriebsmittels festzustellen. Sie dient also zur Sammlung von Informationen über den Betriebsmittelzustand, die dann die Grundlage für weitere Aktionen bilden. Wird z.B. während einer Inspektion festgestellt, daß eine Anlagenkomponente nicht mehr voll funktionsfähig ist, dann kann sie repariert oder ersetzt werden. Grundlage ist aber, daß man den Verschleiß erkennen kann. Dies ist z.B. bei vielen Werkzeugen der Fall. An einem Fahrzeug erkennt man z.B. leicht den Zustand der Reifen oder die Funktionsfähigkeit der Bremsbeläge. Ist die direkte Beobachtung der Funktionsfähigkeit nicht möglich, wie z.B. bei einigen elektronischen Bauteilen, die schlagartig ausfallen, dann hat die Inspektion keinen Sinn.

Die Wartung dient der routinemäßigen Anlagenpflege im Sinne der Betriebsanleitung einer Anlage.

Im Gegensatz dazu steht die Reparatur, bei der beschädigte Komponenten einer Anlage wieder instandgesetzt bzw. ausgetauscht werden. Hierbei sind nach dem Anlaß zwei Arten von Reparaturen zu unterscheiden. Zu einer Ausfallreparatur kommt es, wenn eine Anlagenkomponente bereits ausgefallen ist. Dies hat den Nachteil, daß man sich den Zeitpunkt, an dem eine Reparatur vorgenommen wird, nicht aussuchen kann; das ist nur dann unproblematisch, wenn es eine funktionsgleiche Ressource gibt, auf die der Produktionsprozeß umgeleitet werden kann. In vielen Fällen sind die Konsequenzen eines Maschinenausfalls aber so schwerwiegend, daß man Ausfälle möglichst zu vermeiden sucht. Dies geschieht durch die vorbeugende Instandhaltung, bei der nach einem systematischen Vorgehen Komponenten u.U. auch schon dann ersetzt werden, wenn sie noch nicht ausgefallen sind, aber vermutlich kurz vor dem Ausfall stehen. Eine wichtige Voraussetzung der vorbeugenden Instandhaltung ist es aber, daß man eine Vorstellung von der zu erwartenden Restlebensdauer einer Anlage hat. In jüngster Zeit im Zuge der Digitalisierung der Produktion (Productive 4.0) versucht man, durch Methoden des Machine Learning das Ausfallverhalten von Komponenten bzw. Maschinen zu prognostizieren.

3. Wer führt die Instandhaltung durch?

Hier geht es um die Frage "Eigenerstellung oder Fremdbezug von Instandhaltungsleistungen?". Diese Frage hängt i.a. von der Anlagentechnologie ab. Bei automatisierten Anlagen wird für die Reparatur häufig soviel Know-How benötigt, daß man hierzu einen Spezialisten vom Hersteller der Anlagen benötigt. In vielen Fällen kann es aber auch sinnvoll sein, eigene Mitarbeiter beim Hersteller ausbilden zu lassen. Diese internen Instandhalter können dann mit kurzen Wartezeiten auf Anlagenausfälle reagieren. Dies ist vor allem dann nützlich, wenn die Folgekosten eines Ausfalls so hoch sind, daß man die Zeit für die Anfahrt des externen Spezialisten nicht in Kauf nehmen kann. Daneben sind auch Fragen der Auslastung eines internen Instandhaltungsspezialisten von Bedeutung.

4. Wo soll die Instandhaltung vorgenommen werden?

Hat man sich für die Eigenerstellung der Instandhaltungsleistungen entschieden, dann lautet die Frage: "Sollen die Instandhaltungsdaktivitäten zentral oder dezentral durchgeführt werden?" Die Antwort hängt von der Häufigkeit der Instandhaltungsmaßnahmen, von den notwendigen Kenntnissen des Instandhaltungspersonals, dem Grad der Dringlichkeit einer Reparatur, sowie der Entfernung zwischen dem Standort der ausgefallenen Maschine und dem Standort einer zentralen Instandhaltungsabteilung usw. ab.

Bei Zentralisierung der Instandhaltungsaktivitäten ist eine höhere Auslastung des Personals bzw. weniger Personalbedarf zu erwarten. Dies kann mit Hilfe einer warteschlangentheoretischen Analyse nachgewiesen werden. Eine Zentralisierung muß aber i.a. mit längeren Ausfallzeiten der Maschinen erkauft werden, da nun noch die Transferzeit des Instandhalters von seinem Standort bis zur ausgefallenen Anlage zu berückschtigen ist. Das Gegenteil gilt tendenziell bei einer dezentralisiert angesiedelten Instandhaltungsabteilung.

Bei Einsatz einer zentralisierten Instandhaltungsabteilung werden alle Instandhaltungsaufträge zentral gesammelt und durch u.U. mehrere Instandhalter abgearbeitet. Im Gegensatz dazu kann man die einzelnen Instandhalter auch auf vorgegebenen Wegen durch das Produktionssystem patroullieren lassen. Nach der Ankunft an einer Maschine inspiziert der Instandhalter diese und führt gegebenenfalls eine Instandhaltungsmaßnahme durch. Dies führt zu immer wiederkehrenden Besuchen, deren Abstände wegen der stochastischen Instandhaltungsdauern ebenfalls stochastisch sind.

In ähnlicher Weise wie in der Produktionsplanung entstehen auch bei der Instandhaltung verschiedene Planungsprobleme. Neben der Festlegung der Instandhaltungskapazität (Anzahl Instandhalter) und der Gestaltung der Instandhaltungsstrategie (zentral oder dezentral) entstehen vielfältige Fragen im Bereich der operativen Instandhaltungsplanung, z.B.

  • Planungs des Instandhaltungsprogramms
    Festlegung des Umfangs vorbeugender Instandhaltung versus Reparatur bei Ausfall.

  • Terminplanung, Reihenfolgeplanung
    Hier geht es um die Festlegung von Instandhaltungsintervallen, um die Zuordnung von vorhandenen Instandhaltungsaufträgen zu einzelnen Instandhaltern sowie um die Festlegung der Reihenfolge, in der ein Instandhalter die ihm zugewiesenen Aufträge abarbeitet.

Ergebnis der operativen Instandhaltungsplanung sind Instandhaltungspläne, in denen festgelegt wird, welche Aggregate bzw. Komponenten in welchen Abständen zu warten, zu inspizieren und vorbeugend zu reparieren sind und welche Komponenten erst bei Ausfall ersetzt werden sollen. Dabei sind auch die benötigten Ersatzteile mengen- und zeitmäßig zu spezifizieren. Schließlich kann Ergebnis einer systematisch durchgeführten Instandhaltungsplanung auch eine Übersicht über die in den einzelnen Planungsperioden jeweils benötigten Instandhaltungskapazitäten (Instandhaltungspersonal) sein. Bei integrierter Produktions- und Instandhaltungsplanung erfolgt die Instandhaltungsplanung in der Weise, so daß termingerecht Instandhaltungsaufträge ausgelöst und mit den durch die Produktionsplanung erzeugten Fertigungsaufträgen zeitlich abgestimmt werden.

Um eine systematische Instandhaltungsplanung vornehmen zu können, benötigt man Informationen über Ausfallverteilungen, Reparaturzeiten, Folgekosten sowie den aktuellen Zustand der Betriebsmittel (Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Restlebensdauern).

Die bei der Festlegung einer Instandhaltungspolitik verfolgte Zielsetzung besteht i.d.R. darin, die gesamten Kosten, die von der Instandhaltungspolitik beeinflußt werden können, zu minimieren. Grundsätzlich sind dies die gegenläufigen

  • Kosten für überflüssige (vorbeugende) Reparaturen und

  • Kosten, die bei Maschinenausfällen entstehen. Hier geht es oft um entgangene Deckungsbeiträge infolge von Produktionsausfällen oder um oft schwer quantifizierbare negative Konsequenzen von ausfallbedingten Lieferverzögerungen.

Je umfangreicher das Ausmaß vorbeugender Instandhaltungsmaßnahmen ist, ist so höher sind die Instandhaltungskosten und umso geringer sind die ausfallbedingten Kosten. Es gibt also einen Zielkonflikt (Trade-Off).

Die bei der Instandhaltungsplanung zu beachtenden Nebenbedingungen ergeben sich aus der Kapazität der Instandhaltungsabteilung, die durch langfristige Entscheidungen über die Instandhaltung festgelegt werden. Daneben bestehen aber auch Interdependenzen zur Produktionsplanung, da die (vorbeugenden) Instandhaltungsaktivitäten die Maschinen während der Dauer der Instandhaltung lahmlegen.

Weiterhin bestehen Interdependenzen zur Investitionsplanung des Unternehmens, da die Instandhaltungsmaßnahmen unmittelbar aus Investitionsentscheidungen und dem daraus resultierenden Automatisierungsgrad der Maschinen und Anlagen resultieren.

Instandhaltungsmaßnahmen erhöhen die Zuverlässigkeit des Produktionssystems, d.h. die Wahrscheinlichkeit dafür, daß die in einer Periode eingeplante Ausbringungsmenge auch tatsächlich produziert wird. Die Zuverlässigkeit des Produktionssystems kann auch noch durch andere
Maßnahmen erhöht werden. So kann man z.B. durch die Einrichtung von Puffern vor und hinter kritischen Aggregaten diese von den anderen Maschinen abkoppeln und deren Output damit stabiler machen. Entscheidungen über diese Maßnahmen werden im Zusammenhang mit der Konfigurationsplanung getroffen, d.h. wenn über die Größe der Puffer zwischen Bearbeitungssystionen entschieden wird. Zu den Interdependenzen zwischen der Instandhaltungsplanung und der Konfigurationsplanung eines flexiblen Fließproduktionssystems siehe Kuhn, H., Fließproduktionssysteme - Leistungsbewertung, Konfigurations- und Instandhaltungsplanung, Heidelberg(Physica-Verlag) 1998.

Eine andere Möglichkeit der Erhöhung der Zuverlässigkeit des Produktionssystems besteht in der Bereithaltung von Reserveaggregaten, die bei einem Anlagenausfall einspringen können. Des weiteren besteht die Möglichkeit, durch eine flexible Arbeitszeit Produktionsausfälle, die durch Störungen verursacht worden sind, wieder auszugleichen. Alle diese Maßnahmen reduzieren die Bedeutung der (vorbeugenden) Instandhaltung, da diese nun nur eine Maßnahme in einem Bündel von Maßnahmen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit des Produktionssystems sind.

Siehe auch ...

Literatur

Günther, H.-O. und Tempelmeier, H. (2016). Produktion und Logistik - Supply Chain and Operations Management. 12. Aufl., Norderstedt: Books on Demand.