Anwendungsbeispiele und Untersuchungen zur Effizienzsteigerung von Waagenregalen im Warenwirtschaftssystem (WMS) von Unternehmen

Vor dem Hintergrund der sich kontinuierlich vertiefenden digitalen Transformation in der Fertigungsindustrie sind eine große Produktvielfalt, kleine Losgrößen und häufige Entnahmen mittlerweile die vorherrschenden Merkmale des Betriebs in Werkslagern und Lagerbereichen direkt an den Fertigungslinien. Herkömmliche Lagerverwaltungsmodelle stützen sich bei der Kontrolle kleiner Teile auf manuelle Zählungen, papierbasierte Erfassungen und die Ein- und Auslagerungskontrolle mittels QR-Code-Scans. Seit langem bestehen dabei Probleme wie ein hoher Aufwand bei der Bestandsaufnahme, Abweichungen zwischen Buchbestand und Ist-Bestand sowie unsichtbare Materialverluste sowie Schwierigkeiten bei der Rückverfolgung von Entnahmespezifikationen. Dies schränkt die Datengenauigkeit des WMS-Lagerverwaltungssystems erheblich ein und führt zu einer Diskrepanz zwischen den Daten des übergeordneten Managementsystems und den tatsächlichen Beständen vor Ort im Lager. Das gewichtssensorgesteuerte Regal ist eine intelligente Lagerhardware der IoT-Erfassungsschicht, die mithilfe hochpräziser dynamischer Wägezellen Gewichtsänderungen an den Lagerplätzen in Echtzeit erfasst, berechnen automatisch die entnommene Materialmenge, führen die Bestandsabrechnung bei Ein- und Auslagerungen nahtlos durch und lassen sich über Standard-API-Schnittstellen tief in das WMS-Materialverwaltungssystem des Unternehmens integrieren, wodurch eine geschlossene digitale Kontrollkette nach dem Prinzip “Physische Bestände – Erfassung – Software – Entscheidungsfindung” entsteht. Ausgehend von den bestehenden Verwaltungsproblemen in traditionellen Materiallagern erläutert dieser Artikel die technischen Grundlagen der wiegenden Regale, die Architektur der Hard- und Softwaresysteme sowie die Arbeitsabläufe bei der Integration in WMS-Systeme; Anhand praktischer Anwendungsbeispiele aus Fertigungsunternehmen werden die Verbesserungen nach der Einführung von Wiegesensorregalen in Bezug auf Lagereffizienz, Bestandsgenauigkeit, Personalkostenkontrolle, Materialverlustmanagement und Rückverfolgbarkeit über den gesamten Prozess hinweg quantitativ analysiert; Es werden der Projektumsetzungsweg, die wichtigsten Punkte der Hardware- und Software-Integration, häufige Fehler bei der Umsetzung sowie Optimierungsmaßnahmen aufgezeigt, um Fabriken und Unternehmen praktische theoretische Anhaltspunkte und umsetzbare Lösungen für die Modernisierung ihres Materialmanagementsystems und die intelligente Umgestaltung ihrer Lagerhaltung zu bieten. Stichworte: Waagenregale; WMS; Materialwirtschaft; intelligente Lagerhaltung; Bestandssteuerung; digitale Transformation; IoT-Regale

I. Einleitung

Das Lagerverwaltungssystem (WMS) ist die zentrale Softwareplattform im Rahmen der Digitalisierung der Lieferkette moderner Unternehmen und übernimmt wichtige Funktionen wie die Verwaltung von Bestandsbüchern, die Planung von Ein- und Auslagerungen, die kommissionierung in Wellen, die Rückverfolgung von Materialchargen, Bestandswarnungen sowie die Erfassung von Lagerleistungsstatistiken. Viele Unternehmen stoßen jedoch nach der Einführung eines WMS-Systems auf ein weit verbreitetes Problem: Die Daten des Softwaresystems und der tatsächliche Lagerbestand sind langfristig nicht synchronisiert. Der Bestandsbestand im System kann nur durch manuelles Scannen von Barcodes und die manuelle Erfassung von Belegen aktualisiert werden. Wenn nach Entnahmen, Rückgaben oder Schwund die Mitarbeiter vergessen, die entsprechenden Belege zu erfassen, können die WMS-Bestandsdaten nicht entsprechend angepasst werden, was auf Dauer zu dem Problem der “Dateninseln” führt, bei denen Buchbestand und tatsächlicher Lagerbestand voneinander abweichen.

Dieses Problem tritt besonders deutlich in Lagern für Kleinteile und Schüttgut wie Standardbefestigungselemente, Dichtungen, elektronische Bauteile, Arbeitsschutzartikel und Laborreagenzien zutage. Da bei dieser Art von Materialien die Entnahmemengen pro Vorgang gering, die Entnahmehäufigkeit extrem hoch und der Wert der einzelnen Artikel relativ niedrig ist, empfinden die Mitarbeiter in der Produktion den Scan- und Registrierungsvorgang oft als umständlich. Daher überspringen sie häufig die Auslagerungsregistrierung und entnehmen die Materialien direkt – ein Phänomen, das in der Branche gemeinhin als “versteckter Materialverlust” bezeichnet wird. Erst bei der monatlichen Großinventur werden Lücken im Materialbestand entdeckt, doch da sich der Verbleib der Materialien nicht zurückverfolgen lässt, bleibt letztlich nur die passive Verbuchung als Bestandsverlust, was dem Unternehmen anhaltende versteckte Kosten verursacht.

Um das grundlegende Problem der Datenverfälschung im WMS-System zu lösen, führen immer mehr Unternehmen im Rahmen ihrer Lagerumbauprojekte IoT-Sensorik ein. Dabei stellen Wiege-Regale derzeit eine besonders kosteneffiziente Lösung im Rahmen der Modernisierung auf leichte Lagerkonzepte dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Regalen sind bei gewichtssensitiven Regalen unter jedem einzelnen Lagerplatz hochpräzise industrielle Wägezellen angebracht, die die dynamischen Gewichtsveränderungen der Lagerplätze rund um die Uhr ununterbrochen überwachen; Mitarbeiter müssen beim Ein- und Auslagern von Materialien weder QR-Codes scannen noch Auslagerungsbelege manuell ausfüllen. Sobald das Regal eine Gewichtsabweichung feststellt, berechnet es automatisch die entnommene Materialmenge. Die Entnahmedaten werden in Echtzeit an das WMS-Materialverwaltungssystem übermittelt, wodurch die Bestandsabtragung automatisch erfolgt. So wird die Authentizität, Aktualität und Vollständigkeit der Daten im Lagerverwaltungssystem bereits auf der Hardware-Ebene gewährleistet.

Derzeit beschränken sich viele Unternehmensleiter in ihrer Wahrnehmung von Waagenregalen noch immer auf die oberflächliche Vorstellung, dass es sich lediglich um “ein Regal mit einer zusätzlichen elektronischen Waage” handelt. Sie haben den tieferen Wert dieser Anlage als sensorisches Endgerät des WMS-Systems vor Ort noch nicht vollständig erfasst und verfügen daher über keine fundierten Leitlinien für die Projektauswahl, die Systemanbindung und die Prozessumgestaltung. Ausgehend von realen Umsetzungsprojekten in mehreren produzierenden Unternehmen untersucht dieser Artikel systematisch die Betriebslogik, Anwendungsszenarien, Umstellungsvorteile, Umsetzungsrisiken sowie Optimierungsstrategien bei der Anbindung von Wiege-Regalen an das WMS-Materialwirtschaftssystem.

II. Aktuelle Probleme beim Betrieb traditioneller Materiallager und WMS-Systeme

Unternehmen führen ein WMS-Materialwirtschaftssystem ein, um eine präzise digitale Steuerung des Lagers zu erreichen. Wenn jedoch die Erfassung der zugrunde liegenden physischen Daten weiterhin manuell erfolgt, wird der Verwaltungsnutzen der übergeordneten Softwaresysteme erheblich gemindert.

2.1 Die Erfassung von Ein- und Auslagerungen erfolgt manuell, was zu Verzögerungen bei der Aktualisierung der WMS-Bestandsdaten führt.

Im herkömmlichen Verfahren muss der Lagerverwalter oder der Materialentnehmer nach der Entnahme des Materials den Barcode des Materials manuell scannen, die Entnahmemenge im WMS-System erfassen und erst nach dem Absenden des Auslagerungsbelegs wird der Bestand abgezogen. Bei häufigen und vereinzelten Materialentnahmen stellt die manuelle Erfassung einen zusätzlichen Arbeitsschritt dar, bei dem es leicht zu menschlichen Fehlern wie versäumten oder verspäteten Einträgen sowie falschen Angaben zur Entnahmemenge kommen kann. Obwohl der physische Lagerbestand bereits reduziert wurde, wird der Buchbestand im WMS nicht zeitnah aktualisiert. Die Bestandsdaten im System liegen langfristig über dem physischen Bestand, was zu künstlich überhöhten Bestandszahlen führt und letztendlich eine Kette von Problemen wie Überentnahmen, Materialüberhänge und Produktionsausfälle aufgrund von Materialengpässen in der Fertigung auslöst.

2.2 Der Arbeitsaufwand für die Bestandsaufnahme von Kleinteilen ist enorm, und Fehler bei der manuellen Bestandsaufnahme lassen sich kaum vermeiden.

Kleinteile wie Schrauben, Unterlegscheiben, Dichtungsringe und kleine elektronische Bauteile lassen sich nicht durch das Scannen von Paletten schnell inventarisieren. Bei herkömmlichen Inventurverfahren müssen die Mitarbeiter jeden Artikel einzeln zählen. Wenn die Anzahl der SKUs im Lager mehrere hundert beträgt, dauert die monatliche Inventur oft 2 bis 4 Arbeitstage, und während der Inventur müssen sogar die Materialausgaben aus dem Lager ausgesetzt werden. Das manuelle Zählen ist nicht nur zeitaufwendig und arbeitsintensiv, sondern führt auch unweigerlich zu Zählfehlern. Daten aus Branchenstudien zeigen, dass in rein manuell verwalteten Lagern für Kleinteile die Abweichungen zwischen Buchbestand und Istbestand in der Regel im Bereich von 31 TP3T bis 51 TP3T liegen. Selbst der Einsatz einer WMS-Lagerverwaltungssoftware kann das Problem der durch manuelle Inventur verursachten Datenabweichungen nicht an der Wurzel beseitigen.

2.3 Unerfasste Materialverluste lassen sich nicht zurückverfolgen, und die Kosten für Materialverluste bleiben unverändert hoch

Da die Entnahmemengen bei Kleinmaterialien pro Vorgang gering sind, ist deren Überwachung schwierig. Häufig kommt es zu versteckten Verlusten, wie z. B. überhöhten Entnahmen bei zu geringen Buchungen, der eigenmächtigen Entwendung von Material oder der Nichtrückgabe von Restbeständen an das Lager nach der Entnahme. Wenn bei der Bestandsaufnahme Materialfehlbestände festgestellt werden, können die Verantwortlichen aufgrund fehlender Echtzeit-Protokollierungen nicht nachvollziehen, von wem und wann das Material entnommen wurde. Da sich die Ursache des Verlusts nur schwer lokalisieren lässt, kann der Verlust lediglich als Lagerverlust verbucht werden, was zu einer langfristigen und anhaltenden Verschwendung von Unternehmensmitteln führt.

2.4 Dem WMS fehlt die Fähigkeit zur Erfassung der Situation vor Ort, sodass es keine Echtzeit-Warnungen bei ungewöhnlichen Entnahmen ausgeben kann.

Ein eigenständig betriebenes WMS-Materialmanagementsystem ist eine passive Verwaltungssoftware: Erst wenn Belege manuell hochgeladen werden, kann das System Informationen über Materialbewegungen erfassen. Bei Vor-Ort-Anomalien wie übermäßiger Entnahme, falscher Materialentnahme oder unzureichendem Lagerbestand kann das WMS-System die tatsächlichen Veränderungen vor Ort nicht sofort erfassen und keine Echtzeit-Warnungen zur Unterbindung ausgeben. Probleme werden erst bei der nachträglichen Überprüfung der Belege entdeckt, was zu einer verzögerten Kontrollmechanik führt und die Fähigkeit zur Echtzeitkontrolle vor und während des Vorgangs vermissen lässt.

2.5 Die Umstellung auf herkömmliche Automatisierungslösungen ist mit hohen Kosten verbunden, und die Hürden für die Umsetzung in kleinen und mittleren Unternehmen sind hoch.

Um eine Anbindung des WMS-Systems an die physischen Lagerdaten herzustellen, stehen Unternehmen auch umfangreiche Automatisierungsprojekte wie Hochregallager, AGV-Roboter und die Umrüstung des gesamten Lagers auf RFID zur Auswahl. Allerdings sind solche Projekte mit hohen Anfangsinvestitionen und langen Umbauzeiten verbunden und stellen strenge Anforderungen an die bestehende Regalanordnung sowie die tragenden Bauelemente des Lagers, sodass viele veraltete Lagerräume an Produktionslinien sowie kleine und mittlere Materiallager die Voraussetzungen für eine Umsetzung nicht erfüllen. Unternehmen benötigen dringend eine IoT-basierte Lösung, die leicht implementierbar ist, nur geringe Umbaumaßnahmen erfordert und sich direkt an das bestehende WMS-System anbinden lässt – und genau diese Marktlücke schließen die gewichtsgesteuerten Regale.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass zwischen dem WMS-Materialmanagementsystem und den physischen Lagerbeständen ein automatisierter Kanal zur Datenerfassung fehlt. Die Entkopplung von Informationsfluss und Warenfluss ist die Ursache für viele Probleme im traditionellen Lagermanagement. Der zentrale Mehrwert der gewichtsempfindlichen Regale besteht darin, als “Sinnesnerven” des WMS-Systems bis hin zu den Regalplätzen zu fungieren und damit den letzten Meter der Datenerfassung im Lager zu überbrücken.

III. Technische Grundlagen, Systemarchitektur und Integrationsprozess des WMS bei Waage-Regalsystemen

3.1 Grundlegende Konzepte von Waagenregalen

Gewichtsmessregale, auch als intelligente dynamische Wiegeregale bezeichnet, gehören zu den intelligenten Lagerüberwachungsgeräten im Internet der Dinge (IoT). Unter jedem einzelnen Lagerplatz ist ein hochpräziser Wiegesensor in Industriequalität installiert. Sobald Material auf dem Lagerplatz abgelegt wird, erfasst der Sensor die Gewichtsdaten in Echtzeit; wenn ein Mitarbeiter Material entnimmt oder zurücklegt und sich das Gewicht des Lagerplatzes dadurch ändert, liest das System die Gewichtsdifferenz aus und berechnet anhand der im Hintergrund gespeicherten Standardgewichtsparameter für einzelne Materialstücke automatisch die entnommene Materialmenge; Nach Abschluss des Vorgangs werden alle Daten – darunter die Identitätsdaten des Entnehmers, die Materialnummer, das Entnahmegewicht, die Entnahmemenge und der Zeitpunkt des Vorgangs – über ein IoT-Gateway in Echtzeit an das WMS-Materialmanagementsystem übertragen. Dort werden automatisch Auslagerungsbelege erstellt und der entsprechende Lagerbestand abgezogen, wodurch eine nahtlose Materialentnahme und automatische Buchführung ohne manuelles Scannen von Barcodes gewährleistet wird.

Die Wägeregale verfügen über zahlreiche Genauigkeitsstufen mit einem Wägebereich von 1 g bis 50 kg; die hochpräzise Version erreicht eine Genauigkeit von bis zu 0,1 g und kann Gewichtsänderungen selbst bei einer einzelnen Schraube oder einer Unterlegscheibe präzise erfassen, wodurch sie sich perfekt für die Kontrolle kleinster Schüttgüter eignet; Gleichzeitig sind die Geräte mit einem Filter- und Entstörungsalgorithmus ausgestattet, der durch Gabelstapler verursachte Vibrationen sowie durch Luftströmungen in der Halle bedingte Datenstörungen herausfiltert und so unter den komplexen Betriebsbedingungen in Industriehallen stabile und zuverlässige Wiegedaten gewährleistet.

3.2 Technische Architektur des dreistöckigen Regals mit Wiegesensoren

Eine umfassende Lösung für wiegende Regale, bestehend aus einer Hardware-Erfassungsebene vor Ort, einer mittleren Ebene für Datenübertragung und Steuerung sowie einer oberen Software-Anwendungsebene. Die dreistufige Architektur ermöglicht eine bidirektionale Kommunikation und verfügt über offene Schnittstellen zur Anbindung an das bestehende WMS-Materialwirtschaftssystem des Unternehmens. Erstens, die Hardware-Erfassungsschicht: Diese besteht aus dem Regalkörper, unabhängigen Wiegesensoren an den einzelnen Lagerplätzen, lokalen Touchscreen-Terminals, akustischen und optischen Warnanzeigen, Modulen zur Identitätserkennung per Kartenleser bzw. Gesichtserkennung sowie einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV). Jeder Lagerplatz ist eine eigenständige Datenerfassungseinheit, die Gewichtsänderungen in Echtzeit erfasst, die Identitätsdaten des Materialentnehmers erkennt und bei außergewöhnlichen Zuständen Licht- und akustische Warnsignale auslöst. Zweitens: die mittlere Übertragungs- und Steuerungsebene: Sie umfasst ein IoT-Gateway und einen Edge-Computing-Controller. Die Edge-Endgeräte führen zunächst eine Vorverarbeitung der von den Sensoren erfassten Rohgewichtsdaten durch, einschließlich Rauschunterdrückung, Verwacklungsausgleich und Differenzberechnung, um ungültige Schwankungsdaten herauszufiltern; anschließend werden die berechneten, gültigen Entnahmedaten über Ethernet, WLAN oder das Zig-Bee-Funknetz an den übergeordneten Server übertragen; gleichzeitig werden vom WMS übermittelte Bestandswarnparameter und grundlegende Materialinformationen empfangen und an die lokalen Endgeräte an den Regalen weitergeleitet. Drittens: die obere Software-Geschäftsebene: Diese unterteilt sich in das Verwaltungs-Backend für die Wiege-Regale sowie das unternehmensinterne WMS-Materialmanagementsystem. Das Backend der Regale ist für die Geräteverwaltung, die Kalibrierung der Materialgewichtsparameter, die Abfrage von Entnahmeprotokollen und lokale Warnberichte zuständig; das WMS-Lagersystem übernimmt hingegen Kernfunktionen wie die Verwaltung der Bestandsbücher, die Anbindung an Produktionsaufträge, die Erstellung von Beschaffungs- und Nachschubplänen sowie die Rückverfolgbarkeit der Materialien über die gesamte Lieferkette. Der bidirektionale Datenaustausch zwischen den beiden Systemen erfolgt über eine Standard-API-Schnittstelle, wodurch die Verknüpfung der Geschäftsprozesse realisiert wird.

3.3 Vollständige Integration von Wiege-Regalen und dem WMS-Materialwirtschaftssystem in den Arbeitsablauf

Sobald die Anbindung der wiegenden Regale erfolgreich abgeschlossen ist, entsteht für den Ein- und Ausgang von Materialien im Lager ein automatisierter, geschlossener Arbeitsablauf: 1. Synchronisierung der Basisdaten: Das WMS-System überträgt Materialcodes, Materialbezeichnungen, Standardgewichte pro Stück, Schwellenwerte für den Sicherheitsbestand, Zuordnungen zu Lagerplätzen sowie die Liste der Berechtigungen für das Bedienpersonal automatisch an das lokale Steuerungssystem der Wiege-Regale und stellt so die Verknüpfung zwischen Lagerplatz und Materialdaten her. 2. Identitätsprüfung des Materialentnehmers: Der Materialentnehmer in der Fertigung meldet sich am Touchscreen-Terminal des Regals per Kartenscan oder Gesichtserkennung an; das Regal überprüft die Berechtigung des Mitarbeiters zur Materialentnahme. 3. Kontaktlose Entnahme: Das Personal entnimmt die benötigten Materialien direkt vom entsprechenden Lagerplatz, ohne einen QR-Code scannen zu müssen. Die Regalsensoren erfassen in Echtzeit die Gewichtsveränderung am Lagerplatz und berechnen automatisch die entnommene Materialmenge. 4. Rückmeldung der Entnahmedaten an das WMS: Nach Abschluss der Entnahme erstellt das Regal einen vollständigen Auslagerungsdatensatz, der automatisch an das WMS-Materialverwaltungssystem übertragen wird; nach Erhalt der Daten erstellt das WMS automatisch einen Auslagerungsbeleg, zieht die entsprechende Materialmenge in Echtzeit vom Bestand ab und aktualisiert die Bestandsbücher synchron. 5. Verknüpfung mit Bestandswarnungen: Das WMS liest in Echtzeit das vom Regal übermittelte aktuelle Restgewicht des Materials aus und berechnet den aktuellen Lagerbestand. Sobald der Materialbestand unter einen vorab festgelegten Sicherheitsschwellenwert für die Nachbestellung fällt, generiert das WMS-System automatisch eine Nachbestellungserinnerung, die an das Lagerpersonal weitergeleitet wird und den Einkaufs- oder Umlagerungsprozess aus dem Hauptlager auslöst. 6. Rückverfolgbarkeit und Datenabfrage: Das Management kann direkt im WMS-System jeden einzelnen Materialentnahmesatz abrufen und alle zugehörigen Informationen wie den Entnehmer, den Zeitpunkt der Entnahme, die Entnahmemenge sowie den entsprechenden Fertigungsauftrag einsehen, wodurch eine lückenlose Rückverfolgbarkeit des Materials vom Lager bis zum Arbeitsplatz an der Produktionslinie gewährleistet ist.

3.4 Hauptanwendungsbereiche für gewichtsgesteuerte Regale

In Verbindung mit einem WMS-System werden die gewichtsempfindlichen Regale derzeit bereits in verschiedenen Lagerszenarien eingesetzt: Materialverwaltung für Standard-Befestigungselemente in Lagerbereichen direkt an den Fertigungslinien, Lager für Produktionshilfsstoffe und Verbrauchsmaterialien, Lagerung von Laborreagenzien und Proben, Lager für Ersatzteile und Zubehör, Ausgabestellen für Arbeitsschutzausrüstung sowie Regalverwaltung für Konsignationsware. Sie eignen sich besonders für die Verwaltung von Kleinteilen, die häufig, in kleinen Mengen und vereinzelt entnommen werden.

IV. Analyse der Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung nach der Anbindung von Waagenregalen an das WMS-System

Die Einführung von Regalen mit Gewichtssensoren ist nicht lediglich eine Anschaffung oder Aufrüstung einzelner Hardwaregeräte, sondern eine grundlegende Neugestaltung des Datenerfassungsmodells im WMS-Materialwirtschaftssystem. Sie wandelt die Art der Datenerfassung im Lager von einer “manuellen, aktiven Meldung” in eine “automatische, hardwaregestützte Erfassung” um und sorgt so in fünf wesentlichen Bereichen für eine umfassende Effizienzsteigerung im Unternehmenslager.

4.1 Schaffung eines geschlossenen Echtzeit-Datenkreislaufs für das WMS, um Verzögerungen und Verzerrungen bei den Bestandsdaten vollständig zu beseitigen

Bevor die mit Wiegesensoren ausgestatteten Regale angebunden wurden, hinkte die Bestandsaktualisierung im WMS den tatsächlichen Bestandsveränderungen hinterher, was immer wieder zu Abweichungen zwischen Buchbestand und Istbestand führte. Nach der Anbindung wird jede durch die Entnahme oder Einlagerung von Material verursachte Gewichtsänderung in Echtzeit in einen Auslagerungsbeleg umgewandelt und an das WMS zurückgemeldet. Sobald sich der physische Lagerbestand ändert, wird das Software-Kontobuch synchron aktualisiert. Dadurch werden Zeitverzögerungen durch manuelle Erfassungen vollständig beseitigt und sichergestellt, dass die Bestandsdaten im WMS-System stets mit dem physischen Bestand im Lager übereinstimmen. Die Bestandsgenauigkeit erreicht bis zu 99,91 TP3T und liefert damit echte und zuverlässige Daten als Grundlage für die Produktionsplanung und den Einkauf des Unternehmens.

4.2 Automatisierung der Inventur, wodurch Lagerpersonal in großem Umfang entlastet und die Inventurkosten gesenkt werden

Im herkömmlichen Verfahren müssen Lagerverwalter nach der Erteilung eines Inventurauftrags durch das WMS viel Zeit darauf verwenden, die Materialien manuell zu zählen und die Inventurergebnisse anschließend mit den WMS-Bestandsdaten abzugleichen. Nach der Installation von Regalen mit Gewichtssensoren können die Verantwortlichen im WMS-System mit einem einzigen Klick einen Inventurbefehl auslösen. Alle Lagerplätze des Regals werden sofort gewichtsgescannt, die Bestandsmengen werden automatisch in Echtzeit umgerechnet, und die Inventurergebnisse werden automatisch an das WMS zurückgemeldet, um einen Inventurbericht zu erstellen. Die Bestandsaufnahme von Kleinteilen, die früher mehrere Tage in Anspruch nahm, ist nun innerhalb von etwa zehn Minuten abgeschlossen. Die Effizienz der Bestandsaufnahme steigt um mehr als 90%. Unternehmen können dadurch die Zahl der festangestellten Mitarbeiter für die Bestandsaufnahme reduzieren und erhebliche Personalkosten im Lagerbereich einsparen. Gleichzeitig ist keine Betriebsunterbrechung für die Bestandsaufnahme erforderlich, sodass der normale Produktionsrhythmus in der Fertigung nicht gestört wird.

4.3 Unauffällige Vereinfachung des Materialentnahmevorgangs zur Steigerung der Effizienz bei der Materialentnahme in der Fertigung

Herkömmlicher Materialentnahmeprozess: Materialentnahmeschein ausdrucken – Material scannen – Menge im WMS erfassen – Auslagerung beantragen – Material entnehmen; der gesamte Prozess ist sehr umständlich. Nach der Einführung einer integrierten Lösung aus Wiege- und Sensorregalen und dem WMS können Mitarbeiter nach Identitätsprüfung das Material direkt entnehmen. Das System erledigt automatisch den gesamten Buchungsvorgang, wodurch die Materialentnahme erheblich vereinfacht wird. Die Dauer einer einzelnen Materialentnahme verkürzt sich von mehr als zehn Minuten auf 1–3 Minuten, Die Wartezeiten für Materialien an den Produktionslinien in der Fertigung werden deutlich verkürzt, wodurch das Risiko von Produktionsstillständen aufgrund fehlender Materialien effektiv verringert wird.

4.4 Lückenlose Nachverfolgung der Materialentnahme, Umsetzung einer lückenlosen Rückverfolgbarkeit im WMS und Eindämmung versteckter Verluste

Jede Entnahme von Material wird vom wiegenden Regal vollständig erfasst und gleichzeitig im WMS-Materialverwaltungssystem archiviert. Sollten später Bestandslücken oder Qualitätsabweichungen in der Produktion auftreten, können die Verantwortlichen direkt im WMS-System den vollständigen Entnahmeverlauf des betreffenden Materials abrufen und so den Verbleib des Materials, den Entnehmenden sowie den Zeitpunkt der Entnahme genau ermitteln. Damit wird das bisherige Managementproblem gelöst, dass Verluste bei Kleinteilen nicht zurückverfolgt werden konnten. Basierend auf den Messdaten mehrerer Unternehmen kann die Verlustrate bei Kleinteilen nach der Inbetriebnahme von 31 TP3T–51 TP3T auf unter 0,81 TP3T gesenkt werden, was dem Unternehmen langfristig erhebliche Einsparungen bei den Materialverlustkosten ermöglicht.

4.5 Wechselseitige Verknüpfung von Frühwarnsignalen: Das WMS wechselt von der nachträglichen Verwaltung hin zur präventiven Kontrolle und Steuerung

Die von den Wiege-Regalen in Echtzeit erfassten Bestandsdaten werden kontinuierlich an das WMS übermittelt. Sobald der Materialbestand unter das Sicherheitsniveau sinkt, kann das WMS automatisch eine Nachschubwarnung auslösen, sodass das Management die Materialnachschubplanung im Voraus veranlassen und das Risiko von Materialengpässen in der Produktionslinie bereits an der Quelle verringern kann; Gleichzeitig können auf der lokalen Ebene der Regale Warnmeldungen bei übermäßiger Entnahme eingerichtet werden: Sobald die Menge der bei einer einzelnen Entnahme entnommenen Materialien die im Arbeitsauftrag festgelegte Entnahmemenge überschreitet, löst das Regal sofort einen akustischen und optischen Alarm aus. Der ungewöhnliche Entnahmevorgang wird gleichzeitig an das WMS-System gemeldet, sodass das Management umgehend eingreifen und die Situation unter Kontrolle bringen kann. So werden Unregelmäßigkeiten bereits im Verlauf des Vorgangs abgefangen, und das Lagerverwaltungsmodell wird von einer nachträglichen Nachbetrachtung zu einer vorausschauenden Prävention weiterentwickelt.

V. Fallbeispiele für die Anbindung von Waagenregalen an das WMS-Materialmanagementsystem und quantitative Analyse der Vorteile

In diesem Artikel wird das Projekt zur digitalen Umrüstung eines Linienlagers bei einem chinesischen Hersteller von Komponenten für neue Energiefahrzeuge als typisches Praxisbeispiel herangezogen, um die umfassenden Managementvorteile, die sich aus der Anbindung von Regalen mit Wiegesensoren an das WMS-System ergeben, quantitativ darzustellen.

5.1 Probleme im Lager vor der Umgestaltung

Der Hersteller von Komponenten für die neue Energiewirtschaft verfügt über drei Montagelinien für Komponenten. In den Lagerbereichen direkt an den Produktionslinien werden insgesamt 360 SKUs an Standard-Befestigungselementen wie Schrauben, Muttern, Dichtungsringen und Befestigungsklammern gelagert. Vor der Umrüstung erfolgte die Ein- und Auslagerung von Materialien im Lagerbereich an der Fertigungslinie manuell durch Scannen von Barcodes, wobei das WMS-Materialverwaltungssystem des Lagers unabhängig lief und keine automatische Sensorik vor Ort vorhanden war. Die größten Probleme bei der Lagerverwaltung vor der Umstellung waren: Die Mitarbeiter in der Fertigung holten häufig Material ab, der Prozess der Erfassung per Barcode war umständlich und es kam häufig vor, dass Auslagerungsbelege nicht erfasst wurden; die monatliche Bestandsaufnahme von mehr als 360 verschiedenen Befestigungselementen erforderte zwei Lagerverwalter, die 4–5 Arbeitstage damit verbrachten, jedes Teil einzeln zu zählen; Das Problem des unsichtbaren Verlusts von Kleinteilen war besonders ausgeprägt; die monatliche Verlustrate bei Befestigungselementen lag bei bis zu 4,21 TP3T; die Abweichung zwischen den Bestandsangaben im WMS-System und dem tatsächlichen Lagerbestand lag langfristig bei 3,81 TP3T; gelegentlich kam es in der Fertigung zu Verzögerungen bei der Nachlieferung von Befestigungselementen, was zu kurzen Produktionsstillständen führte; Die Materialentnahmeprotokolle waren unvollständig, sodass es bei Qualitätsproblemen schwierig war, die Einzelheiten der Entnahmen zurückzuverfolgen. Die Unternehmensleitung beschloss, eine intelligente Modernisierung des Linienlagers einzuleiten. Nach einem Vergleich verschiedener Lösungsansätze entschied man sich schließlich für die Installation von 16 hochpräzisen Regalen mit Wiegesensoren, die über eine API-Schnittstelle tief in das bestehende WMS-Materialmanagementsystem des Unternehmens integriert wurden, ohne die ursprüngliche Lagerverwaltungssoftware zu ersetzen, um so die digitale Umrüstung und Modernisierung des Linienlagers abzuschließen.

5.2 Projektdurchführungsplan

Phase 1: Aufbereitung der Basisdaten. Export aller Stücklisten für Befestigungselemente aus dem WMS-System, Festlegung des Standardgewichts für jedes einzelne Materialstück, Eins-zu-Eins-Zuordnung von Material-SKUs und Lagerplatzcodes sowie Optimierung der ABC-Lageranordnung im Linienlager. Phase 2: Installation und Inbetriebnahme der Hardware. Im Bereich des Linienlagers in der Fertigungshalle werden 16 Sätze von Gewichtsmessregalen mit 360 unabhängigen Wiegestellen sowie Terminals zur Identitätsprüfung per Gesichtserkennung installiert; die Vernetzung der Regalhardware und die Feinabstimmung des Algorithmus zur Erkennung von Verwacklungen bei der Wiegevorgängen werden abgeschlossen. Dritte Phase: Entwicklung und Anbindung der Schnittstelle zwischen WMS und Wiege-Regalen. Entwicklung einer bidirektionalen API-Datenschnittstelle, Herstellung der Datenverbindung zwischen den beiden Systemen sowie Realisierung der bidirektionalen Synchronisation von Materialstammdaten, Lagerbeständen, Entnahmeprotokollen und Nachschubwarnungen. Vierte Phase: Personalschulung und Pilotbetrieb. Es wurden Schulungen für Lagerverwalter und Mitarbeiter an der Produktionslinie organisiert. Zunächst wurde ein Pilotbetrieb für Befestigungsmaterial an einer Produktionslinie durchgeführt, um die Systemparameter zu optimieren. Nach Stabilisierung des Pilotbetriebs wurden die Wäge-Regale in den Lagerbereichen an allen drei Produktionslinien vollständig in Betrieb genommen und der manuelle Scan-Prozess für den Warenausgang von Befestigungsmaterial abgeschafft.

5.3 Quantitativer Vergleich der Vorteile nach Abschluss der Modernisierung

Nach drei Monaten stabilem Betrieb des Systems führte das Unternehmen eine Nachbewertung der Betriebskennzahlen des Lagerbereichs an der Produktionslinie durch. Die Umbaumaßnahmen zeigten deutliche Erfolge, und alle zentralen Lagerkennzahlen wurden erheblich optimiert: 1. Bestandsgenauigkeit: Die Abweichungsquote zwischen Buchbestand und Ist-Bestand im WMS-System sank von 3,81 TP3T auf 0,71 TP3T; der Buchbestand im WMS und der physische Bestand im Produktionslager stimmen nun weitgehend überein; 2. Effizienz der Bestandsaufnahme: Die Dauer der monatlichen Bestandsaufnahme bei Befestigungselementen verkürzte sich von ursprünglich 4–5 Arbeitstagen auf 15 Minuten. Die Bestandsaufnahme muss nicht mehr durch eine Unterbrechung der Produktionslinie erfolgen, wodurch zwei Lagerverwalter von dieser Aufgabe entlastet wurden; 3. Kontrolle des Materialverlusts: Die monatliche Verlustquote bei Befestigungselementen sank von 4,21 TP3T auf 0,751 TP3T. Das Problem des unsichtbaren Verlusts kleiner Teile wurde wirksam eingedämmt, wodurch jährlich Materialverlustkosten in Höhe von mehr als 100.000 Yuan eingespart werden; 4. Effizienz bei der Materialentnahme: Die durchschnittliche Dauer einer einzelnen Materialentnahme für Befestigungselemente in der Werkstatt wurde von 14 Minuten auf 2,5 Minuten verkürzt. Die Wartezeiten für Material an der Produktionslinie wurden erheblich reduziert, und es gab keine Ausfälle der Produktionslinie mehr aufgrund fehlender Hilfsmaterialien; 5. Rückverfolgbarkeit der Materialien: Alle Entnahmeaufzeichnungen für Befestigungselemente werden automatisch mit dem WMS-Materialmanagementsystem synchronisiert und archiviert. Der Entnahmeverlauf lässt sich mit einem Klick einsehen, wodurch die Effizienz bei der Rückverfolgung der Montagequalität von Bauteilen erheblich gesteigert wurde und das Unternehmen die Rückverfolgbarkeitsprüfung der Lieferkette durch die nachgelagerten Fahrzeughersteller erfolgreich bestanden hat.

Wie aus diesem Fall ersichtlich ist, handelt es sich bei den gewichtsempfindlichen Regalen um eine Erweiterung des WMS-Lagersystems für die Wahrnehmung vor Ort. Unternehmen müssen ihre bestehende Materialverwaltungssoftware nicht komplett überarbeiten, sondern können durch eine einfache Umrüstung – bestehend aus der Installation zusätzlicher Hardware und der Anbindung über Schnittstellen – die seit langem bestehenden Probleme bei der Verwaltung kleiner Materialteile lösen. Dies stellt einen kostengünstigen Weg zur intelligenten Modernisierung veralteter Linienlager und Materiallager einen kostengünstigen Weg zur intelligenten Modernisierung.

VI. Umsetzung und Auswahlkriterien für das Projekt zur Anbindung von Waagenregalen an das WMS-System

Unternehmen, die ein Projekt zur Umstellung auf ein integriertes Lager mit gewichtsgesteuerten Regalen und WMS durchführen, sollten – wenn sie die erwarteten Kosteneinsparungen und Effizienzsteigerungen erzielen wollen – nicht blindlings Hardware-Regale anschaffen und direkt in Betrieb nehmen, sondern einen standardisierten Implementierungsprozess befolgen, der eine gründliche Voruntersuchung, die Auswahl von Hard- und Software, die Entwicklung von Schnittstellen, die Pilotinbetriebnahme sowie den anschließenden Betrieb und die Wartung umfasst.

6.1 Vorabuntersuchung der aktuellen Situation und Bedarfsanalyse

Zu Beginn des Projekts sollte das Unternehmen zunächst den aktuellen Zustand des Lagers erfassen und den Umfang der Umrüstung festlegen. Dabei ist zu prüfen, welche Materialien im Lager für die Steuerung mittels gewichtssensitiver Regale geeignet sind. Vorrangig sollten kleine Materialien mit stabilem Gewicht, einheitlichem Stückgewicht und häufiger Einzelentnahme ausgewählt werden; für Materialien, die in großen Mengen auf ganzen Paletten ein- und ausgelagert werden, wird eine Gewichtskontrolle nicht empfohlen. Anschließend wird geprüft, ob das bestehende WMS-Materialverwaltungssystem über offene API-Schnittstellen verfügt. Falls das WMS-System geschlossen ist und keine Schnittstellen für die Weiterentwicklung bietet, muss im Vorfeld mit dem Softwarehersteller ein Konzept für die Schnittstellenentwicklung besprochen werden, um zu vermeiden, dass die Hardware nach der Lieferung nicht mit der übergeordneten Software verbunden werden kann und es dadurch zu Projektverzögerungen kommt.

6.2 Wichtige Aspekte bei der Auswahl von Hard- und Software für Wiege-Regale

Hardwareauswahl: Die Genauigkeit der Wägezellen richtet sich nach dem minimalen Stückgewicht der zu kontrollierenden Materialien. Bei der Kontrolle von Kleinteilen wie Schrauben und Unterlegscheiben sollten vorrangig hochpräzise Sensoren mit einer Genauigkeit von 0,1 g bis 1 g gewählt werden; Da in der Produktionshalle starke Vibrationen auftreten, muss bei der Auswahl sichergestellt werden, dass das System über einen Anti-Vibrations-Filteralgorithmus verfügt; bei den Regalen ist ein modularer Aufbau vorzuziehen, um spätere Anpassungen der Lagerplätze und den Austausch von Materialien flexibel und bequem zu gestalten; die Art der Identitätsprüfung (Kartenleser, Fingerabdruck oder Gesichtserkennung) ist je nach Bedarf auszuwählen. Auswahl der Software-Schnittstellen: Bevorzugt sollten Wiegesysteme für Regale gewählt werden, die gängige industrielle IoT-Protokolle wie HTTP und MQTT unterstützen und über eine standardisierte, offene API-Dokumentation verfügen, um eine schnelle Anbindung an die gängigen WMS-, ERP- und MES-Systeme für Lager- und Produktionsmanagement zu ermöglichen; Die Backend-Funktionen der Software müssen grundlegende Module wie die Kalibrierung des Materialgewichts, die Abfrage von Entnahmeprotokollen, Bestandsberichte und die Protokollierung von Fehlermeldungen umfassen.

6.3 Strategie für die schrittweise Einführung des Pilotprojekts

Für die Einführung des Projekts wird ein vorsichtiger Umsetzungsansatz empfohlen: “zunächst Pilotphase – schrittweise Ausweitung – vollständiger Betrieb”. Zunächst wird ein Materialbereich für einen ein- bis zweimonatigen Pilotbetrieb ausgewählt, um alle Probleme zu erfassen, die bei der Datenanbindung zwischen Regalsystem und WMS auftreten, die Kalibrierungsparameter für das Materialgewicht zu optimieren und die Stabilität der Datenübertragung über die Schnittstelle zu gewährleisten; Sobald der Pilotbetrieb stabil läuft, wird der Einsatz der Wiege-Regale schrittweise ausgeweitet. Dabei werden die alten und neuen Materialentnahmemodelle für einen bestimmten Zeitraum parallel betrieben, bis schließlich der alte manuelle Scan-Prozess für den Warenausgang vollständig abgeschafft wird, um das Risiko eines Fehlschlags bei der Projektinbetriebnahme zu minimieren.

6.4 Optimierung des begleitenden Managementsystems nach der Inbetriebnahme

Die Inbetriebnahme der wiegenden Regale bedeutet nicht, dass die Umstellungsarbeiten abgeschlossen sind. Unternehmen müssen ihre Materialverwaltungsprozesse im Lager aktualisieren und die Arbeitsabläufe des Materialentnahmepersonals standardisieren; die Gewichtsangaben der einzelnen Materialien regelmäßig zu überprüfen und bei Änderungen der Materialspezifikationen die Gewichtsdaten im WMS-System sowie in der Backend-Software der Wiegeregale zeitnah anzupassen; ein System für regelmäßige Inspektionen und Kalibrierungen der Regalsensoren einzurichten, um langfristig eine stabile Wiegegenauigkeit zu gewährleisten und einen langfristig stabilen Betrieb der gesamten WMS- und Wiegeregal-Lösung sicherzustellen.

VII. Anwendungsgrenzen von Waagenregalen und entsprechende Optimierungsmaßnahmen

Die Anbindung von gewichtsgesteuerten Regalen an ein WMS (Warehouse Management System) stellt eine hervorragende Lösung für die Verwaltung von leichten Kleinteilen dar. Allerdings hat diese Technologie auch ihre Grenzen. Unternehmen sollten bei der Planung von Lagerumbauten die Stärken dieser Technologie nutzen und ihre Schwächen vermeiden, um eine rationale Umsetzung zu gewährleisten. Erstens eignen sich gewichtssensitive Regale besser für Materialien mit festem Einzelgewicht und einheitlichen Abmessungen. Bei Materialien mit variablem Gewicht und unregelmäßigen Schüttgütern kann es zu gewissen Abweichungen kommen, wenn die Materialmenge anhand des Gewichts berechnet wird. Optimierungsmaßnahme: Für unregelmäßige Schüttgüter kann eine hybride Kontrolllösung aus “Gewichtssensorregalen + RFID-Etikettenerkennung” eingesetzt werden, bei der RFID die Materialart identifiziert und die Gewichtssensoren Bestandsänderungen überwachen – beide Verfahren ergänzen sich. Gleichzeitig sollte das WMS-System einen Kanal für manuelle Überprüfungen und Korrekturen vorsehen. Zweitens können gewichtssensorgesteuerte Regale die übergeordneten Geschäftslogiken des WMS-Systems nicht vollständig ersetzen. Die Gewichtsregale sind lediglich für die Erfassung der physischen Daten vor Ort zuständig, während Kernaufgaben wie die Zuweisung von Arbeitsaufträgen, die Beschaffungsplanung und die Wellenkommissionierung weiterhin vom WMS-Materialwirtschaftssystem übernommen werden. Optimierungsmaßnahme: Während Unternehmen die Wiege-Regale in Betrieb nehmen, sollten sie gleichzeitig die internen Lagerprozesse im WMS weiter optimieren, um eine enge Zusammenarbeit zwischen der Hardware-Erfassung und der Software-Verwaltung zu erreichen. Drittens müssen die Sensoren regelmäßig kalibriert und gewartet werden. Nach längerem Einsatz kommt es bei den Wiegesensoren zu einer leichten Nullpunktdrift; ohne regelmäßige Kalibrierung nimmt die Datengenauigkeit ab. Optimierungsmaßnahme: Es sollte ein vierteljährlicher Plan für die Kalibrierung und Wartung der Sensoren erstellt werden, wobei die Kalibrierungsdaten synchronisiert in das WMS-System hochgeladen werden, um die Genauigkeit der Bestandsdaten zu gewährleisten.

VIII. Schlussfolgerungen und Ausblick

Angesichts der stetig steigenden Anforderungen an ein präzises Lagermanagement in produzierenden Unternehmen reicht das herkömmliche Kontrollmodell, bei dem der Betrieb des WMS-Materialmanagementsystems auf der manuellen Erfassung von Belegen basiert, kaum noch aus, um den Verwaltungsanforderungen von Lagern mit hochfrequentem Umschlag und einer Vielzahl kleiner, verstreut gelagerter Artikel gerecht zu werden. Probleme wie Diskrepanzen zwischen Buchbestand und Ist-Bestand, hoher Aufwand bei der Bestandsaufnahme, unsichtbare Materialverluste und Schwierigkeiten bei der Rückverfolgung sind im Wesentlichen darauf zurückzuführen, dass der WMS-Lagerverwaltungssoftware ein automatisierter Kanal zur physischen Erfassung direkt an den Regalplätzen fehlt.

Die gewichtsgesteuerten Regale basieren auf hochpräziser industrieller Wäge- und Sensortechnik und wandeln die manuelle Datenerfassung im Lager in eine automatische, unmerkliche Erfassung durch Hardware um. Die Daten zur Materialentnahme werden in Echtzeit an das WMS-Materialverwaltungssystem zurückgemeldet, wodurch eine geschlossene digitale Kette aus “physischem Objekt – Erfassung – Software – Entscheidung” entsteht. Wie die Ergebnisse aus praktischen Anwendungsbeispielen zeigen, können die wiegenden Regale nach der Anbindung an das WMS-System die Bestandsgenauigkeit deutlich verbessern, die Personalkosten für Inventuren senken, den Materialentnahmeprozess vereinfachen, versteckte Verluste bei Kleinteilen eindämmen und das Rückverfolgungssystem für den gesamten Materialfluss optimieren; Da es sich zudem um eine leicht umsetzbare Umrüstungslösung handelt, bei der die bestehende WMS-Lagerverwaltungssoftware des Unternehmens nicht ersetzt werden muss, sind nur geringe bauliche Veränderungen erforderlich, die Implementierungszeit ist kurz und die Amortisationszeit kontrollierbar. Das Projekt eignet sich daher hervorragend für die digitale Modernisierung von veralteten Lagerräumen an Produktionslinien sowie von Lagern für Bauteile und Hilfsstoffe.

Bei der Umsetzung von Projekten mit wiegenden Regalen sollten Unternehmen die Eigenschaften der Lagermaterialien sowie die Schnittstellenbedingungen des bestehenden WMS-Systems berücksichtigen, die Auswahl der Systeme wissenschaftlich fundiert treffen, die Einführung schrittweise in Pilotprojekten vornehmen und das Lagerverwaltungssystem entsprechend optimieren, um den Wert der integrierten Lösung aus Hardware-Erfassung und WMS-Softwareverwaltung hinsichtlich Kostensenkung und Effizienzsteigerung voll auszuschöpfen. Mit Blick auf die Zukunft werden die gewichtsgesteuerten Regale weiter mit dem PTL-Light-to-Pick-System, der RFID-Erkennung,Intelligenter Werkzeugschrank… in enge Verbindung mit dem WMS-Lagerverwaltungssystem gebracht, wodurch eine neue Generation intelligenter Lagerlösungen für die Fertigungslinie mit multisensorischer Koordination entsteht, die Fertigungsunternehmen kontinuierlich dabei unterstützt, die Transformation ihrer Materiallager in den Fertigungshallen hin zu mehr Präzision, Digitalisierung und Intelligenz voranzutreiben.