Das Herzstück des Materialmanagementsystems in der Produktionshalle – der intelligente Materialschrank

Im Zuge der fortschreitenden Digitalisierung der Fabriken in der diskreten Fertigungsindustrie sind ERP-Systeme (Enterprise Resource Planning), WMS-Systeme (Warehouse Management System) und MES-Systeme (Manufacturing Execution System) mittlerweile zum Standard bei der IT-Ausstattung zahlreicher Fabriken geworden. Doch in vielen Unternehmen verbleibt die Endkontrolle der Materialien an der Produktionslinie nach der Einrichtung der übergeordneten Verwaltungssoftware weiterhin auf einem extensiven Verwaltungsniveau mit offenen Regalen und manueller Erfassung der Materialentnahme. Der Materialbedarf aus den Arbeitsaufträgen, die von den übergeordneten Systemen erteilt werden, gelangt nicht direkt an die Produktionsarbeitsplätze; Auch die Daten zur Materialentnahme und zum Verbrauch in der Fertigung lassen sich nur schwer in Echtzeit an die Verwaltungsplattform zurückmelden, was zu einer Datenlücke zwischen den übergeordneten Systemen und den tatsächlichen Beständen vor Ort in der Fertigung führt. Als intelligente IoT-Endgeräte, die direkt an der Produktionslinie eingesetzt werden, übernehmen intelligente Materialverwaltungsschränke die wichtige Aufgabe der digitalen Steuerung der Werkstückmaterialien auf der “letzten Meter” und bilden den zentralen Kern für die Umsetzung des gesamten Materialverwaltungssystems in der Fertigung. Ausgehend von den bestehenden Schwachstellen der traditionellen Materialverwaltung in der Fertigung erläutert dieser Artikel die technische Architektur, die Funktionsweise und die Schnittstellen der intelligenten Materialverwaltungsschränke zu MES-, WMS- und ERP-Systemen; Anhand realer Anwendungsbeispiele aus Fertigungsunternehmen werden die umfassenden Vorteile quantifiziert, die sich nach der Einführung intelligenter Materialschränke in Bezug auf Produktionsleistung, Bestandsgenauigkeit, Kontrolle des Materialverlusts, Kostenabrechnung von Arbeitsaufträgen und Rückverfolgbarkeit der Materialien über die gesamte Lieferkette ergeben; Er erläutert den Weg zur Projektumsetzung, wichtige Auswahlkriterien, häufige Fehler bei der Umrüstung sowie Optimierungsmaßnahmen und bietet damit theoretische Anhaltspunkte und praktische Lösungen für Fabrikunternehmen, um ihr digitales Materialkontrollsystem in der Fertigung zu verbessern und ein geschlossenes Materialmanagementsystem vom Zentrallager bis zum Arbeitsplatz zu schaffen. Stichworte: Intelligenter Materialverwaltungsschrank; Materialverwaltung in der Fertigung; Lager an der Produktionslinie; MES; WMS; Endkontrolle; Intelligente IoT-Endgeräte; Digitalisierte Fertigung

I. Einleitung

Angesichts der zunehmenden Bedeutung von intelligenter Fertigung und Lean-Produktion investieren immer mehr Fertigungsunternehmen vorrangig in den Aufbau übergeordneter IT-Systeme: Das ERP-System ist für die gesamte Materialbeschaffungsplanung zuständig, das WMS steuert die Ein- und Auslagerungsvorgänge im Zentrallager, und das MES übernimmt die Vergabe von Fertigungsaufträgen in der Fertigung sowie die Steuerung des Produktionstaktes. Ein top-down-orientiertes Software-Managementsystem scheint auf den ersten Blick vollständig zu sein, doch viele Fabriken übersehen dabei die Arbeitsstationen in der Fertigung als letzte Ausführungsebene. Der Datenfluss der übergeordneten Systeme endet mit dem Warenausgang aus dem Zentrallager. Sobald die Materialien an die Fertigungslinien geliefert wurden, entziehen sich die nachfolgenden Vorgänge wie Entnahme, Verbrauch, Rückgabe und Restbestandsverwaltung der systemseitigen Kontrolle und werden von den Mitarbeitern in der Fertigung eigenständig verwaltet. Da die Materialdaten aus der Fertigung nicht automatisch zurückfließen können, erhält die übergeordnete Verwaltungssoftware lediglich Daten zum Materialausgang, kann jedoch den tatsächlichen Materialverbrauch nicht genau erfassen, wodurch eine Lücke in der Materialverwaltungskette entsteht.

In traditionellen Fertigungshallen werden Materialien in der Regel in offenen Regalen oder gewöhnlichen Lagerschränken aufbewahrt. Wenn ein Mitarbeiter Kleinmaterial wie Hilfsstoffe, Werkzeuge, Ersatzteile oder Befestigungselemente entnehmen möchte, muss er zum Zentrallager gehen, um einen Entnahmeschein auszufüllen und darauf warten, dass der Lagerverwalter die Materialien manuell ausgibt. Die Entnahme von Materialien an der Produktionslinie unterliegt keiner Zugriffskontrolle, und die Entnahme sowie Rückgabe von Materialien werden nicht automatisch protokolliert; Die monatliche Bestandsaufnahme der Hilfsmaterialien in der Fertigung erfolgt manuell, was zeitaufwendig und arbeitsintensiv ist. Dabei treten immer wieder Probleme wie Abweichungen zwischen Buchbestand und Ist-Bestand, unsichtbare Materialverluste sowie falsche Entnahmen und Fehlverwendungen auf. Diese Probleme an der Basis verschwinden nicht automatisch mit der Einführung übergeordneter WMS- und MES-Software, sondern werden vielmehr zu Schwachstellen, die das Materialmanagementsystem in der Fertigung daran hindern, seinen vollen Wert zu entfalten.

Vor diesem Hintergrund wurden intelligente Materialverwaltungsschränke entwickelt. Dabei handelt es sich nicht um ein eigenständiges Lagergerät, sondern um ein Endgerät zur Erfassung und Ausführung, das das Materialverwaltungssystem der Werkstatt bis an die Produktionslinie erweitert. Es wird direkt neben den Arbeitsplätzen der Produktionslinie aufgestellt und dient der lokalen Zwischenlagerung von Kleinteilen, die häufig entnommen werden; Mithilfe von IoT-Technologien wie Gesichtserkennung, RFID, hochpräzisen Wiegesensoren, elektronischen Schließsystemen und Edge-Computing werden die selbstständige Entnahme von Materialien durch die Bediener, die automatische Verbuchung durch das System, dynamische Bestandswarnungen sowie die lückenlose Nachverfolgung des gesamten Entnahmeprozesses ermöglicht; Darüber hinaus wird über standardisierte API-Schnittstellen eine bidirektionale Datenverbindung mit WMS, MES und ERP hergestellt, wodurch ein vollständiger geschlossener Kreislauf aus “Übergeordneter Planung – Lagerverteilung – Lagerung an der Produktionslinie – Entnahme am Arbeitsplatz – Rückmeldung des Verbrauchs – Kostenabrechnung” entsteht und das letzte fehlende Puzzleteil in der Endkontrolle des Materialmanagementsystems der Fertigungshalle ergänzt wird.

Derzeit beschränkt sich das Verständnis vieler Unternehmensleiter von intelligenten Materialverwaltungsschränken noch auf “intelligente Schränke mit Schloss”; sie betrachten sie lediglich als Aufbewahrungsmittel für Materialien und sind sich nicht bewusst, dass sie im gesamten Digitalisierungssystem der Werkstatt eine zentrale strategische Rolle als Endgerät einnehmen. Ausgehend von konkreten Anwendungsszenarien der Materialkontrolle in der Fertigung werden in diesem Artikel die Funktionsweise, die Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung, der praktische Nutzen sowie die Umsetzungsstrategien des intelligenten Materialverwaltungsschranks als zentrales Endgerät eingehend analysiert.

II. Aktuelle Probleme am Ende der Kette im traditionellen Materialmanagementsystem für Fertigungshallen

Die gesamte Materialmanagementkette eines Unternehmens gliedert sich in sechs Hauptphasen: Beschaffung – Wareneingang – Lagerung – Verteilung an die Fertigung – Entnahme am Arbeitsplatz – Verbrauchsabrechnung. ERP-, WMS- und MES-Systeme können die ersten Phasen des Prozesses effizient abwickeln, während gerade die letzte Phase am Arbeitsplatz in der Fertigung in traditionellen Verwaltungsmodellen häufig Probleme verursacht.

2.1 Der Datenfluss aus dem übergeordneten System bricht an der Produktionslinie ab, sodass kein geschlossener Regelkreis gebildet werden kann.

Wenn Materialien aus dem Zentrallager an die Fertigung ausgeliefert werden, wird der Abgang im WMS-Bestandsbuch verbucht; jedoch gibt es keine automatisierten Erfassungskanäle für folgende Endverbrauchsdaten: von wem die Materialien in der Fertigung entnommen wurden, in welcher Menge, ob Restmengen zurückgegeben wurden und in welchem Fertigungsauftrag sie letztendlich verbraucht wurden. gibt es für diese Endverbrauchsdaten keinen automatisierten Erfassungsweg. Man ist darauf angewiesen, dass die Mitarbeiter die Verbrauchsbelege nachträglich manuell ausfüllen und diese dann in das MES-System eingeben. Bei der manuellen Erfassung kommt es zu Verzögerungen, Auslassungen und Fehlern, was dazu führt, dass die übergeordneten Systeme keine Echtzeit- und präzisen Materialverbrauchsdaten erhalten, die Materialkostenabrechnung der Arbeitsaufträge verfälscht wird und es für das Produktionsmanagement schwierig ist, den Materialverbrauch transparent zu überwachen und zu steuern.

2.2 Der Materialentnahmeprozess ist umständlich, und die Fahrten zum und vom Zentrallager kosten viel Produktionszeit.

In Werkstätten ohne intelligente Materialschränke an der Fertigungslinie müssen die Mitarbeiter jedes Mal, wenn sie kleine Teile wie Schneidwerkzeuge, Dichtungen, Schrauben oder Verbrauchsmaterialien für die Arbeitssicherheit entnehmen müssen, ihre aktuelle Arbeit unterbrechen und zum weit entfernten Zentrallager gehen, um die Materialausgabe abzuwickeln. Laut Arbeitszeitaufzeichnungen mehrerer Fertigungsunternehmen dauert ein einzelner Hin- und Rückweg zur Materialentnahme einschließlich der Wartezeit auf die Materialausgabe durchschnittlich 10 bis 15 Minuten. Bei häufigen, vereinzelten Materialentnahmen geht ein Großteil der effektiven Produktionszeit durch unnötige Wege verloren, was zu einer Verringerung der Anlagenauslastung führt und den ursprünglich ausgeglichenen Produktionsrhythmus in der Werkstatt stört.

2.3 Bei offen gelagerten Materialien an der Produktionslinie fehlt es an einer Zugriffskontrolle, was zu Problemen wie falscher Entnahme und Materialverlusten führt.

Bei herkömmlichen offenen Regalen kann jeder beliebige Materialien entnehmen, ohne dass eine Identitätsprüfung oder eine Entnahmeerfassung erfolgt. Bei Teilen, die sich äußerlich stark ähneln, kommt es sehr leicht zu Fehlentnahmen und Fehlverwendungen. Werden falsche Materialien in Produkte eingebaut, kann dies zu Nacharbeiten, Reparaturen oder sogar zur Verschrottung der Produkte führen; Die unkontrollierte Entnahme von Kleinteilen und Hilfsmaterialien sowie die willkürliche Lagerung von Restbeständen nach übermäßiger Entnahme und geringer Verwendung führen im Laufe der Zeit zu einem unsichtbaren Materialverlust. Erst bei der Bestandsaufnahme werden Bestandslücken entdeckt, deren Ursprung nicht mehr zurückverfolgt werden kann, sodass das Unternehmen die Kosten für unnötige Materialverluste tragen muss.

2.4 Die Bestandsaufnahme im Werk verläuft ineffizient, und die Ergebnisse lassen sich nur schwer mit dem übergeordneten Managementsystem synchronisieren.

Die Bestandsaufnahme kleiner Teile in den Lagerbereichen direkt an den Fertigungslinien erfolgt seit langem manuell, wobei der Produktionsbetrieb während des Inventurvorgangs häufig unterbrochen werden muss; nach Abschluss der manuellen Bestandsaufnahme müssen die Daten manuell in das WMS-System eingegeben werden, wobei diese doppelte Eingabe leicht zu menschlichen Fehlern führen kann. Die Aktualisierung der Bestandsdaten an den Produktionslinien erfolgt mit Verzögerung, sodass das übergeordnete Managementsystem keinen Echtzeit-Überblick über die Materialbestände in der Fertigung hat. Häufig kommt es vor, dass Materialvorräte aufgebraucht sind, ohne dass das Management dies rechtzeitig bemerkt, was letztendlich zu Produktionsausfällen aufgrund von Materialmangel an der Fertigungslinie führt.

2.5 Die Abläufe in der Fertigung und im Lager sind voneinander unabhängig; es fehlt ein Mechanismus für die gegenseitige Warnung bei Materialnachschub.

Die Mitarbeiter der Zentrallagerverwaltung können den verbleibenden Materialbestand an den Produktionslinien nicht in Echtzeit einsehen, sodass die Nachschubmaßnahmen ausschließlich auf telefonische oder über WeChat übermittelte Meldungen der Mitarbeiter vor Ort über Materialengpässe angewiesen sind. Diese manuelle Meldung ist mit Verzögerungen verbunden, sodass eine bedarfsgerechte und präzise Nachschubversorgung kaum möglich ist; entweder kommt es aufgrund verspäteter Materiallieferungen zu Produktionsausfällen, oder es wird zu viel Material auf einmal nachgeliefert, wodurch sich große Mengen an ungenutztem Material am Produktionsband ansammeln und wertvollen Platz in der Fertigung beanspruchen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass viele der Probleme bei der Materialverwaltung in der Fertigung im WesentlichenEs fehlt ein Hardware-Endgerät, das direkt an der Produktionslinie installiert ist, automatisch Daten zum Materialverbrauch erfasst und eine bidirektionale Kommunikation mit den übergeordneten WMS- und MES-Systemen ermöglicht.. Der intelligente Materialverwaltungsschrank ist genau das zentrale Endgerät, das dieses Problem löst.

III. Technische Architektur und Betriebsmodus des intelligenten Materialverwaltungsschranks sowie dessen Anbindung an das Werkstattmanagementsystem

3.1 Kernfunktion des intelligenten Materialverwaltungsschranks: Endgerät des Materialverwaltungssystems in der Fertigung

Ein umfassendes digitales Materialmanagementsystem für die Fertigung lässt sich in drei Ebenen unterteilen: die oberste Entscheidungsebene (ERP), die mittlere Ausführungsebene (WMS-Lagersystem, MES-Fertigungssystem) und die untere Ebene vor Ort (intelligente Materialverwaltungsschränke, intelligente Regale, PTL-Light-Guided-Picking und andere IoT-Hardware). Dabei sind die intelligenten Materialverwaltungsschränke fest in der Produktionslinie der Fertigungshalle verankert und bilden den Kontrollknotenpunkt in der dreistufigen Architektur, der den Bedienern und den Produktionsarbeitsplätzen am nächsten liegt; sie übernehmen vier Kernfunktionen: die Lagerung von Materialien in unmittelbarer Nähe, die Steuerung der Selbstentnahme, die Erfassung von Verbrauchsdaten am Endpunkt sowie die Meldung von Bestandswarnungen. Sie nehmen von oben die Materialbedarfsanweisungen aus den vom WMS und MES übermittelte Materialbedarfsanweisungen für Arbeitsaufträge entgegen und erfasst nach unten hin die tatsächlichen Entnahme- und Verbrauchsdaten der Bediener. Dadurch wird ein bidirektionaler Datenfluss zwischen den Ebenen ermöglicht, und sie fungiert als Endknotenpunkt im gesamten Materialmanagementsystem.

3.2 Technische Architektur des intelligenten Materialverwaltungsschranks mit vier Ebenen

Eine ausgereifte Lösung für intelligente Materialverwaltungsschränke basiert auf einer vierstufigen Architektur, in der jede Ebene eine klar definierte Aufgabe hat und die verschiedenen Ebenen gemeinsam die Materialkontrolle am Ende der Fertigungslinie übernehmen. Erstens: die Hardware-Erfassungsschicht. Diese besteht aus modularen Schränken, einzeln elektronisch gesteuerten Schließfächern, industriellen Touchscreen-Displays, Identifikationsmodulen (Gesichtserkennung, IC-Kartenleser, Fingerabdruckerkennung), Materialerfassungseinheiten (RFID-Lesegeräte / hochpräzise Wägezellen), akustischen und optischen Signalanzeigen sowie einer Notstromversorgung für den Stromausfall. Jedes Fach ist unabhängig von den anderen; der Fachraum lässt sich flexibel an die unterschiedlichen Materialgrößen wie Werkzeuge, Befestigungselemente, elektronische Bauteile und Ersatzteile anpassen. Bei der Wiegeversion wird die Entnahmemenge anhand der Gewichtsdifferenz berechnet, während bei der RFID-Version hochwertige Einzelteile mit elektronischen Etiketten versehen werden, um eine lückenlose Rückverfolgung über den gesamten Lebenszyklus hinweg zu ermöglichen. Zweitens: die lokale Steuerungsebene, d. h. der Edge-Computing-Controller. Dieser empfängt die von den übergeordneten Systemen MES/WMS übermittelten Arbeitsaufträge zur Materialentnahme, entriegelt automatisch die entsprechenden Lagerplätze und leuchtet zur Führung bei der Entnahme auf; er erfasst in Echtzeit die Signale zur Materialentnahme und -einlagerung und führt lokal die Berechnung der Gewichtsdifferenz sowie die Bewertung der Entnahmevorgänge durch; Bei instabiler Netzwerkverbindung in der Fertigungshalle schaltet das Gerät in den Offline-Cache-Modus um; die Entnahmeaufzeichnungen werden lokal gespeichert und nach Wiederherstellung der Netzwerkverbindung automatisch synchronisiert und hochgeladen, um sicherzustellen, dass der Materialentnahmeprozess nicht durch vorübergehende Netzwerkausfälle unterbrochen wird. Drittens: die Software-Steuerungsebene, das Verwaltungs-Backend für die intelligenten Materialschränke. Sie umfasst sieben Kernmodule: Einlagerungsverwaltung, Genehmigung der Materialentnahme per Arbeitsauftrag, mehrstufige Berechtigungsverteilung, Warnmeldungen bei Unterschreitung des Sicherheitsbestands, automatische Bestandsaufnahme, Rückverfolgbarkeit der Entnahmeprotokolle sowie statistische Auswertungen zum Materialverbrauch. Administratoren können Materialentnahmelimits je nach Position und Produktionsauftrag festlegen; bei Überschreitung dieser Limits wird ein Online-Genehmigungsprozess ausgelöst. Viertens: die Datenaustausch-Ebene. Es stehen offene industrielle Standard-API-Schnittstellen nach HTTP- und MQTT-Standard zur Verfügung, die als Datenübertragungskanal zwischen den intelligenten Materialschränken und den übergeordneten Systemen ERP, WMS und MES dienen. Sie ermöglichen die bidirektionale Echtzeit-Synchronisation von Arbeitsaufträgen, Beständen und Verbrauchsdaten und bilden die entscheidende Grundlage für die Integration der intelligenten Materialschränke in das bestehende Materialwirtschaftssystem des Unternehmens.

3.3 Die beiden gängigsten Erkennungsmodi bei intelligenten Materialschränken

Je nach den Eigenschaften der Materialverwaltung lassen sich die gängigen intelligenten Materialverwaltungsschränke auf dem Markt in zwei technische Ansätze unterteilen: den RFID-Modus (Radiofrequenz-Identifikation) und den Modus mit Wiegesensoren. RFID-Modus: Geeignet für hochwertige, wiederverwendbare Materialien wie Werkzeuge, Spannvorrichtungen und Präzisionsersatzteile, bei denen jedes Teil mit einem eindeutigen RFID-Etikett versehen ist; Wenn das Material in ein Fach eingelegt wird, scannt der Schrank das Etikett automatisch; wenn der Bediener die Tür öffnet und das Material entnimmt, liest das System das Etikett automatisch aus und erstellt einen Ausleihbeleg; nach Gebrauch wird das Material wieder in den Schrank zurückgelegt, woraufhin das System die Rückgabe erkennt und den Lagerbestand automatisch aktualisiert, wodurch der gesamte Prozess der Ausleihe und Rückgabe einzelner Materialstücke nachverfolgt wird. Erkennung mittels Wiegesensor: Geeignet für kleine, lose Materialien in großen Mengen wie Schrauben, Unterlegscheiben, Dichtungsringe und Verbrauchsmaterialien; Bei der Einlagerung wird das Standardgewicht jedes einzelnen Artikels kalibriert; wenn ein Mitarbeiter das Material entnimmt und die Schranktür schließt, erfasst der Sensor die Gewichtsverringerung im Fach, berechnet automatisch die entnommene Materialmenge und ermöglicht so eine etiketten- und sensorfreie Entnahmeerfassung, ohne dass jedes einzelne Teil mit einem Etikett versehen werden muss.

3.4 Intelligenter Materialschrank – MES – WMS: Vollständig aufeinander abgestimmter geschlossener Arbeitsablauf

Nachdem die intelligenten Materialverwaltungsschränke erfolgreich in das Materialverwaltungssystem der Unternehmenswerkstatt integriert wurden, sieht der vollständige geschlossene Arbeitsablauf wie folgt aus: 1. Das übergeordnete ERP-System erteilt Produktionsaufträge; nachdem das MES-System die Aufträge empfangen hat, zerlegt es die Stückliste (BOM) und generiert Materialentnahmebedarf für die Arbeitsaufträge; 2. Das WMS-Lagersystem führt entsprechend dem Materialbedarf die Kommissionierung und den Warenausgang aus dem Zentrallager durch, liefert das Material an die intelligenten Materialschränke an der Fertigungslinie und schließt die Einlagerung ab; die Einlagerungsdaten werden synchron an das WMS zurückgemeldet, um das Ausgangsbuch zu aktualisieren; 3. Das MES übermittelt die Materialentnahmeberechtigungen für den entsprechenden Arbeitsauftrag an die intelligenten Materialschränke in der Fertigung; 4. Der Mitarbeiter führt am Touchscreen-Terminal des Schranks eine Identitätsprüfung per Gesichtserkennung oder durch Vorhalten der Mitarbeiterkarte durch; das System überprüft die aktuellen Materialentnahmeberechtigungen des Mitarbeiters für den Arbeitsauftrag, woraufhin die Beleuchtung des Zielfachs aufleuchtet und die Schranktür entriegelt wird; 5. Der Mitarbeiter entnimmt die benötigten Materialien, schließt die Schranktür; der intelligente Schrank erkennt automatisch Typ und Menge der entnommenen Materialien und erstellt einen Entnahmesatz; 6. Die Entnahme- und Verbrauchsdaten werden in Echtzeit an das MES zurückgemeldet und automatisch dem entsprechenden Fertigungsauftrag zugeordnet; die Daten zum Restbestand werden synchron an das WMS-Lagersystem übertragen, wodurch das Bestandsbuch an der Fertigungslinie in Echtzeit aktualisiert wird; 7. Sobald die verbleibende Materialmenge im Schrank unter den voreingestellten Schwellenwert für den Sicherheitsbestand fällt, löst der intelligente Materialschrank eine Nachschubwarnung aus. Die Warnmeldung wird an das WMS-System gesendet, und das Lagerpersonal leitet nach Erhalt der Benachrichtigung den Materialnachschubprozess ein; 8. Alle Entnahmedaten werden dauerhaft archiviert. Das Management kann im MES- oder WMS-System mit einem Klick den vollständigen Nachverfolgungsverlauf der Materialien abrufen – vom Ausgang aus dem Lager bis zur Entnahme am Arbeitsplatz –, wodurch eine lückenlose Rückverfolgbarkeit der Materialien gewährleistet ist.

IV. Der intelligente Materialverwaltungsschrank als zentrales Element an der Endstelle – Wege zur Effizienzsteigerung im Materialverwaltungssystem der Werkstatt

Die Einführung intelligenter Materialverwaltungsschränke bedeutet nicht einfach nur die Hinzufügung eines weiteren Lagergeräts, sondern schließt die Lücke bei der Datenerfassung an der Basis des Materialverwaltungssystems in der Fertigung, schließt den Datenkreislauf und verbessert das Materialkontrollsystem in der Fertigung in fünf wesentlichen Bereichen.

4.1 Den geschlossenen Datenkreislauf im Materialmanagement herstellen und Datenlücken zwischen den übergeordneten Systemen und dem Fertigungsbereich beseitigen

Seit der Inbetriebnahme der intelligenten Materialschränke werden die Daten zur Materialentnahme und zum Verbrauch in der Fertigung automatisch von den Geräten erfasst und in Echtzeit an das WMS-MES übermittelt, wodurch die bisherige Praxis, den Verbrauch am Endpunkt manuell in Belegen zu erfassen, der Vergangenheit angehört. Das WMS-System erfasst nicht nur, wann Materialien aus dem Zentrallager ausgelagert werden, sondern zeigt auch in Echtzeit an, wann und von wem Materialien an den Arbeitsplätzen in der Fertigung entnommen werden und im Rahmen welcher Arbeitsaufträge sie verbraucht werden; Die Bestandsdaten werden in zwei parallelen Bestandsbüchern – dem des Zentrallagers und dem der Fertigungslinie – in Echtzeit synchronisiert. Dadurch wird das Problem der Dateninseln, bei dem “Buchhaltung und Lagerbestand voneinander getrennt sind”, endgültig gelöst und die Datenkette des gesamten Materialmanagementsystems in der Fertigung vollständig geschlossen.

4.2 Durch die Lagerung der Materialien in unmittelbarer Nähe der Produktionslinie werden Zeitverluste bei der Materialentnahme erheblich reduziert und die Kapazität der Produktionslinie freigesetzt.

Intelligente Materialschränke sind direkt neben den Arbeitsplätzen an der Produktionslinie aufgestellt, sodass häufig benötigte Hilfsstoffe und Ersatzteile direkt an der Linie vorrätig sind und die Bediener keine langen Wege mehr zum Zentrallager zurücklegen müssen, um Material zu entnehmen. Die Zeit für eine einzelne Materialentnahme wurde von mehr als zehn Minuten auf 30–60 Sekunden verkürzt, wodurch eine große Menge an Produktionszeit, die zuvor für den Weg zur Materialentnahme aufgewendet wurde, freigesetzt wurde und die effektive Betriebszeit der Anlagen erhöht wurde; Gleichzeitig ermöglichen die intelligenten Schränke eine Selbstbedienungsentnahme rund um die Uhr (7×24 Stunden), unabhängig von den Öffnungszeiten des Lagers. Auch in der Nachtschicht können Materialien jederzeit entnommen werden, wodurch sichergestellt wird, dass der kontinuierliche Produktionsrhythmus in der Fertigung nicht durch den Materialentnahmeprozess beeinträchtigt wird.

4.3 Einrichtung eines Mechanismus zur Kontrolle der Zugriffsrechte auf Endgeräten, um das Risiko von Materialfehlern bereits an der Quelle zu verringern und versteckte Materialverluste einzudämmen

Dank der drei Hauptfunktionen des intelligenten Materialschranks – abgestufte Zugriffsrechte, gezielte Entnahme gemäß Arbeitsauftrag und Leuchtanzeigen zur Entnahmeführung – können die Mitarbeiter nur Materialien entnehmen, für die sie im Rahmen ihres Arbeitsauftrags autorisiert sind. Nicht relevante Lagerplätze sind gesperrt, wodurch die Möglichkeit einer falschen Materialentnahme sowohl visuell als auch auf der Ebene der Zugriffsrechte ausgeschlossen wird; Jeder Materialentnahme- und -einlagerungsvorgang wird automatisch protokolliert und archiviert, wobei Personal, Zeitpunkt, Material und Arbeitsauftrag eindeutig miteinander verknüpft werden. Sollten später Materialbestandslücken oder Qualitätsprobleme bei der Produktmontage auftreten, können Führungskräfte jederzeit die Entnahmeprotokolle abrufen, um den Verbleib des Materials genau zu lokalisieren, wodurch der unsichtbare Verlust kleiner Materialteile wirksam kontrolliert wird.

4.4 Automatische Bestandsaufnahme der Endbestände; Synchronisierung der Bestandsdaten an den Fertigungslinien mit dem übergeordneten Managementsystem per Knopfdruck

In der Vergangenheit war die Bestandsaufnahme von Materialien direkt an der Produktionslinie zeitaufwendig und mühsam, und die Ergebnisse mussten zudem manuell in das WMS-System eingegeben werden. Nach der Anbindung an die intelligenten Materialschränke können die Verantwortlichen nun über das zugehörige Backend-System mit einem Klick eine Bestandsaufnahme auslösen. Die Schränke scannen automatisch die Materialbestände aller Lagerplätze, erstellen automatisch einen Bestandsbericht und synchronisieren die Daten in Echtzeit mit dem WMS-Lagersystem; Die Bestandsaufnahme von Kleinteilen in der Fertigung, die früher 1–2 Tage dauerte, ist nun in wenigen Minuten abgeschlossen. Da die Bestandsaufnahme ohne Produktionsunterbrechung erfolgt, werden die Personalkosten für die Bestandsaufnahme in der Fertigung erheblich gesenkt.

4.5 Durch die bidirektionale Verknüpfung der Warnmeldungen zur Nachschubversorgung an den Endpunkten ermöglicht das WMS eine vorausschauende Materialversorgung in den Fertigungsbereichen

Der intelligente Materialschrank überwacht in Echtzeit den Restbestand an Materialien im Schrank und sendet automatisch eine Nachschubbenachrichtigung an das übergeordnete WMS, sobald der Restbestand unter den Sicherheitsschwellenwert fällt. Das Lagerpersonal verteilt die Materialien entsprechend den Frühwarnsignalen nach Bedarf und wandelt so den traditionellen passiven Vorgehensweise “Erst wenn im Werk Material fehlt, wird eine Nachbestellung gemeldet” durch ein proaktives Versorgungsmodell, bei dem das System automatisch Warnmeldungen ausgibt und das Lager die Materialien vorzeitig bereitstellt und ausliefert. Dadurch wird das Risiko von Produktionsausfällen in der Fertigung aufgrund von Materialengpässen bereits an der Quelle verringert und eine koordinierte Verwaltung der Materialbestände zwischen dem Zentrallager und den Lagerbereichen direkt an der Fertigungslinie erreicht.

V. Fallstudie zur quantitativen Bewertung der Vorteile des Einsatzes intelligenter Materialverwaltungsschränke in der Praxis

In diesem Artikel wird das Projekt zur digitalen Modernisierung der Fertigungshalle eines chinesischen Herstellers von Automobilersatzteilen als Praxisbeispiel herangezogen, um die Verbesserungen bei der Kontrolle an der Endlinie, die sich aus der Anbindung intelligenter Materialschränke an das Materialmanagementsystem der Fertigungshalle ergeben, quantitativ darzustellen.

5.1 Probleme im aktuellen Zustand der Werkstatt vor der Umgestaltung

Das Unternehmen verfügt über vier Montagelinien für Bauteile und lagert in den Werkstätten insgesamt 280 SKUs an Kleinteilen wie Befestigungselementen, Montagehilfsmitteln und Wartungswerkzeugen. Die Materialien werden einheitlich in einem 300 Meter von den Produktionslinien entfernten Zentrallager gelagert; die Mitarbeiter müssen zu Fuß zum Lager und zurück gehen, um Material zu entnehmen und die Formalitäten zu erledigen; in der Fertigung gibt es keine intelligenten Lagerterminals an den Produktionslinien, der Datenfluss der WMS- und MES-Systeme endet beim Warenausgang des Zentrallagers, und die Daten zum Materialverbrauch in der Fertigung werden manuell von den Mitarbeitern gemeldet; Die durchschnittliche Dauer einer einzelnen Materialentnahme beträgt 13 Minuten; die monatliche Bestandsaufnahme der Hilfsmaterialien in der Fertigung erfordert den Einsatz von zwei Lagerverwaltern, die dafür drei Arbeitstage benötigen; die Schwundquote bei Kleinteilen in der Fertigung liegt langfristig bei 3,71 TP3T; es kam wiederholt zu Verzögerungen bei der Nachlieferung von Hilfsmaterialien, was zu kurzen Produktionsausfällen führte. Die Unternehmensleitung beschloss, die Digitalisierung der Materialverwaltung an der Produktionslinie voranzutreiben. Dazu wurde neben jeder der vier Produktionslinien eine Gruppe intelligenter Materialverwaltungsschränke mit integrierter Wiegefunktion aufgestellt, die über eine API-Schnittstelle mit den bestehenden WMS- und MES-Systemen verbunden wurden, um so Kontrollknotenpunkte für die Materialverwaltung in der Produktionshalle zu schaffen.

5.2 Projektdurchführungsplan

Phase 1: Erstellung einer Liste der in der Fertigung häufig entnommenen Materialien sowie Durchführung der Materialkodierung und der Kalibrierung des Stückgewichts; Phase 2: Installation von vier intelligenten Wiege-Materialschränken in der Nähe der Arbeitsstationen der einzelnen Produktionslinien sowie Durchführung der Identitätsprüfung per Gesichtserkennung und der Kalibrierung der Wägezellen; In der dritten Phase wurde eine bidirektionale API-Schnittstelle entwickelt, um den Datenaustausch zwischen den intelligenten Materialschränken, dem MES und dem WMS zu ermöglichen. Dadurch wurden die Vergabe von Arbeitsauftragsberechtigungen, die Rückmeldung von Entnahmedaten sowie die Verknüpfung mit Bestandswarnungen realisiert; Vierte Phase: Schulung der Mitarbeiter; zunächst wird eine Produktionslinie für einen zweimonatigen Pilotbetrieb ausgewählt, um die Prozessparameter zu optimieren; nach Stabilisierung des Pilotbetriebs werden die intelligenten Materialschränke in allen vier Produktionslinien der gesamten Werkstatt vollständig in Betrieb genommen und der manuelle Entnahmeprozess für Hilfsmaterialien in der Werkstatt abgeschafft.

5.3 Vergleich der Vorteile nach Abschluss der Modernisierung

Drei Monate nach dem stabilen Betrieb des Projekts wertete das Unternehmen die Kernkennzahlen zur Materialkontrolle in der Fertigung aus und stellte fest, dass die digitale Modernisierung am Ende der Produktionskette deutliche Erfolge gezeigt hat: 1. Zeitaufwand für die Materialentnahme: Die durchschnittliche Dauer einer einzelnen Materialentnahme sank von 13 Minuten auf unter 1 Minute; der Zeitaufwand der Mitarbeiter für Hin- und Rückwege zum Lager zur Materialentnahme verringerte sich um 92%, wodurch sich die Auslastung der Produktionsanlagen deutlich verbesserte; 2. Geschlossener Kreislauf im Bestandsmanagement: Über das WMS- und das MES-System können die Materialverbrauchsdaten an der Produktionslinie in Echtzeit eingesehen werden. Die Abweichungsquote zwischen Buchbestand und Istbestand im Werk sank von ursprünglich 3,61 TP3T auf 0,61 TP3T, wodurch ein geschlossener Kreislauf im Materialmanagement erfolgreich realisiert wurde; 3. Effizienz bei der Bestandsaufnahme: Die Dauer der Bestandsaufnahme von Hilfsmaterialien in der Fertigung wurde von 3 Arbeitstagen auf 12 Minuten verkürzt, ohne dass die Produktionslinie dafür angehalten werden musste; 4. Kontrolle des Materialverlusts: Die monatliche Verlustquote bei kleinen Hilfsmaterialien in der Fertigung sank von 3,71 TP3T auf 0,71 TP3T, wodurch das Problem des versteckten Materialverlusts eingedämmt wurde; 5. Stabilität der Produktionslinie: Frühwarnmeldungen zur Nachschubversorgung mit Hilfsmaterialien werden automatisch an das Lager weitergeleitet; Stillstandsfälle in der Fertigung aufgrund von Engpässen bei Kleinteilen wurden vollständig vermieden; 6. Rückverfolgbarkeit von Arbeitsaufträgen: Alle Entnahmeaufzeichnungen für Hilfsmaterialien werden automatisch mit den entsprechenden Produktionsaufträgen verknüpft, wodurch sich die Genauigkeit der Materialkostenabrechnung für Arbeitsaufträge erheblich verbessert hat und die Materialrückverfolgbarkeitsprüfung in der Lieferkette der nachgelagerten Automobilhersteller erfolgreich bestanden wurde.

Wie aus dem Fallbeispiel hervorgeht, lassen sich die Herausforderungen bei der Materialkontrolle an den Arbeitsplätzen in der Fertigung nicht allein durch den Einsatz der übergeordneten WMS-MES-Software bewältigen; erst durch den ergänzenden Einsatz intelligenter Materialverwaltungsschränke als Hardware-Endgeräte kann der volle Nutzen des gesamten Materialverwaltungssystems in der Fertigung ausgeschöpft werden.

VI. Umsetzungsweg und wichtige Auswahlkriterien für intelligente Materialverwaltungsschränke

Wenn Unternehmen möchten, dass intelligente Materialschränke tatsächlich die zentrale Rolle am Ende der Materialverwaltungskette in der Fertigung spielen, sollten sie nicht blindlings Schränke anschaffen und in Betrieb nehmen, sondern einem wissenschaftlich fundierten Implementierungsprozess folgen und dabei die Voruntersuchungen, die Auswahl von Hard- und Software, die Systemanbindung, die Pilotphase sowie den späteren Betrieb und die Wartung sorgfältig durchführen.

6.1 Vorabuntersuchung der aktuellen Situation in der Fertigungshalle und Bewertung der Machbarkeit der Systemanbindung

In der Vorbereitungsphase des Projekts wird die Materialliste der Fertigungshalle aufbereitet, wobei vorrangig häufig entnommene Kleinteile ausgewählt werden, die sich für den Einsatz in Line-Side-Caches eignen; Materialien mit geringer Entnahmehäufigkeit, die jedoch in großen Mengen anfallen, werden weiterhin zentral im Hauptlager verwaltet. Es ist besonders zu prüfen, ob die bestehenden WMS- und MES-Systeme offene APIs für die Weiterentwicklung bereitstellen; sollten die Schnittstellen der bestehenden Verwaltungssoftware geschlossen sein, ist frühzeitig mit den Softwareherstellern Kontakt aufzunehmen, um einen Entwicklungsplan für die Anbindung zu erarbeiten. So soll vermieden werden, dass die Hardware nach der Lieferung nicht in das übergeordnete Materialwirtschaftssystem integriert werden kann, was dazu führen würde, dass Endgeräte und übergeordnete Software voneinander unabhängig sind und neue Dateninseln entstehen.

6.2 Wichtige Aspekte bei der Auswahl von Hard- und Software für intelligente Materialverwaltungsschränke

Hardwareauswahl: Vorrangige Auswahl zur Verwaltung von losen Befestigungselementen und VerbrauchsmaterialienAusführung mit Wägezelle; Vorrangig sollten hochwertige, rückgabefähige Materialien wie Schneidwerkzeuge und Spannvorrichtungen ausgewählt werdenRFID-Version (Radiofrequenz-Identifikation); Bei instabilen Netzwerkbedingungen in der Fertigungshalle muss das System eine Offline-Caching-Funktion bei Netzwerkausfall unterstützen; die Lagerplatzgrößen sind modular entsprechend den Materialabmessungen wählbar, wobei Spielraum für spätere Erweiterungen und Anpassungen der Lagerkapazität vorgesehen ist; als Identitätsüberprüfungsmethoden stehen je nach Bedarf Kartenscanner und Gesichtserkennung zur Auswahl. Auswahl der Software-Schnittstellen: Vorrangig sind intelligente Materialschranksysteme zu wählen, die standardmäßige, offene API-Dokumentation bereitstellen und die gängigen industriellen IoT-Protokolle MQTT und HTTP unterstützen, um eine schnelle Anbindung der Geräte an die marktüblichen WMS-, MES- und ERP-Verwaltungssoftware zu gewährleisten; Die Backend-Funktionen müssen Kernmodule wie die Entnahme von Arbeitsaufträgen, die Berechtigungsstufen, Bestandswarnungen, die Rückverfolgbarkeit von Entnahmeprotokollen und den Export von Verbrauchsberichten umfassen.

6.3 Eine umsichtige Einführungsstrategie mit Pilotprojekten und schrittweiser Ausweitung

Es wird empfohlen, den folgenden Umsetzungsweg zu wählen: “Pilotprojekt an einer einzelnen Produktionslinie – Optimierung und Feinabstimmung – flächendeckende Einführung in der gesamten Fertigung”. Zunächst wird eine Produktionslinie für einen ein- bis zweimonatigen Pilotbetrieb ausgewählt, wobei der Schwerpunkt auf der Stabilisierung der bidirektionalen Datensynchronisation zwischen dem intelligenten Schrank, dem MES und dem WMS sowie auf der Optimierung der Kalibrierungsparameter für das Materialgewicht und der Regeln für die Entnahmeberechtigung liegt; sollte der Pilotbetrieb ohne größere Probleme verlaufen, wird die Einführung schrittweise auf die übrigen Produktionslinien ausgeweitet. Nach einer Übergangsphase, in der die alten und neuen Materialentnahmeprozesse parallel laufen, erfolgt die vollständige Umstellung, um das Risiko eines Fehlschlags bei der Projektinbetriebnahme zu minimieren.

6.4 Aktualisierung des Materialmanagementsystems in den zugehörigen Werkstätten nach der Inbetriebnahme

Die Inbetriebnahme der intelligenten Materialschränke bedeutet nicht, dass die Umstellungsarbeiten am Arbeitsplatz abgeschlossen sind. Unternehmen müssen die Prozesse zur Materialentnahme in der Fertigung aktualisieren und die Standards für die Selbstbedienungsentnahme durch die Bediener vereinheitlichen; Es muss ein System für die regelmäßige Kalibrierung der Sensoren sowie für die Inspektion und Wartung der RFID-Etiketten eingerichtet werden. Bei Änderungen der Materialspezifikationen müssen die entsprechenden Materialparameter im WMS, im MES und im Backend der intelligenten Materialschränke umgehend synchronisiert werden, um den langfristig stabilen Betrieb des gesamten Materialmanagementsystems in der Fertigung zu gewährleisten.

VII. Anwendungsgrenzen intelligenter Materialverwaltungsschränke und Maßnahmen zur Optimierung

Intelligente Materialverwaltungsschränke sind eine hervorragende Lösung für die Endkontrolle im Rahmen des Materialverwaltungssystems in der Fertigung, stellen jedoch keine Allzwecklösung dar und haben ihre eigenen Anwendungsgrenzen. Bei der Planung von Umbaumaßnahmen sollten Unternehmen daher die Stärken dieser Lösung nutzen und ihre Schwächen vermeiden. Erstens eignen sich intelligente Materialschränke eher für die lokale Verwaltung von Kleinteilen und häufig entnommenen Materialien direkt an der Produktionslinie; ganze Paletten sowie übergroße und schwere Rohstoffe lassen sich nicht in intelligenten Schränken lagern. Optimierungsmaßnahme: Für die Materialkontrolle in der Fertigung sollte ein zoniertes Verwaltungsmodell zum Einsatz kommen, bestehend aus “zentraler Verwaltung durch das WMS im Zentrallager + End-to-End-Pufferung durch intelligente Materialschränke an der Produktionslinie”, wobei große und kleine Materialien getrennt verwaltet werden. Zweitens können intelligente Materialschränke als Endgeräte die übergeordneten Geschäftslogiken von WMS und MES nicht ersetzen. Die Arbeitsauftragsplanung, das Beschaffungsmanagement und die Produktionsplanung werden weiterhin von der übergeordneten Software übernommen. Optimierungsmaßnahme: Es sollte eine klare Abgrenzung der Zuständigkeiten zwischen der übergeordneten Software und der Endhardware vorgenommen werden, wobei das WMS-MES als „Verwaltungszentrale“ und die intelligenten Materialschränke als „Sensorik und Ausführung vor Ort“ fungieren; beide müssen zusammenarbeiten, ohne dass das Wesentliche durch das Nebensächliche verdrängt wird. Drittens: Im Wiege- und Erkennungsmodus beeinträchtigen Änderungen der Gewichtsangaben einzelner Materialien die Genauigkeit der automatischen Zählung. Optimierungsmaßnahme: Einrichtung eines Mechanismus zur synchronen Aktualisierung bei Änderungen der Materialspezifikationen, um die Gewichtsparameter für einzelne Materialien nach Spezifikationsänderungen zeitnah neu zu kalibrieren; in Szenarien mit hohen Kontrollanforderungen Einsatz einer doppelten Verifizierung mittels RFID und Wiegen, um die Erkennungsgenauigkeit zu verbessern.

VIII. Schlussfolgerungen und Ausblick

Beim Aufbau digitaler Fertigungsanlagen geraten viele Unternehmen leicht in die Falle, “der Software auf oberster Ebene zu viel Bedeutung beizumessen und die Hardware an den Endpunkten zu vernachlässigen”. Sie investieren erhebliche Ressourcen in die Einführung von ERP-, WMS- und MES-Systemen zur Materialverwaltung in der Fertigung, übersehen dabei jedoch die Materialkontrolle an den einzelnen Arbeitsplätzen der Produktionslinien. Dies führt dazu, dass der Datenfluss aus dem obersten Management an den Fertigungslinien unterbrochen wird, wodurch die Kontroll- und Steuerungswirkung der IT-Systeme erheblich beeinträchtigt wird.

Als zentrales IoT-Endgerät des Materialmanagementsystems in der Fertigung werden die intelligenten Materialschränke direkt an den Arbeitsplätzen der Produktionslinien eingesetzt. Sie schließen die Lücke bei der automatischen Erfassung von Materialverbrauchsdaten und vervollständigen den geschlossenen Datenkreislauf von der “obersten Planung über den Lagerausgang, die Lagerung an der Produktionslinie, die Entnahme am Arbeitsplatz, die Rückmeldung des Verbrauchs bis hin zur Kostenabrechnung”. Die praktischen Ergebnisse zeigen, dass durch den Einsatz der intelligenten Materialverwaltungsschränke die Arbeitszeit der Bediener bei der Materialentnahme effektiv verkürzt, der Verlust von Kleinteilen in der Fertigung reduziert, eine Echtzeit-Kontrolle des Lagerbestands an der Produktionslinie realisiert, die Bestandsaufnahme in der Fertigung vereinfacht und Warnmeldungen zur Materialnachschubbedarfe automatisch ausgelöst werden können. Dadurch erhalten die übergeordneten Verwaltungssoftware WMS und MES präzise, Echtzeitdaten zum Materialverbrauch an der Werkstattebene zu erhalten, wodurch der volle Wert der digitalen Steuerung des gesamten Materialmanagementsystems in der Werkstatt ausgeschöpft wird; zudem handelt es sich um ein schlankes Umrüstungsprojekt, das keine umfangreichen baulichen Maßnahmen erfordert, direkt an die bestehenden IT-Systeme des Unternehmens angebunden werden kann, flexibel umsetzbar ist, eine kurze Amortisationszeit aufweist und den Anforderungen der digitalen Modernisierung in den meisten Werkstätten der diskreten Fertigung gerecht wird.

In Zukunft werden sich die intelligenten Materialverwaltungsschränke im Zuge der kontinuierlichen Weiterentwicklung der industriellen IoT-Technologien noch enger mit dem PTL-Licht-Kommissioniersystem, den gewichtsgesteuerten Regalen und AGV-Automatisierungssystemen (Automatische Transportfahrzeuge) eng verzahnt werden, um ein neues Modell für unbemannte Linienlager zu schaffen: “Intelligenter Schrank als End-of-Line-Puffer + automatische Nachschubversorgung durch AGVs”. Dadurch wird das End-of-Line-Ökosystem des Materialmanagementsystems in der Fertigung kontinuierlich optimiert und eine Vielzahl von Fertigungsunternehmen dabei unterstützt, stetig in Richtung schlanker, digitaler und intelligenter Smart Factories voranzuschreiten.