Stefan Seemüller. Durchsatzberechnung automatischer Kleinteilelager im Umfeld des elektronischen Handels. Herbert Utz Verlag München

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1 Stefan Seemüller Durchsatzberechnung automatischer Kleinteilelager im Umfeld des elektronischen Handels Herbert Utz Verlag München

2 Fördertechnik Materialfluss Logistik Zugl.: Diss., München, Techn. Univ., 2005 Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek: Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben auch bei nur auszugsweiser Verwendung vorbehalten. Copyright Herbert Utz Verlag GmbH 2006 ISBN Printed in Germany Herbert Utz Verlag GmbH, München

3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Problemstellung Ziel der Arbeit Aufbau der Arbeit Grundlagen des e-commerce Begriffliche Abgrenzung Bereiche des e-business Business to Consumer (B2C) Business to Business (B2B) Verbraucher und öffentliche Einrichtungen (A2C) Vorteile des e-commerce Schwierigkeiten im e-commerce Rechtliche Probleme Nicht-technische Probleme Sonstige Probleme Preissysteme im e-commerce Versteigerungen Virtuelle Einkaufsgemeinschaften Käufer-basierte Preisfestsetzung Rabatt-Systeme Zusammenfassung Auswirkungen des e-commerce Betroffene Produkte und Dienstleistungen Preisentwicklung E-Procurement - Auswirkungen auf die Beschaffungslogistik Fulfillment im e-commerce...28 VII

4 Inhaltsverzeichnis Auswirkungen auf die Intralogistik Auswirkungen auf die Distributionslogistik Auswirkungen auf die Lagertechnik Zusammenfassung Automatische Kleinteilelager Funktionen und Aufgaben von Lagern Kommissioniersysteme mit AKL Prinzip Mann zur Ware Prinzip Ware zum Mann Kombinierte Kommissioniersysteme Technik automatischer Kleinteilelager Automatisches Regalbediengerät Ladehilfsmittel Lastaufnahmemittel Lager/Regal Konfiguration Lagertiefe Lastaufnahmemittel Abgrenzung Kleinteilelager zum Palettenlager Lagerorganisation und Betriebsstrategien Belegungsstrategien Bewegungsstrategien Grundlagen der Spielzeitberechnung Einzel- und Doppelspiel Mittlere Spielzeit Regalwandparameter Berechnung der mittleren Einzelspielzeit Berechnung der mittleren Doppelspielzeit Analytische Modelle zur Spielzeitberechnung Berechnungsmodelle für technische Einflussgrößen Spielzeitmodelle für einfachtiefe Lager...75 VIII

5 Inhaltsverzeichnis Spielzeitmodelle für doppeltiefe Lagerung Spielzeitmodelle für Mehrfachlastaufnahmemittel Berechnungsmodelle für organisatorische Einflussgrößen Richtlinien zur Spielzeitermittlung VDI FEM VDI Zusammenfassung Spielzeiten bei Lagerbetriebsstrategien Rahmenbedingungen für Lagerbetriebsstrategien Systemumfeld Lagertechnische Rahmenbedingungen Organisatorische Rahmenbedingungen Optimierungsansatz Spielzeitanteile Verringerung der Fahrzeiten Verringerung der Verweilzeiten Durchsatz Lagerstrategien bei einfachtiefer Lagerung (etl) Chaotische Lagerung Strategie Einlagerung nahe Auslagerung Strategie Mehrfacheinlagerungen Berechnung des maximalen Durchsatzes Lagerstrategien bei doppeltiefer Lagerung (dtl) Chaotische Lagerung Strategie Einlagerung nahe Auslagerung Strategie Mehrfacheinlagerungen Lagerstrategie bei doppeltiefer Lagergasse (dtg) Strategie Mehrfacheinlagerungen nahe Auslagerungen Nicht behandelte Strategien Umschlagsbasierte Lagerplatzvergabe IX

6 Inhaltsverzeichnis Fahrwegsoptimierungen Berechnung der Spielzeitkomponenten Fahrzeitkomponenten nächster Nachbar Nächster Nachbar Einlagerung einfachtiefes Lager (etl) Nächster Nachbar Einlagerung doppeltiefes Lager (dtl) Nächster Nachbar Einlagerung doppeltiefe Gasse (dtg) Mehrfacheinlagerungen Schreibweise und Definitionen Grundüberlegung des Berechnungsganges Anmerkung zum Berechnungsgang, Korrekturfaktor Mehrfacheinlagerungen im einfachtiefen Lager (etl) Zwei Lastaufnahmemittel Drei Lastaufnahmemittel Mehrfacheinlagerungen bei doppeltiefen Lagern (dtl) Zwei Lastaufnahmemittel Drei Lastaufnahmemittel Berechnungsbeispiel einfachtiefes Lager (etl) Daten des Berechnungsbeispiels Berechnungsergebnisse Berechnungsbeispiel doppeltiefes Lager (dtl) Daten des Berechnungsbeispiels Berechnungsergebnisse Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis X

7 Abbildungsverzeichnis Abb. 1.1: Einflussgrößen auf den Durchsatz automatischer Kleinteilelager...3 Abb. 2.1: Ausstattung der Haushalte mit Internetzugang [Sta-04a]...7 Abb. 2.2: Einsatz von Internet in Unternehmen 2003 [Sta-04b]...8 Abb. 2.3: Begriffsabgrenzungen im e-business [Sch-04]...10 Abb. 2.4: Akteure und Interaktionsmuster im e-business...11 Abb. 2.5: Schätzungen zum weltweiten e-commerce Umsatz [Jah-04]...11 Abb. 2.6: Weltweite Umsatzverteilung der e-commerce Bereiche [Jah-04]...13 Abb. 2.7: Probleme bei e-commerce Projekten [Jah-04]...19 Abb. 3.1: Gehandelten Leistungen im B2C e-commerce in Deutschland [Jah-04]...26 Abb. 3.2: Preisentwicklung bei Standardprodukten...27 Abb. 3.3: Funktionen des Fulfillment [Wae-04]...29 Abb. 3.4: Veränderte Anforderungen an Kommissioniersysteme...30 Abb. 3.5: Lagerhaltung im B2B und B2C...33 Abb. 3.6: Mögliche e-commerce Distributionsstrukturen...34 Abb. 3.7: Durch e-commerce generiertes Paket- Express- Versandvolumen...35 Abb. 3.8: Anwendungsbereiche vom Lager-/Kommissioniersysteme...41 Abb. 4.1: Prinzip Mann zur Ware...47 Abb. 4.2: Prinzip Ware zum Mann...48 Abb. 4.3: Distributionszentrum Libri...49 Abb. 4.4: Einmast- und Zweimast-RBG [TGW-01]...51 Abb. 4.5: Standardisierte Ladehilfsmittel...52 Abb. 4.6: Lastaufnahmemittel Twister [TGW-01]...53 Abb. 4.7: Mögliche Lagerkonfigurationen, Draufsicht...54 Abb. 5.1: Modell der Regalanlage und des Regalbediengeräts...60 XI

8 Abbildungsverzeichnis Abb. 5.2: Regalwandparameter w...61 Abb. 5.3: Lagerplätze gleicher Wegzeit (Isochrone)...62 Abb. 5.4: Realer und vereinfachter Geschwindigkeitsverlauf...64 Abb. 5.5: Repräsentative Lagerplätze P, P für das Doppelspiel...72 Abb. 7.1: Parallele Abgabe und Aufnahme am E/A-Punkt, Draufsicht...91 Abb. 7.2: Einlagerungs- und Auslagerungsaufträge...92 Abb. 7.3: Zeitanteile eines kombinierten Arbeitsspiels...94 Abb. 7.4: Arbeitsspiel chaotische Lagerung (etl)...98 Abb. 7.5: Arbeitsspiel Einlagerung nahe Auslagerung (etl) Abb. 7.6: Zweifacheinlagerung 2 LAM (etl) Abb. 7.7: Zweifacheinlagerung/Dreifacheinlagerungen 3LAM (etl) Abb. 7.8: Arbeitsspiel Mehrfacheinlagerung (etl) Abb. 7.9: Arbeitsspiel chaotische Lagerung 2 LAM (dtl) Abb. 7.10: Fahrzeitanteile chaotische Lagerung 1 LAM (dtl) Abb. 7.11: Ablauf Lagerspiel Verweilzeiten (dtl) Abb. 7.12: Anzahl Lastzyken 1 LAM (dtl) Abb. 7.13: Zweifacheinlagerungen 2 LAM (dtl) Abb. 7.14: Zweifach-/Dreifacheinlagerungen 3 LAM (dtl) Abb. 7.15: Anzahl Lastzyklen Mehrfacheinlagerung 2 LAM (dtl) Abb. 7.16: Anzahl Lastzyklen Mehrfacheinlagerung 3 LAM (dtl) Abb. 7.17: Zweifacheinlagerung (dtg) Abb. 7.18: Lagerspiel Mehrfacheinlagerung nahe Auslagerung (dtg) Abb. 7.19: Zustandübergänge (dtg) Abb. 7.20: Einfluss von Fahrwegsoptimierungen Abb. 8.1: Umgebung des Auslagerauftrags Abb. 8.2: Einzelwahrscheinlichkeiten Abstand nn Einlagerung (etl) Abb. 8.3: Belegungszustände Lagerkanal XII

9 Abbildungsverzeichnis Abb. 8.4: Einzelwahrsch. Abstand (nn) Umlagerungen und Einlagerung (dtl) Abb. 8.5: Einzelwahrsch. Abstand nn Umlagerungen nach Einl. (dtl) Abb. 8.6: Einzelwahrscheinlichkeiten Abstand nn (dtg) Abb. 8.7: Ausschnitt aus der modellierten Reihe Abb. 8.8: Folge freier Lagerplätze Abb. 8.9: Erwartungswert Anzahl Folgen k freier Lagerplätze Abb. 8.10: Erfasste freie Lagerplätze Abb. 8.11: Genauigkeit der Berechnung für die i-te Umgebung der Auslagerung Abb. 8.12: Zustandswahrscheinlichkeiten bei 10 benachbarten Lagerplätzen Abb. 8.13: Zustandswahrscheinlichkeiten, Schnitt Abb. 8.14: Entstehungswahrscheinlichkeit einer Folge Abb. 8.15: Summe der Entstehungswahrscheinlichkeiten Abb. 8.16: Zweifacheinlagerungsmöglichkeiten Abb. 8.17: Verhalten S ME bei zwei LAM (etl) Abb. 8.18: Freier Lagerplatz rechts oder links vom Auslagerungsauftrag Abb. 8.19: Vergleich analytische Berechnung und Simulation 2 LAM (etl) Abb. 8.20: Entstehung Zweifacheinlagerungsmöglichkeiten getrennt 3 LAM Abb. 8.21: Erwartungswert Ausgangsbelegung E (AD), E (AZ) Abb. 8.22: Zusammenfassung Übergangswahrscheinlichkeiten (3 LAM) Abb. 8.23: Entstehung Dreifacheinlagerungsmöglichkeit Abb. 8.24: Entstehung Zweifacheinlagerungsmöglichkeit Abb. 8.25: Vergleich analytische Berechnung und Simulation 3 LAM (etl) Abb. 8.26: Vergleich analytische Berechnung und Simulation 2 LAM (dtl) Abb. 8.27: Vergleich analytische Berechnung und Simulation 3 LAM (dtl) Abb. 8.28: Verlauf der berechneten Durchsätze 3 LAM (etl) Abb. 8.29: Verlauf mittlere Spielzeiten Berechnungsbeispiel 3 LAM (dtl) XIII

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11 Tabellenverzeichnis Tab. 7.1: Anzahl der Spielzeitkomponenten chaotische Lagerung (etl)...99 Tab. 7.2: Anzahl der Spielzeitkomponenten Einlagerung nahe Auslagerung (etl)..101 Tab. 7.3: Anzahl der Spielzeitkomponenten Mehrfacheinlagerung (etl) Tab. 7.4: Anzahl der Spielzeitkomponenten chaotische Lagerung (dtl) Tab. 7.5: Anzahl der Spielzeitkomponenten Einlagerung nahe Auslagerung (dtl)..111 Tab. 7.6: Anzahl der Spielzeitkomponenten Mehrfacheinlagerung (dtl) Tab. 7.7: Anzahl der Spielzeitkomponenten (dtg) XV

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13 1 Einleitung Die globale Verbreitung des Internets hat eine kontinuierliche tief greifende Veränderung vieler Bereiche der Gesellschaft bewirkt. Sowohl im privaten wie im beruflichen Alltag ist für viele Mensche der Umgang mit modernen Informationsmedien bereits zur Gewohnheit geworden. Dabei hat sich das Internet mit seinen Möglichkeiten vom reinen Informationsmedium hin zum Werkzeug entwickelt. In der Geschäftswelt musste die erste sicherlich überzogene e-commerce-euphorie inzwischen der wirtschaftlichen Realität weichen. Dennoch haben sich in vielen Bereichen die Kerngeschäftsprozesse verändert. Vor allem die schnellere und wesentlich effizientere Kommunikation zwischen den Unternehmen bildete die Grundlage für viele Optimierungsansätze gegenwärtiger Diskussionsthemen in der Supply Chain. Deren Grundproblematik ist dabei nicht neu. Zu finden ist ein gesamtwirtschaftliches Optimum aus Kapitalbindung durch Lagerbestand und Investition an Betriebsmitteln und aus effizienter Gestaltung der Warenbeschaffung, Produktion, Lagerhaltung und Versand. Dabei bildet die Losgröße in allen Bereichen den entscheidenden Parameter. 1.1 Problemstellung Durch die effizientere Kommunikation innerhalb und zwischen den Unternehmen wurde die Grundlage für eine Verringerung der Losgrößen sowohl in der Produktion als auch im Versand geschaffen. Ergebnis daraus ist in vielen Fällen die so genannte Atomisierung, also die Verringerung der Losgröße bis auf den Minimalwert eins. Bei Lagersystemen ist allerdings aus Gründen der Wirtschaftlichkeit die Umverpackung nach wie vor die kleinste sinnvolle Lagereinheit. Durch die geringeren Sendungsgrößen folgt hieraus ein erhöhter Stellenwert der Kommissionierung in der Intralogistik. Um diesen Anforderungen zu begegnen, ist vor allem im Umfeld des e-commerce, in dem die Flexibilität höchste Priorität besitzt, die Automatisierung kein Allheilmittel. Dies liegt vor allem daran, dass beim Griff in die Kiste der Mensch derzeit nach wie vor nicht mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand ersetzbar ist. Die wirtschaftlichste Variante bei der Konzeption von Kommissio- 1

14 1 Einleitung niersystemen ist deshalb in vielen Fällen ein optimales Zusammenwirken von Menschen als Picker und Maschinen als Bereitsteller. Zur Bewältigung dieser Anforderungen speziell bei der Kleinteilekommissionierung kommen sehr häufig automatische Kleinteilelager (AKL) zum Einsatz. Deren entscheidende Leistungskenngröße ist im Umfeld der Kommissionierung die Durchsatzleistung. Bei den Geräteherstellern sind diesbezüglich seit einigen Jahren zwei Trends erkennbar: Zum einen versucht man hochdynamische Geräte zu entwickeln. Hohe Beschleunigungswerte und Maximalgeschwindigkeiten haben direkten Einfluss auf die zu erwartende Durchsatzleistung. Bei dem im Bereich der Kleinteilelagerung bereits erreichten hohen Niveau ist dieser Effekt relativ gering. Außerdem wird hierdurch ein Zielkonflikt generiert, da höhere Dynamik höhere Steifigkeiten durch höhere Massenträgheiten bedingt. Ein Lösungsansatz ist dabei der Einsatz von neuen leichten Werkstoffen, wie z.b. Faserverbund. Dies ist aber bislang nur bedingt wirtschaftlich. Zum anderen ist immer häufiger, vor allem im Bereich der Lagerung von Kleinteilen, der Einsatz von doppeltiefer Lagerung und Mehrfachlastaufnahmemitteln zu beobachten. Durch die höheren bewegten Massen durch schwerere Lastaufnahmemittel und Regalbediengeräte ist zwar eine geringere Gerätedynamik möglich, man erzielt jedoch eine Steigerung der Durchsatzleistung dadurch, dass pro Arbeitsspiel mehrere Ladeeinheiten aus- bzw. eingelagert werden können. Durch den Einsatz dieser Lagertechniken sind darüber hinaus im Vergleich zu einfachtiefen Lagern mit Einfachlastaufnahmemitteln andere Lagerstrategien möglich. Vor allem die mögliche gleichzeitige Einlagerung mehrerer Lagereinheiten in benachbarte freie Lagerplätze ergänzen die lagerstrategischen Optimierungsmöglichkeiten. Zur Berechnung der Durchsatzleistung im Rahmen der Dimensionierung in der Planungsphase eines Lagersystems werden die mittleren Spielzeiten der Arbeitsspiele benötigt. Dabei greift man meist auf die Vorgaben der FEM-Richtlinie zurück. Dieses Vorgehen ist aufgrund ihres stark eingeschränkten Geltungsbereichs vor allem im Bezug auf die angesprochenen Anlagen mit aufwendigen Lastaufnahmemitteltechniken bei Kleinteilelagern nur für rechtliche Vereinbarungen und Abnahmeprozeduren zwischen Herstellern, Planern und Anwendern sinnvoll. Die verbreitete Nutzung der Richtlinie für Planungszwecke als Auslegungsmethoden ist umso verwunderlicher, da Überdimensionierungen durch die meist sehr hohen Investitionskosten 2

15 1.1 Problemstellung auf dem Gebiet der Lager- und Kommissioniertechnik zu vermeiden sind. Für eine sinnvolle Leistungsdimensionierung, in der die in der Planungsvariante verwendete Lagertechnik und lagerstrategische Aspekte berücksichtigt werden, sollte sie deshalb nur die Grundlage bilden. In Abb. 1.1 sind alle Größen aufgezeigt, die auf den Durchsatz automatischer Kleinteilellager Einfluss nehmen. Lagerabmessungen: Länge Höhe Kinematik RBG: Geschwindigkeit Beschleunigung Lagertiefe: einfachtief doppeltief Durchsatz Lastaufnahmemittel einfach mehrfach (bis 3) Lagerstrategie Lagerfüllungsgrad Abb. 1.1: Einflussgrößen auf den Durchsatz automatischer Kleinteilelager Für die zu erwartenden Leistungssteigerungen durch lagerstrategische Einflüsse für einfache automatische Lagertechniken stehen ausreichende Berechnungsgrundlagen zur Verfügung. Für komplexere Lagertechniken gibt es diese hingegen nur sehr begrenzt. Ein für Planungszwecke nötiger Vergleich verschiedener Lagertechniken und Lagerstrategien in Abhängigkeit der Einfluss nehmenden Parameter erfolgte bislang nicht. Der Einfluss von Mehrfacheinlagerungen wurde ebenfalls noch nicht quantifizierbar analysiert. 3

16 1 Einleitung 1.2 Ziel der Arbeit Das Internet hat den weltweiten Datenaustausch in kürzester Zeit zur Realität werden lassen und die Verbreitung des e-commerce ermöglicht. Ein Ziel dieser Arbeit ist ein realistisches Bild der dadurch entstandenen Veränderungen und Auswirkungen für verschiedene Bereiche der Logistik aufzuzeigen. Dies wird für das Gebiet der Lagerund Kommissioniertechnik konkretisiert und speziell für den Bereich der automatischen Lagerung von Kleinteilen dargestellt. Es wird gezeigt, warum das automatische Kleinteilelager (AKL) insgesamt an Bedeutung gewinnt und welche AKL- Systeme vermehrt zum Einsatz kommen. Eine Erkenntnis hieraus ist der vermehrte Einsatz von Mehrfachlastaufnahmemitteln und der doppeltiefer Lagerung. Dadurch werden für die aus der Anzahl der Lastaufnahmemittel und der Lagertiefe kombinierbaren Lagerkonfigurationen neue Lagerstrategien ermöglicht. Diese werden in dieser Arbeit erläutert. Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Herleitung einer Methode zur Berechnung der Durchsatzleistung von komplexen automatischen Kleinteilelagern, die sowohl Auswirkungen der Lagerkonfiguration aus Lastaufnahmemitteln und Lagertiefe als auch der Lagerstrategie mit einbezieht. Um diese komplexen Lagertechniken und Lagerbetriebsstrategien bei Lagerplanungen berücksichtigen zu können und ihre Auswirkungen auf die Durchsatzleistung zu quantifizieren, werden die Spielzeitkomponenten der entsprechenden Arbeitsspiele zusammengestellt. Dazu dienen zum einen bekannte Berechnungsmethoden einfacher Lagertechniken, die für komplexe Lagertechniken modifiziert werden. Zum anderen werden neue analytische Berechnungsgrundlagen zur Erfassung der Einflüsse von Mehrfacheinlagerungen geschaffen und in die Methodik miteingebunden. Damit entsteht eine analytische Berechnungsgrundlage für Durchsatzleistungen einfach- und doppeltiefer automatischer Kleinteilelager für ein bis drei einfach- oder doppeltiefer Lastaufnahmemittel. Diese Berechnungsgrundlage schließt außer den verschiedenen Lagertechniken praxisrelevante Lagerbetriebsstrategien automatischer Kleinteilelager im Umfeld der Kommissionierung mit ein. 4