Modelling, Simulation and Optimization of Maintenance Strategies under Consideration of Logistic Processes

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1 Diss. ETH No Modelling, Simulation and Optimization of Maintenance Strategies under Consideration of Logistic Processes A dissertation submitted to the SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH for the degree of Doctor of Technical Sciences presented by DAVID ACHERMANN Dipl.Ing.Betr.u.Prod.ETH born 9 June 1979 citizen of Menznau LU - Switzerland accepted on the recommendation of Prof. Dr. W. Kröger, examiner Prof. Dr. U. Meyer, co-examiner 2008

2 Abstract Globalization has increased the pressure on organizations and companies to operate in the most efficient and economic way. This tendency promotes that companies concentrate more and more on their core businesses, outsource less profitable departments and services to reduce costs. By contrast to earlier times, companies are highly specialized and have a low real net output ratio. For being able to provide the consumers with the right products, those companies have to collaborate with other suppliers and form large supply chains. An effect of large supply chains is the deficiency of high stocks and stockholding costs. This fact has lead to the rapid spread of Just-in-Time logistic concepts aimed minimizing stock by simultaneous high availability of products. Those concurring goals, minimizing stock by simultaneous high product availability, claim for high availability of the production systems in the way that an incoming order can immediately processed. Besides of design aspects and the quality of the production system, maintenance has a strong impact on production system availability. In the last decades, there has been many attempts to create maintenance models for availability optimization. Most of them concentrated on the availability aspect only without incorporating further aspects as logistics and profitability of the overall system. However, production system operator s main intention is to optimize the profitability of the production system and not the availability of the production system. Thus, classic models, limited to represent and optimize maintenance strategies under the light of availability, fail. A novel approach, incorporating all financial impacting processes of and around a production system, is needed. The proposed model is subdivided into three parts, maintenance and failure module, logistics module and production module. This subdivision provides easy maintainability and simple extendability. Within those modules, all cost-effective processes are modeled. Main part of the work lies in the extended maintenance and failure module that offers a representation of different maintenance strategies but also incorporates the effect of over-maintaining and failed maintenance (maintenance induced failures). Order release and seizing of the production system are modeled in the logistics part. Due to iii

3 computational power limitation, it was not possible to run the simulation and the optimization with the fully developed production model. Thus, the production model was reduced to a black-box without higher degree of details. This model was used to run optimizations concerning maximizing availability and profitability of the production system by varying maintenance strategies but also logistics factors. Those optimizations showed that there is a stringent connection between production system availability and logistic decision variables. This finding is a strong indicator that a joint optimization of logistics and maintenance strategies provides better results than optimizing those elements independently and highlights the need for the proposed sophisticated model. Besides of the classic optimization criterion availability, the overall profitability of the production system was investigated using a life-cycle approach coming from preinvestment analysis. Maintenance strategy was optimized over the whole lifetime of the production system. It has been proved that a joint optimization of logistic and maintenance strategy is useful and that financial objective functions tend to be the better optimization criterion than production system availability. iv

4 Zusammenfassung Die Globalisierung der Märkte hat den Kostendruck auf die Unternehmen drastisch erhöht. Unternehmen wurden gezwungen, sich auf ihre Kernkompetenzen zu besinnen und haben begonnen, weniger profitable Unternehmensteile zu verkaufen und auszugliedern. Dadurch sank ihre Wertschöpfungstiefe und sie wurden gewzungen, sich mit anderen Unternehmen zu Wertschöpfungsketten zusammenzuschliessen. Mit der Anzahl der so verknüpften Unternehmen stieg auch die Menge der an Lager gehaltenen Güter, um die Versorgung der Endkonsumenten mit Produkten gewährleisten zu können. Dies hat zu einer schnellen Verbreitung von Just-in-Time Konzepten geführt, welche versuchen, diesem Widerspruch Rechnung zu tragen. Dieser Zielkonflikt bedingt eine hohe Verfügbarkeit der Produktionssysteme, damit eingehende Bestellungen umgehend bearbeiten werden können. Neben Design- und Konstruktionsaspekten sowie der Verarbeitungsqualität des Produktionssystems hat die Instandhaltung einen massgeblichen Einfluss auf die Verfügbarkeit. In den letzten Jahrzehnten entstanden viele Instandhaltungsmodelle mit dem Ziel, die Verfügbarkeit zu optimieren. Die meisten konzentrierten sich dabei ausschliesslich auf Verfügbarkeitsaspekte ohne weitere Einflussfaktoren wie Logistik oder Rentabilität des gesamten Systems zu berücksichtigen. Daher versagen die klassischen Modelle, welche ausschliesslich die Verfügbarkeit im Fokus haben. Dies bedingt eine neue Vorgehensweise, welche alle finanzwirksamen Prozesse im und um das Produktionssystem abbilden kann. Das vorgestellte Modell ist in drei Teile unterteilt, in ein Instandhaltungsmodul, in ein Logistikmodul und in einen Produktionsteil. Diese Unterteilung ermöglicht eine einfache Wartung und Erweiterung des Modells. Innerhalb der Module sind alle kostenwirksamen Prozesse abgebildet. Hauptteil der Arbeit liegt im erweiterten Instandhaltungsund Fehlermodell, welches die Darstellung von unterschiedlichen Instandhaltungsstrategien ermöglicht aber auch die Effekte von Über- und fehlgeschlagener Instandhaltung abbilden kann. Die Einlastung von Aufträgen ist im Logistikmodul modelliert. Wegen limitierter Rechenkapazität war es nicht möglich, die Simulationen und Optimierungen v

5 mit dem detaillierten Produktionsmodell durchzuführen. Daher ist das Produktionsmodell nicht weiter detailliert worden. Mit dem Modell wurden Optimierungen durchgeführt, um die Verfügbarkeit, die Rentabilität des Produktionssystems aber auch logistische Faktoren zu maximieren. Die Optimierungen haben gezeigt, dass ein Zusammenhang zwischen der Verfügbarkeit von Produktionssystemen und deren Logistik besteht. Diese Erkenntnis deutet darauf hin, dass eine gemeinsame Optimierung von Logistik und Instandhaltungsstrategien bessere Ergebnisse liefert als eine separate Optimierung und bekräftigt den Bedarf an höher entwickelten Modellen wie das vorgestellte. Neben dem klassichen Optimierungskriterium Verfügbarkeit wurde die Rentabilität des Produktionssystems über seine ganze Lebensdauer analysiert. Dazu wurde eine Methodik aus der Investitionsrechnung verwendet, und die Instandhaltungsstrategie wurde über die ganze Lebensdauer optimiert. Es konnte gezeigt werden, dass eine gemeinsame Optimierung von Instandhaltungsstrategien und Logistikprozessen sinnvoll ist, und finanzielle Zielfunktionen als Optimierungsfunktion besser geeignet sind als die Verfügbarkeit des Produktionssystems. vi