Simulation in Produktionsplanung und Betriebsorganisation (Vortrag zum 10-jährigen Jubiläum des FH-Standortes Wolfsburg)

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1 Simulation in Produktionsplanung und Betriebsorganisation (Vortrag zum 10-jährigen Jubiläum des FH-Standortes Wolfsburg) Prof. Dr.-Ing. Joachim Ihme 1. Einleitung Die Simulation hat seit etwa 50 Jahren Einzug in alle Bereiche der Technik gehalten. Es begann mit der Simulation des dynamischen Verhaltens von Systemen auf dem Analogrechner. Seit knapp 30 Jahren werden Digitalrechner in der Simulationstechnik verwendet, wobei zunächst die Simulation des Verhaltens eines Produktes (z.b. Flugzeug, Schiff, Fahrzeug...) im Vordergrund stand. Entsprechende Techniken sind heute soweit entwickelt, daß Festigkeits- und Schwingungsanalysen, Crashabläufe, Strömungsvorgänge und Wärmeübertragung simuliert werden können. Es ist zu erwarten, daß zukünftig z.b. auch Verbrennungsvorgänge im Motor oder die A- kustik eines Fahrzeugs im Digital Mock-up mit hoher Übereinstimmung zum Versuch vorausberechnet werden können. 2 = K C A K A H ) = C A 8 A H C A E? D L A F JA > A H F H BK A H 2 = K C I C H = C A F JE EA H K C L H D A A H ) = C A ) K B@ A? K C L 5? D M =? D I JA A ) > I E? D A H K C L 1 L A I JEJE I A JI? D A E@ K C A 2 H A I JA K A H K C. A I J A C K C A E A H F JE = A ) K BJH = C I H A ED A B C A ) > I E? D A H K C L 7 F = K C A Bild 1: Simulation in Produktionsplanung und Betriebsorganisation Auch in der Produktionsplanung und in der Betriebsorganisation hat sich die Simulationstechnik seit etwa 20 Jahren etabliert (Bild 1). Hier besteht z.b. bei der Planung neuer Produktionsanlagen das Problem, dass Planungsvarianten nicht im Versuch verglichen werden können. Auch wenn bei vorhandenen Anlagen Schwachstellen wie fehlende Kapazität durch Engpässe oder ungenügende Verfügbarkeit auftreten, sind Versuche schlecht möglich. Die Simulationstechnik ist hier in der Lage, mit vertretbarem Aufwand entsprechende Fragen zu beantworten. Simulationssysteme für Anlagenplanung, Produktionsplanung, Logistik und Betriebsorganisation werden heute am Markt in großer Zahl angeboten. Das Institut für Fahrzeugbau Wolfsburg hat zwei Systeme im Einsatz: DOSIMIS-3 und SIMPLE++. Über eine Anwendung des erstgenannten Systems wird hier berichtet.

2 2 2. Aufgabenstellung und Simulationsmodell Aufgabe war, die Fertigungsdurchlaufzeiten für ein Teilespektrum (mechanisch zu bearbeitende Teile) in einer Werkstattfertigung sowie in Fertigungsinseln zu simulieren und zu vergleichen. DOSIMIS-3 wendet die zeitdiskrete Simulation an, d.h. die Zustände eines Systems werden zu festen Zeitpunkten in kleinen Zeitschritten berechnet. Die Komplexität des Modells sowie der zu simulierende Zeitabschnitt (Stunden, Tage, Wochen...) und natürlich die Leistungsfähigkeit des eingesetzten Rechners bestimmen dabei die Rechenzeit. Auswertungen der Rechenergebnisse sind im System selbst und mit Hilfe von z.b. MS-Excel möglich. 3 K = EJ JI I E? D A H K C 2 K BBA H F = J. A H JEC JA E A ) H A E A 5? D A EBA. H I A 0 H JA 2 K BBA H F = J 4 D JA E A K I? D A E@ A, H A D A * D H A 2 = K I A H = K A EI JA H > H, K H? D = K BA E A I * A EI F EA JA E I Bild 2: Layout einer Werkstattfertigung Das Layout der zu simulierenden Werkstatt zeigt Bild 2. Wie üblich sind die Arbeitsplätze nach dem Verrichtungsprinzip angeordnet. Dadurch ergibt sich ein komplexer Materialfluss, weil ein Teil mehrere Arbeitsplätze bis zur Fertigstellung durchlaufen muß. Hohe Rüstzeiten zwingen meist zur Bildung von Bearbeitungslosen.

3 3 ) 6 A E, K H? D = K B A EJ) K BJH = C J= C A 6 A E A C A! " # 4 I JA EA C A. H EA C A * A = H > A EJA N =? D * A = H A H L H * A = H > 4 * A = H > A E JA O * > A H C = C I A EJ, K H? D = K B A EJ) H > A EJI L H C = C I ) K BJH = C I A EJ 6 A E 6 A E 6 A E I C H A A EJ + > A H C = C I A EJ- E D A EJ EJJ A H A, K H? D = K B A EJ- E D A EJ Bild 3: Durchlaufzeiten von Losen und Mengeneinheiten * A = H > A EJK C I A EJ - E D A EJ Daraus und durch Liege- und Transportzeiten ergeben sich erfahrungsgemäß lange Durchlaufzeiten für die Teile, Bild 3. Die reine Bearbeitungszeit macht bei Werkstattfertigung oft nur drei bis fünf Prozent der Durchlaufzeit aus. 3 K = EJ JI I E? D A H K C 5? D A EBA 0 A * D H A 0 H JA 3 K A A 4 D JA E A * = K I JA E * A = H > A EJK C I I J= JE * = K I JA E 5 J= K I JH A? A * = K I JA E A / > = A H 5 O I JA K I 4 D JA E F K BBA H * = K I JA E 8 A H JA E M = C A. A H JEC JA E F K BBA H 5 A A. A H JEC JA E A * = K I JA E 5 J H K C 2 = K I A * = K I JA E K I = A B D H A A A J K I? D A E@ A ) H A E A, H A D A. H I A Bild 4: Simulationsmodell einer Werkstattfertigung

4 4 In Bild 4 ist das Simulationsmodell für die Werkstatt dargestellt. DOSIMIS-3 ist für die Simulation von Taktfertigungen (Fließprinzip) entwickelt worden. Die Darstellung einer Werkstattfertigung ist deshalb nur mit Tricks möglich. Grundsätzlich arbeitet DOSIMIS-3 bausteinorientiert, d.h. das Simulationsmodell wird aus bestimmten Bausteinen aufgebaut, denen die Eigenschaften der vorhandenen realen Anlagen zugewiesen werden. Bausteine sind z.b. Bearbeitungsstationen, Puffer/Läger, Staustrecken, Zusammenführelemente usw. Über den Baustein Störung/Pausen werden z.b. Schichtzeiten und Arbeitspausen gesteuert. Die Bausteine Globaler System- Zustand dienen hier zur Realisierung der Arbeitssteuerungsstrategie, d.h. der Einlastung der Teilefertigungsaufträge (Lose). Der in der Werkstatt zum Transport der Behälter verwendete Gabelstapler (unstetiges Fördermittel) wird im Modell durch den Baustein Verteilwagen dargestellt. 3. Ergebnisse Zur Simulation wurden für ein fiktives Spektrum mechanisch zu bearbeitender Teile Arbeitspläne mit Bearbeitungsfolgen, Rüstzeiten und Bearbeitungszeiten je Einheit erstellt. Dann wurden Fertigungsaufträge zu diesen Teilen mit unterschiedlichen Losgrößen generiert.! 8 D ) H > A EJI E D = J, K H? D = K B A EJ) K BJH = C # - E = I JK C. A H JEC I JA K C! " # $ * 6 % A EJ Bild 5: Simulation einer Werkstattfertigung: Gleichzeitige Einlastung aller verfügbaren Aufträge Bild 5 zeigt das Ergebnis einer ersten Simulation, bei der alle Aufträge gleichzeitig eingesteuert wurden. Über der Zeitachse (in Betriebskalendertagen) ist der Arbeitsinhalt, d.h. die Belastung der Werkstatt in Vorgabestunden zu sehen. Da alle Aufträge gleichzeitig eingesteuert wurden, liegt zum Zeitpunkt T=0 eine Belastung vor, die dem Mehrfachen der Kapazität entspricht, und die nur sukzessive unter Beach-

5 5 tung der im Arbeitsplan vorgegebenen Reihenfolge abgearbeitet werden kann. Der erste Auftrag ist nach rd. zehn Tagen fertiggestellt, Auftrag Nr. 15 z.b. nach rd. 34 Tagen, und der letze Auftrag ist erst nach etwa 62 Tagen beendet. Die Steuerung einer Werkstatt wird hier schwierig, weil die Durchlaufzeiten der Aufträge sehr stark streuen. In der Praxis ist in einer solchen Situation ein zu frühes Einsteuern der Aufträge zu beobachten, weil der Arbeitssteuerer über die zu erwartende Durchlaufzeit unsicher ist, und demzufolge möglichst frühzeitig einsteuert, um den vorgesehenen Endtermin in jedem Fall halten zu können. Dadurch erhöht sich aber auch der Auftragsbestand in der Werkstatt, was wieder zu einer höheren Streuung der Durchlaufzeiten führt. Man spricht hier auch vom Teufelskreis der Werkstattsteuerung. An der Uni Hannover entstand deshalb die Idee des sog. Trichtermodells, Bild 6: Ein Flüssigkeitsteilchen wird um so länger beim Lauf durch einen Trichter benötigen, je höher der Füllstand des Trichters ist. Da ein Arbeitsplatz bzw. eine Maschine nur begrenzte Kapazität besitzt, hängt analog die Durchlaufzeit vom Bestand an wartenden Losen vor der Maschine ab. Zur Reduzierung der Durchlaufzeit ist also eine Beschränkung des Bestandes an wartenden Losen vor einer Maschine notwendig. Zu beachten ist, dass bei einer Werkstatt mehrere Trichter miteinander verbunden sind, Bild 7. = A I A * A = I JK C D * 6. H A EC = > A H ) K BJH C A, H A D L = K J = J 4 A L L A H, H A D = I? D E A * A I D M = H A I A EJJ, K H? D = K B A EJ * 6 * A I A EI JK C, H A D D = > = K J = J. H I = I? D E A +. H I = I? D E A = F = EJ J D * 6. A H A D = I? D E A - JC H = JK C I A E H E? D JK C * D H = I? D E A > A H B? D A > A D K C A EI JK C D * 6 = > C A BA H JEC JA I A C A K J JA = F = EJ J Bild 6: Trichtermodell eines Arbeitsplatzes ) > EA BA H K A H ) K BJH C A 9 A H I J= JJ Bild 7: Trichtermodell einer Werkstattfertigung

6 6 5? D H = A = ) 2 > A H I? D H EJJA ) K BJH = C M E? D J A D H A E C A = I JA J ) K BJH = C ) 2 ) 2 ) 2! ) 2 " ) K BJH = C / A I = J> A = I JK C / A I = J> A = I JK C I I? D H = A * A = I JK K H? D ) K BJH = C = F = EJ A H 2 = F A H A * A = I JK K H? D ) K BJH = C ) 2 ) 2 ) 2! ) 2 " Bild 8: Prinzip der Belastungsschranke ) 2 ) 2 ) 2! ) 2 " * A = I JK C L H - E I JA K A H K C L ) K BJH = C ) H > A EJI F J A Hieraus entstand das Prinzip der Belastungsorientierten Auftragsfreigabe nach Bild 8: Es werden an der Engpassmaschine nur so viele Aufträge eingesteuert, bis eine sog. Belastungsschranke von z.b. 200% der Kapazität erreicht ist; d.h., der Arbeitsinhalt der vor der Engpassmaschine wartenden Aufträge für diese Maschine ist doppelt so groß wie die Kapazität z.b. an einem Arbeitstag. Dieses Prinzip der Belastungsorientierten Auftragsfreigabe wurde nun im Simulationsmodell der Werkstatt im Baustein Globaler Systemzustand abgelegt und eine Simulation durchgeführt.

7 7! 8 D ) H > A EJI E D = J EJJ A H A, K H? D = K B A EJ - E = I JK C. A H JEC I JA K C! " # $ * 6 % Bild 9: Simulation der Durchlaufzeiten; Belastungsorientierte Auftragsfreigabe Das Ergebnis in Bild 9 zeigt, dass die Durchlaufzeit der Aufträge jetzt nur noch gering schwankt, nachdem das System bis zur Belastungsschranke aufgefüllt wurde (siehe die ersten acht Aufträge). Damit sind, wie oben gesagt, die Randbedingungen einer erfolgreichen Steuerung besser erfüllt. A EJ

8 8 Als weitere Simulation sollen jetzt die Durchlaufzeiten in einer nach dem Fertigungsinselprinzip umstrukturierten Fertigung untersucht werden. 0 = > A K C A 0 E BI * A JHEA > I I J BBA 8 HHE? D JK C A 9 A H A K C A 2 H B EJJA A 2 H BF = J 4 A? D A H = I? D K / = > A I J= F A H 5? D A EB = I? D E A 5 C A * D H = I? D E A Bild 10: Layout einer Fertigungsinsel, HA D = I? D E A. H I A Bild 10 zeigt ein mögliches Layout einer Fertigungsinsel mit den wesentlichen Vorteilen gegenüber der Werkstattfertigung: Alle zur Bearbeitung einer Teilefamilie notwendigen Maschinen werden örtlich zusammengefasst, einschließlich von Einrichtungen zur Disposition, zur Qualitätssicherung, zum Transport und zum Lagern von Teilen und Werkzeugen. Ziele sind die Verringerung von Durchlaufzeiten sowie die Vereinfachung der Steuerung (die Mitarbeiter der Insel übernehmen einen wesentlichen Teil der Disposition und Steuerung). Das in der Werkstattfertigung betrachtete Teilespektrum wurde jetzt anhand der Arbeitspläne in Teilefamilien (Teile mit gleichartigen Arbeitsfolgen) strukturiert. Anstelle der Werkstatt wurden Simulationsmodelle für drei Fertigungsinseln erstellt und die Simulation des bereits betrachteten Auftragsvorrats erneut angestoßen. Das Ergebnis zeigt Bild 11:

9 9! 8 D ) H > A EJI E D = J - E = I JK C. A H JEC I JA K C 9 A H I J= JJ. A H JEC I JA K C 1 I A. A H JEC I JA K C 1 I A I JA E K C! " # $ * 6 % Bild 11: Gesamtvergleich Werkstattfertigung - Fertigungsinsel Gegenüber der Durchlaufzeit bei belastungsorientierter Steuerung der Werkstatt ergeben sich nur geringe Durchlaufzeitverkürzungen (in Bild 11 zu erkennen: Fertigstellung Werkstatt durch Quadrat, Fertigstellung Insel durch Dreieck gekennzeichnet). Dieses Ergebnis ist begründet durch die Einsteuerung von Losen auch in die Inselfertigung. Dadurch ergeben sich nur geringe Zeitvorteile, die allein durch verkürzte Transportwege zu erklären sind. Da die Teile eines Loses auch in der Insel vor bzw. nach der Bearbeitung warten, bis alle Teile des Loses bearbeitet sind, ergibt sich kein wesentlicher Durchlaufzeitvorteil. Grundsätzlich wird mit der Fertigungsinsel aber auch das Ziel verfolgt, bedarfsgerecht zu den Anforderungen nachgelagerter Produktionseinheiten bzw. der Kunden zu produzieren. Über rüstzeitoptimierte Maschinen soll auch in kleinsten Stückzahlen wirtschaftlich produziert werden können. Um dies bei der Simulation zu berücksichtigen, wurden für die Fertigungsinseln die Lose zehnfach unterteilt. Damit findet eine überlappte Fertigung statt, d.h. nachdem jeweils ein Zehntel des Loses bearbeitet ist, erfolgt die Weitergabe des Teilloses an die nächste Maschine. Wie Bild 11 zeigt, verkürzen sich dadurch die Durchlaufzeiten erheblich. In der Werkstattfertigung ist mit derselben Vorgehensweise ein ähnliches Ergebnis zu erreichen, allerdings führt die Losteilung bzw. die überlappte Fertigung hier zu wesentlich mehr Steuerungs- und Transportaufwand, so dass dies in der Praxis bei Werkstattfertigung meist nur bei Terminverzug einzelner Aufträge angewendet wird. Die Rüstkosten steigen bei Losteilung an. A EJ

10 10 4. Zusammenfassung Die Simulationstechnik wird heute im gesamten Produktentstehungs- und Produktionsprozess angewendet. Hier wird über den Einsatz des Simulationssystems DOSI- MIS-3 beim Vergleich von Werkstatt- und Inselfertigung berichtet. Die Simulation bestätigt die Praxisergebnisse aus der Werkstattsteuerung: Große Auftragsbestände führen zu langen Durchlaufzeiten mit großen Streuungen; die Belastungsoriente Auftragsfreigabe senkt Durchlaufzeiten und deren Streuung. Für eine Inselfertigung ergeben sich bei Beibehaltung der Bearbeitung in Losen nur geringe Durchlaufzeit-Verbesserungen aufgrund kürzerer Transportwege. Kleinere Lose verkürzen aber die Durchlaufzeit. Das System DOSIMIS-3 wurde im Institut für Fahrzeugbau erstmalig zur Simulation einer Werkstattfertigung eingesetzt, nachdem es mehrfach für die Simulation von Taktfertigungen verwendet wurde. Das System ist dafür grundsätzlich geeignet; allerdings lassen sich Fertigungen nach dem Verrichtungsprinzip nur mit einigen Tricks und Einschränkungen simulieren. 5. Schrifttum Reichelt, W.; Objektorientierte Simulation von Fertigungssystemen Warnecke, K. Diplomarbeit am IFBW, Wolfsburg (1992) Bogedain, A.; Objektorientierte Simulation von Serienfertigungen Römermann, M. Diplomarbeit am IFBW, Wolfsburg (1992) Sander, J.; Schmidt, D. Werner, T. Berger, M. Programmierung einer Fertigungsstraßensimulation mit Objectworks\Smalltalk Diplomarbeit am IFBW, Wolfsburg (1993) Simulation des Fahrzeugdurchsatzes pro Tag vom Rohbau bis zur Montagelinie für das Werk Mosel II Studienarbeit am IFBW, Wolfsburg (1993) Simulation einer Werkstattfertigung Studienarbeit am IFBW, Wolfsburg (1996) Hoppe, M.; Simulation des FTS-Auspunktkurses in der Halle 2a Selke, D. Studienarbeit am IFBW, Wolfsburg (1997) Aue, H.; Simulation einer Rohbaufertigung Wosnitza, C. Diplomarbeit am IFBW, Wolfsburg (1997) Selke, D. Bischoff, B. Wiendahl, H.-P. Materialflusssimulation einer komplexen Karossenfertigung Diplomarbeit am IFBW, Wolfsburg (1998) Untersuchung einer Werkstattfertigung und einer Inselfertigung durch Simulation Diplomarbeit am IFBW, Wolfsburg (1998) Betriebsorganisation für Ingenieure 4. Aufl., Carl Hanser Verlag, München/Wien (1997)