Beschreibung des Kleinteileproduktion Demo Modell für Tecnomatix Plant Simulation März 2014

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1 Beschreibung des Kleinteileproduktion Demo Modell für Tecnomatix Plant Simulation März 2014

2 Inhaltsverzeichnis 1 Beschreibung Zielsetzung Durchführung Überblick über die Studie Systemparameter Objekte des Simulationsmodells Mit dem Simulationsmodell arbeiten Die optimale Anzahl Paletten herausfinden Den Engpass finden Neues Layout Werkerauslastung Zusammenfassung Optimierung des Energieverbrauches i

3 1 Beschreibung Dieses Modell zeigt ein Produktions- und Montage-System mit einem palettenbasierten Transportsystem. Die Fertigung enthält manuelle und automatische Arbeitsplätze. Ein Produkt pro Palette läuft durch das System und wird an den Arbeitsplätzen mit der entsprechenden Bearbeitungszeit bearbeitet. Jede Station hat ihre Bearbeitungszeit sowie eine gewisse Verfügbarkeit; die manuellen Stationen benötigen einen Werker zur Bearbeitung. Das Modell wurde mit Plant Simulation Grundobjekten erstellt. Diese Objekte wurden so eingesetzt und miteinander verbunden, dass sie dem Layout der realen Produktion entsprechen. 1.1 Zielsetzung Die Zielsetzung ist die Optimierung der Anzahl der Paletten und der Pufferplätze um den Durchsatz zu maximieren. Deshalb zeigt dieses Modell, wie diese beiden typischen Probleme, die jeder Ingenieur hat, gelöst werden. 1. In einem realen Produktionssystem gibt es mehrere zu optimierende Werte (z.b. den Durchsatz zu maximieren und die Durchlaufzeit zu minimieren) und mehrere Parameter, die Sie ändern können (z.b. Kapazitäten, Logik, Layout). In den meisten Fällen beeinflussen manche Parameter andere Parameter. Wenn Sie etwa die Kapazität der Puffer herabsetzen, könnte sich auch die optimale Anzahl der Paletten verringern. Dies führt dazu, dass Sie Experimente für alle möglichen Kombinationen von Werten für diese Parameter durchführen sollten, um das optimale Ergebnis zu finden. Normalerweise ist dies nicht möglich. Der Experimentverwalter in Plant Simulation kann dieses Problem lösen, indem er eine bestimmte Anzahl von Simulationsläufen selbständig durchführt. 2. Einige Werte in einem realen System weisen zufälliges Verhalten auf, z.b. der Zeitpunkt an dem eine Maschine gestört wird oder die Taktzeit manueller Operationen. In diesem Fall reicht es nicht aus, nur ein einziges Simulationsexperiment durchzuführen, weil die Ergebnisse dieses Simulationsexperiments auf den Zufallszahlen aus diesem einen Experiment aufbauen. Wenn Sie das gleiche Experiment mit anderen Zufallszahlen durchführen, resultieren daraus andere Ergebnisse. Wie können Sie also die Entscheidungen über ein mehrere Millionen Euro teures System von Simulationsexperimenten abhängig machen? Die Lösung besteht darin, mehrere Experimente mit unterschiedlichen Zufallszahlen durchzuführen und das Konfidenzintervall aus den Ergebnissen zu berechnen. Der Experimentverwalter in Plant Simulation kann Ihnen z.b. mit einer Vertrauenswahrscheinlichkeit von 90% sagen, dass der mittlere Durchsatz Ihres Systems im Bereich zwischen 45,2 und 45,5 Einheiten pro Stunde liegen wird. 2 Durchführung 2.1 Überblick über die Studie Starten Sie einen Simulationslauf im Netzwerk Assembly1, indem Sie die Schaltflächen Reset und Start im Modell klicken. Um die Simulation neu zu starten, klicken Sie zuerst auf Reset und dann wieder auf Start. Copyright 2014 Siemens Product Lifecycle Management Inc. 1

4 Abbildung 1: Schaltflächen zur Steuerung der Simulation Beobachten Sie den Simulationslauf. Auf der linken Seite werden Paletten in den Kreislauf eingeschleust. Die LoadStation in der linken oberen Ecke im Netzwerk lädt Teile auf die Paletten, ein Teil auf jede Palette. Dann bewegt sich die Palette über mehrere manuelle und automatische Arbeitsstationen. Wenn die Palette in eine manuelle Arbeitsstation eintritt, wird ein Werker aus dem Werkerpool zugewiesen. Auf der Station MS3 rechts werden Anbauteile an das Hauptteil montiert. Die Anbauteile kommen von der Station PreProduction. Doppelklicken Sie diese Station, um deren Inhalt zu betrachten. Plant Simulation erlaubt die hierarchische Strukturierung ihrer Produktion. Es gibt keine Limitierung der Anzahl der hierarchischen Ebenen. Auf der Förderstrecke F5 und F6 werden die Paletten mit dem Hauptteil zu weiteren Stationen transportiert. Unten im Kreislauf werden 40% der Paletten auf einen Querverschiebewagen geladen und passieren eine Teststation. Auf der Entladestation UnloadStation wird das Hauptteil von der Palette abgeladen und aus dem System ausgeschleust. Die Palette wird zur Beladestation LoadStation transportiert und dort mit dem nächsten Teil beladen. Abbildung 2: Das Modell Assembly1 Copyright 2014 Siemens Product Lifecycle Management Inc. 2

5 2.2 Systemparameter Einige Objekte sind auf dem gelben Hintergrund positioniert. Diese Objekte werden verwendet, um das Simulationsmodell zu parametrieren und zu steuern. Auf der linken Seite sehen Sie den Ereignisverwalter. Dieses Objekt steuert alle Ereignisse im Simulationsmodell. Es führt die Zeit mit und kontrolliert während des Simulationslaufes alle Aktivitäten in dem Modell. Das zweite Objekt ist ein AttributExplorer, genannt ManualParameters. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Objekt und wählen Sie Anzeigen im Kontextmenü aus. Dies öffnet eine Tabelle mit den interessierenden Attributwerten. Mit diesem Objekt ist es sehr einfach, mehrere Objekte in einem Simulationsmodell zu parametrieren. Hier sehen sie, dass wir die Normalverteilung verwendet haben, um die Bearbeitungszeit der manuellen Arbeitsplätze MS1 bis MS4 zu bestimmen. Die Verfügbarkeit aller Stationen wurde auf 98% gesetzt. Abbildung 3: Der AttributExplorer für manuelle Arbeitsplätze Das dritte Objekt ist der Attributexplorer AutoParameters. Ein Klick mit der rechten Maustaste öffnet das Kontext Menü, in dem sie Anzeigen auswählen. Sie sehen nun, dass wir die Gleichverteilungsfunktion die Berechnung der Bearbeitungszeiten für die Automatik-Stationen AS1 bis AS5 verwenden. Diese Stationen haben eine Verfügbarkeit von 99%.. Abbildung 4: Attribut Explorer für die automatischen Stationen Die weiteren Objekte werden später genauer erklärt. Copyright 2014 Siemens Product Lifecycle Management Inc. 3

6 Die Produktionslinie arbeitet in zwei Schichten. Dafür wurde der Schichtkalender ShiftCalendar eingesetzt. Mit einem Doppelklick öffnen Sie die Zeittabelle des Schichtkalenders. Abbildung 5: Schichtkalender Nur die manuellen Stationen sind dem Schichtkalender zugeordnet. Klicken Sie die Registerkarte Ressourcen, hier sehen Sie die zugeordneten Ressourcen. Abbildung 6: Dem Schichtkalender zugeordnete Ressourcen Die Werker für die manuellen Arbeitsplätze werden durch das Objekt WerkerPool erzeugt. Ein Doppelklick auf das Symbol des Objektes öffnet den Dialog. Drücken Sie die Schaltfläche Creation Table um die Tabelle der Werkerdefinition zu öffnen. Die erste Spalte zeigt das Klassenobjekt des Werkers, welches zur Erzeugung des Werkers während des Simulationslaufes verwendet wird. Dies ist hilfreich, wenn mehrere Werker mit unterschiedlichen Copyright 2014 Siemens Product Lifecycle Management Inc. 4

7 Fähigkeiten benötigt werden. Die zweite Spalte definiert, wie viele Werker erzeugt werden sollen und die dritte Spalte definiert die Schicht in der der Werker aktiv sein soll. Abbildung 7: Erzeugungstabelle des WorkerPool Beachten Sie, dass der Name in der Spalte Schicht mit dem Namen der Schicht im Schichtkalender übereinstimmen muss. 2.3 Objekte des Simulationsmodells Auf der linken Seite der Produktionslinie sehen Sie die Quelle StartPallets. Dieses Objekt erzeugt eine definierte Anzahl Paletten. Die Paletten werden entlang der Förderstrecke F0 transportiert. Eine weitere Quelle RawParts erzeugt die Rohteile für die Produktionslinie. Diese Teile werden auf die ankommende Palette geladen. Nachdem mehrere Bearbeitungsschritte durchlaufen wurden, kommt die Palette an der Station UnloadStation an. Die Produkte werden entladen und zur Senke FinishedParts gebracht. Die Senke sammelt statistische Daten des ankommenden Produktes und entfernt das Produkt aus dem Simulationsmodell. 3 Mit dem Simulationsmodell arbeiten 3.1 Die optimale Anzahl Paletten herausfinden Wir möchten die optimale Anzahl Paletten herausfinden, damit der Durchsatz des Systems maximiert wird. Dafür werden wir die Anzahl der Paletten verändern und für jeden Wert mehrere Simulationsläufe mit unterschiedlichen Zufallszahlen, damit wir statistisch vertrauenswürdige Werte erhalten, durchführen. Per Hand ist dies ein sehr arbeitsintensives Projekt. Deshalb bietet Plant Simulation den Experimentverwalter an, der diese Aufgabe für uns erfüllt. Doppelklicken Sie den Experimentverwalter PalletOptimization, um den Dialog zu öffnen. Copyright 2014 Siemens Product Lifecycle Management Inc. 5

8 Abbildung 8: Experimentverwalter Registerkarte Definition Klicken Sie auf der Registerkarte Definition die Schaltfläche Define Output Values. Eine Tabelle wird geöffnet, in der die Ergebniswerte stehen, die optimiert werden sollen. Klicken Sie auf die Schaltfläche Define Input Varaibles. Die Tabelle enthält die Parameter, die geändert werden sollen, um das Ergebnis zu optimieren. In beiden Tabellen können zusätzliche Beschreibungen der Attribute eingetragen werden, um diese verständlicher zu machen. Diese Beschreibungen werden in den Experimentauswertungen verwendet. Klicken Sie auf die Schaltfläche Define Experiments um die Tabelle mit den Werten für die Anzahl der Paletten zu öffnen. Der Wert neben Observations per Experiment definiert, wie viele Simulationsläufe mit unterschiedlichen Zufallswerten für jedes Experiment durchgeführt werden sollen. Copyright 2014 Siemens Product Lifecycle Management Inc. 6

9 Klicken Sie Reset und Start um den Experimentverwalter zu starten. Nach ein paar Sekunden wird ein Ergebnis-Bericht geöffnet. Die Seite Overview zeigt eine Tabelle, mit der Anzahl der Paletten und dem daraus resultierenden Durchsatz an. Die Seite Visualization bildet für jedes Experiment den resultierenden Durchsatz graphisch ab. Neben dem Mittelpunkt ist auch das Konfidenzintervall in Form eines Balkens dargestellt. Wie Sie sehen, steigt der Durchsatz der Produktionslinie mit steigender Anzahl Paletten. Aber ab einer bestimmten Anzahl Paletten ist die Steigerung nur noch sehr gering bzw. der Durchsatz nimmt wieder ab. In unserem Experiment scheint 35 Paletten eine vernünftige Anzahl zu sein, wie man Experiment 5 entnehmen kann. Zusammenfassung: Mit der Verwendung des Plant Simulation Experimentverwalters ist es einfach, mehrere Simulationsexperiment mit variierenden Zufallszahlen durchzuführen. Unterschiedliche Parameter-Werte können getestet werden, um den optimalen Wert für den Parameter zu finden. Copyright 2014 Siemens Product Lifecycle Management Inc. 7

10 3.2 Den Engpass finden Wir definieren nun die Anzahl der Paletten für unsere Produktionslinie. Mit einem Doppelklick auf die Variable Quantity wird deren Dialog geöffnet. Tragen Sie dort die Anzahl 35 ein. Starten Sie einen Simulationslauf. Sobald der Simulationslauf beendet ist, doppelklicken Sie das Objekt StationUtilization. Dies öffnet ein Balkendiagramm, welches die Auslastung aller Stationen anzeigt. Abbildung 1: Utilization chart of the stations Das Diagramm zeigt den prozentualen Zeitanteil an, während der eine Station arbeitend (grün) rüstend (braun) wartend (grau) blockiert (gelb) gestört (rot) gestoppt (rose) Copyright 2014 Siemens Product Lifecycle Management Inc. 8

11 war. pausiert (dunkelblau) ungeplant (hellblau) Das Diagramm zeigt an, dass die Stationen MS3, MS4 sowie AS2 einen gewissen Blockieranteil (gelb) aufweisen. Auf der anderen Seite sehen Sie, dass die meisten anderen Stationen einen Warteanteil (grau) aufweisen. Dies signalisiert, dass hier ein Engpass in der Abfolge der Stationen AS2, MS2, MS3 und MS4 ist. Doppelklicken Sie das Objekt BufferUsage, um ein Histogramm zu öffnen, welches den prozentualen Zeitanteil für eine bestimmte Pufferbelegung aufzeigt. Abbildung 2: Occupation of conveyors Sie werden bemerken, dass die Puffer F4 und F5 (gelb und türkis) häufig voll belegt sind. Auch dies deutet wieder auf einen Engpass an den Stationen MS3 und MS4 hin. Das Problem ist die direkte Kopplung der manuellen Station MS4 und der Automatik-Station AS3 Um das Problem zu lösen, setzen wir zwischen die beiden Stationen einen Puffer ein. 3.3 Neues Layout Öffnen Sie das Netzwerk Assembly2. Sie sehen einen Puffer B zwischen MS4 und AS3. Doppelklicken Sie das Symbol des Puffers, um seinen Dialog zu öffnen. Sie sehen eine Kapazität von 6 Paletten. Copyright 2014 Siemens Product Lifecycle Management Inc. 9

12 Abbildung 3: Dialog des Puffers Um die optimale Kapazität des Puffers zu ermitteln verwenden wir wieder den Experimentverwalter. Wir haben einen zweiten Experimentverwalter in das Modell eingesetzt. Bei diesem wird die Pufferkapazität als Eingabewert definiert und der Durchsatz der Produktionslinie als Ausgangswert. Nachdem die Experimente durchgeführt wurden, wird wieder der Ergebnisbericht geöffnet. Auf der Seite Overview sehen wir, dass die Kapazität von 10 ausreichend ist. Eine größere Kapazität des Puffers erhöht den Durchsatz nur noch geringfügig. Dies wird auch im Diagramm Evaluation deutlich. Das Diagramm steigt, aber es sind nur eine marginale Steigerungen von Experiment 6 bis Experiment 8. Copyright 2014 Siemens Product Lifecycle Management Inc. 10

13 4 Werkerauslastung Um die Auslastung der Werker zu sehen, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Objekt WorkerUtilization und wählen View Chart aus dem Kontext-Menü. Abbildung 4: Das Werkerkauslastungsdiagramm Das Diagramm zeigt den prozentualen Zeitanteil bei dem ein Werker war. arbeitend (grün) wartend (grau) pausiert (dunkelblau) ungeplant (hellblau) (in dieser Zeit war keine Schicht) Das Diagramm sagt aus, dass alle Werker eine hohe Auslastung haben, lediglich bei den Werkern Adjuster ist die Auslastung geringer. Copyright 2014 Siemens Product Lifecycle Management Inc. 11

14 5 Zusammenfassung Auch wenn ein Produktionssystem sehr einfach aussieht, kann es ein komplexes Verhalten aufgrund von stochastischen Werten zeigen. Selbst wenn zwei Stationen den gleichen Mittelwert der Bearbeitungszeit haben, kann die zweite Station zum Engpass werden, wenn die beiden Stationen unterschiedliche Zufallszahlen verwenden. Zusammenfassung: Plant Simulation stellt Werkzeuge zur Verfügung, mit denen Sie ihre Entscheidungen auf verlässliche Resultate stützen können. Plant Simulation stellt mehrere Werkzeuge bereit, die einfach zu handhaben sind. Diese Werkzeuge erlauben es Ihnen, Engpässe zu identifizieren und Ressourcen aufzudecken, die nicht optimal genutzt werden. 6 Optimierung des Energieverbrauches Nachdem nun der Durchsatz der Produktionslinie optimiert wurde, wollen wir nun den Energieverbrauch der Anlage untersuchen. Mit einem Doppelklick öffnen Sie den Dialog des Transportbandes F0. Selektieren Sie die Registerkarte Energy. Auf dieser Registerkarte kann der Energieverbrauch des Transportbandes eingestellt werden. Wenn das Transportband arbeitet, so verbraucht es 1 kw (Eingabefeld Working). Wenn die Geschwindigkeit des Transportbandes 0 ist, so verbraucht das Transportband 0.3 kw (Eingabefeld operational). Diese Einstellungen werden von dem Klassenobjekt Transportband geerbt. Öffnen Sie den Dialog des EnergyAnalyzer mit einem Doppelklick auf das Icon. Copyright 2014 Siemens Product Lifecycle Management Inc. 12

15 Wählen Sie die Registerkarte Objects um die Objekte hinzuzufügen, für die eine Energieanalyse gemacht werden soll. Um ein Objekt hinzuzufügen ziehen Sie das Objekt über das Icon des EnergieAnalyzer und lassen es dort fallen. Wenn Sie alle Objekte des Simulationsmodells hinzufügen wollen, verwenden Sie die Schaltfläche Add All. Wählen Sie dann die Registerkarte Settings. Markieren Sie das Kontrollkästchen Display Panel. Dies zeigt während des Simulationslaufes eine animierte Anzeigefläche unter dem Icon des EnergyAnalyzer. Die Anzeigefläche zeigt den kumulierten Energieverbrauch von allen zugewiesenen Ressourcen. Die zweite Zeile zeigt kumulierten Energieverbrauch von allen zugewiesenen Ressourcen während des Zustandes Operational. In der folgenden Zeile wird der aktuelle Energieverbrauch angezeigt und in der letzten Zeile wird der maximale Energieverbrauch angezeigt. Starten Sie einen Simulationslauf für die Dauer eines Tages. Die Produktionslinie hat einen gesamten Energieverbrauch von kwh, der aktuelle Energieverbrauch liegt bei 23.6 kw und der maximale Energieverbrauch liegt bei 46.0 kw. Im nächsten Schritt wollen wir den Energiebedarf reduzieren. Um dies zu erreichen, setzen wir die Geschwindigkeit der Transportbänder auf 0 wenn ein Transportband leer ist. Das Simulationsmodell enthält in der Mitte ein Objekt vom Typ Kontrollkästchen mit dem Namen Energy saving measures. Transportband befindet. Wenn Sie das Kontrollkästchen markieren, so wird bei jedem Transportband das Attribut Automatic stop auf true gesetzt. Damit halten die Transportbänder an, sobald sich kein Teil auf dem Starten Sie den Simulationslauf erneut und beobachten Sie die Anzeigetafel des EnergyAnalyzer. Bei diesem Simulationslauf erhalten wir einen gesamten Energieverbrauch von kwh. Das Anhalten der Transportbänder sobald sie leer sind hat den Energieverbrauch um kwh an einem Tag reduziert. Copyright 2014 Siemens Product Lifecycle Management Inc. 13

16 Der maximale Energieverbrauch während des Simulationslaufes wurde von 46 kw auf 41.8 kw reduziert. Dies ist beispielsweise wichtig, wenn eine neue Anlage geplant wird und der Leitungsquerschnitt für die Energieversorgung festgelegt werden muss. Öffnen Sie den EnergyAnalyzer und betätigen Sie die Schaltfläche Show bei dem Eintrag Visualization. Damit werden Kreise um die Objekte gezeichnet, die den Energieverbrauch des Objektes visualisieren. Die Farbe und die Dicke des Kreises sind wie unten dargestellt definiert. Betätigen Sie die Schaltfläche Show neben dem Eintrag Diagram of energy consumption um ein Balkendiagramm zu öffnen, welches den Energieverbrauch der ausgewählten Stationen anzeigt. Während des Simulationslaufes kann ein Plot des aktuellen Energieverbrauches dargestellt werden. Klicken Sie auf Show neben dem Eintrag Plot of power input um den Plotter zu öffnen. Copyright 2014 Siemens Product Lifecycle Management Inc. 14

17 Zusammenfassung: Plant Simulation stellt mächtige Werkzeuge bereit, um den Energieverbrauch Ihrer Anlage zu analysieren. Diese Werkzeuge ermöglichen Ihnen die Parameter des Energieverbrauches einfach zu definieren, den Hauptverbraucher zu identifizieren und Ihre Strategie zur Reduzierung des Energieverbrauches zu analysieren. Copyright 2014 Siemens Product Lifecycle Management Inc. 15

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