Generierung von Simulationsmodellen zur Ermittlung des Systemverhaltens von Shuttle-Systemen

Transkript

1 Generierung von Simulationsmodellen zur Ermittlung des Systemverhaltens von Shuttle-Systemen Vorgestellt von Thomas Kriehn, Hochschule Heilbronn 1

2 1 Einleitung Simulationsmodelle Shuttle-Systeme 2 Generierung und Anwendung Simulationsmodell Generierung eines Simulationsmodells Implementierte Lagerstrategien 3 Zusammenfassung und Ausblick 2

3 1 Einleitung Simulationsmodelle Shuttle-Systeme 2 Generierung und Anwendung Simulationsmodell Generierung eines Simulationsmodells Implementierte Lagerstrategien 3 Zusammenfassung und Ausblick 3

4 Simulationsmodelle im Bereich Materialfluss und Intralogistikplanung Häufiger Einsatz in der Planungsphase (Absicherung der Planung, Detailplanung) Wenn analytische Methoden die Fragestellung nicht hinreichend genau beantwortet werden können Häufig ist ein Simulationsmodell ein Unikat, das genau für ein bestimmtes System mit einer oder mehreren Fragestellungen entwickelt wurde Die Entwicklung von Simulationsmodellen mit Visualisierung der Prozesse ist häufig aufwendig, oft werden Simulationswerkzeuge eingesetzt Eine Generalisierung ist ebenfalls oft schwierig bzw. aufwendig 4

5 1 Einleitung Simulationsmodelle Shuttle-Systeme 2 Generierung und Anwendung Simulationsmodell Generierung eines Simulationsmodells Implementierte Lagerstrategien 3 Zusammenfassung und Ausblick 5

6 Shuttle-Systeme Gang- und ebenengebundenes Shuttle-System 6

7 Shuttle-Systeme Bildquelle: Knapp Bildquelle: Gebhardt-Fördertechnik 7

8 Shuttle-Systeme 8

9 1 Einleitung Simulationsmodelle Shuttle-Systeme 2 Generierung und Anwendung Simulationsmodell Generierung eines Simulationsmodells Implementierte Lagerstrategien 3 Zusammenfassung und Ausblick 9

10 Simulationsmodell Das Simulationsmodell bildet das beschriebene Shuttle-System mit zwei Behälterliften pro Gang ab Ermittlung des Grenzdurchsatzes, Annahme dass immer Aufträge zur Einund Auslagerung zur Verfügung stehen Shuttle-Fahrzeuge führen Doppelspiele aus, nach einer Einlagerung folgt eine Auslagerung Lifte führen Einzelspiele aus, ein Lift führt Einlagerungen aus, ein Lift führt Auslagerungen aus 10

11 Simulationsmodell Die Kapazität zur Ladeeinheitenaufnahme beträgt bei den Liften und den Shuttle-Fahrzeugen 1 Jeder Lagerplatz kann eine Ladeeinheit aufnehmen Die Kapazität der Pufferplätze je Ebene beträgt 1 Der Lagerfüllgrad beträgt 50 % Der Ruhepunkt eines Shuttle-Fahrzeugs nach der Bearbeitung eines Auftrags ist an der Position der Pufferplätze Parameter können variiert werden (Geschwindigkeit, Beschleunigung, Lastübergabezeit, Anzahl der Ebenen, Anzahl der Lagerplätze, Maße der Lagerplätze usw.) 11

12 Simulationsmodell Die Kapazität zur Ladeeinheitenaufnahme beträgt bei den Liften und den Shuttle-Fahrzeugen 1 Jeder Lagerplatz kann eine Ladeeinheit aufnehmen Die Kapazität der Pufferplätze je Ebene beträgt 1 Der Lagerfüllgrad beträgt 50 % Der Ruhepunkt eines Shuttle-Fahrzeugs nach der Bearbeitung eines Auftrags ist an der Position der Pufferplätze Parameter können variiert werden (Geschwindigkeit, Beschleunigung, Lastübergabezeit, Anzahl der Ebenen, Anzahl der Lagerplätze, Maße der Lagerplätze usw.) 12

13 Simulationsmodell Simulationsmodell, Simulationssoftware Automod V

14 1 Einleitung Simulationsmodelle Shuttle-Systeme 2 Generierung und Anwendung Simulationsmodell Generierung eines Simulationsmodells Implementierte Lagerstrategien 3 Zusammenfassung und Ausblick 14

15 Generierung eines Simulationsmodells Für die automatische Generierung eines Simulationsmodells wird folgendes Vorgehen gewählt: Entwickeln eines Basis-Modells mit festgelegten Parameterwerten. Eingabe der gewünschten Parameterwerte für das zu generierende Modell in eine Text-Datei. Einlesen der gewünschten Parameterwerte aus der Text-Datei mit der Software Matlab. Die Modell-Dateien des Basis-Modells mit der Software Matlab einlesen. Diese enthalten alle Referenzierungen auf Modellmaße, Anzahl der Komponenten im Modell usw. 15

16 Generierung eines Simulationsmodells Variation der Automod-Modell-Dateien durch einen dafür entwickelten Algorithmus. Erzeugen von Ausgabe-Dateien mit der geänderten Codierung. Ersetzen der Dateien des Basis-Modells durch die Ausgabe-Dateien. Speichern des Ausgabe-Modells. 16

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18 Generierung eines Simulationsmodells Der Algorithmus berechnet neue Lagerabmessungen auf Basis der Parameterwerte für die Visualisierung des Simulationsmodells und trägt diese und alle weiteren vorgegebenen Parameterwerte an den richtigen Stellen in der jeweiligen Datei des Simulationsmodells ein. Insbesondere die automatisierte Berechnung aller Haltepositionen für die Shuttle-Fahrzeuge (bis zu Positionen je nach Größe des Shuttle- Systems) und das richtige Eintragen auf den jeweiligen Ebenen ist sehr zeitsparend im Vergleich zu einer manuellen Änderung. 18

19 Shuttle-System mit 36 Ebenen Shuttle-System mit 12 Ebenen 19

20 Generierung eines Simulationsmodells Code-Beispiel Suche die 1. Zeile der Datei mit Schlüsselwort cp_1_. Alle Controlpoints beginnen mit dieser Bezeichnung 20

21 Generierung eines Simulationsmodells Code-Beispiel Controlpoint- Nummer wird in Textvariable überführt. Die Länge der Textvariable wird ermittelt (wieviele Ziffern enthält die Variable?). 21

22 Generierung eines Simulationsmodells Code-Beispiel Controlpoint-Nummer wird in Automod-Datei geschrieben Leerzeichen wird dahintergeschrieben (Jedes Zeichen der Automod-Datei muss stimmen) 22

23 Generierung eines Simulationsmodells Code-Beispiel Suche Schlüsselwort Pfad. Dahinter wird die Nummer der Ebene eingetragen (Pfad1 = Ebene 1) Nummeriere die Pfade entsprechend, so dass der Controlpoint der richtigen Ebene zugeordnet wird 23

24 Generierung eines Simulationsmodells Code-Beispiel Die Länge der Pfad- Textvariable wird ermittelt (wieviele Ziffern enthält die Variable?). Richtige Pfad-Nummer wird mit der richtigen Länge an der richtigen Stelle in der Automod-Datei eingetragen 24

25 Generierung eines Simulationsmodells Code-Beispiel Die Position des Controlpoints wird ermittelt Richtige Controlpoint-Position wird mit der richtigen Länge an der richtigen Stelle in der Automod-Datei eingetragen 25

26 1 Einleitung Simulationsmodelle Shuttle-Systeme 2 Generierung und Anwendung Simulationsmodell Generierung eines Simulationsmodells Implementierte Lagerstrategien 3 Zusammenfassung und Ausblick 26

27 Implementierte Lagerstrategien Chaotische Lagerplatzbelegung: Jeder Lagerplatz wird mit der gleichen Wahrscheinlichkeit für eine Einlagerung ausgewählt Durchsatzbasierte Lagerplatzbelegung: Bestimmte Lagerplätze werden häufiger (A-Zone) und andere seltener (B, C, oder mehr Zonen) zur Einlagerung ausgewählt. Die Parametrierung kann beliebig erfolgen, d. h. es können beliebig viele Lagerplätze einer Zone zugeordnet werden (Restriktion: Zonierte Lagerplätze <= Anzahl Lagerplätze pro Gangseite) und eine beliebige Zugriffshäufigkeit für jede Zone eingestellt werden (Restriktion: In Summe 100%). 27

28 Implementierte Lagerstrategien Die Anzahl der Zonen ist beliebig einstellbar. Die Lagerplätze können über eine Tabelle der entsprechenden Zone zugeordnet werden. Die Tabelle wird von Automod bei der Initialisierung des Modells importiert. 28

29 Implementierte Lagerstrategien Beispiel für Zonierungstabelle (Ausschnitt): Zone 1 (A-Zone) (= Ebenen Lagerplätze 29

30 1 Einleitung Simulationsmodelle Shuttle-Systeme 2 Generierung und Anwendung Simulationsmodell Generierung eines Simulationsmodells Implementierte Lagerstrategien 3 Zusammenfassung und Ausblick 30

31 Ausgangsgrößen zur Beschreibung des Systemverhaltens: Durchsatz, Spielzeit, Wartezeit und Nutzungsgrad der Fördermittel Sensitivitätsanalysen: Variation der Geschwindigkeit und der Lastübergabezeiten der Lifte Variation der Länge/Höhe eines Shuttle-Systems bei vorgegebener Lagerplatzanzahl pro Gang Auswirkung der Durchsatzbasierten Lagerplatzbelegung (Zonierung) auf das Systemverhalten 31

32 Ausgangsgrößen zur Beschreibung des Systemverhaltens: Durchsatz, Spielzeit, Wartezeit und Nutzungsgrad der Fördermittel Sensitivitätsanalysen: Variation der Geschwindigkeit und der Lastübergabezeiten der Lifte Variation der Länge/Höhe eines Shuttle-Systems bei vorgegebener Lagerplatzanzahl pro Gang Auswirkung der Durchsatzbasierten Lagerplatzbelegung (Zonierung) auf das Systemverhalten 32

33 Konstanten: Höhe Ebene = 0.4 m Breite Lagerplatz = 0.5 m Lagerfüllgrad = 50 %, Position E/A-Punkt = 1 m Schalt- und Positionierzeit Lifte und Shuttle-Fahrzeuge = 0.5 s 33

34 Variablen: Geschwindigkeit Lift = 1,2,3,4,5,6,7,8 m/s Lastübergabezeit Lift = 1,2,3,4,5,6,7,8 s Anzahl Ebenen = 8, 16, 24, 32, 40 Anzahl Lagerplätze = 250, 125, 83, 63, 50 Anzahl Ebenen und Lagerplätze sind so kombiniert, das der Vorgabewert Lagerplätze pro Gang = 4000 nahezu eingehalten wird. Bei Variation eines Parameters gelten folgende konstante Parameterwerte für die anderen Parameter: Geschwindigkeit Lift = 2 m/s, Lastübergabezeit Lifte = 2 s, Lastübergabezeit Shuttle-Fahrzeug = 4 s. 34

35 Ergebnisse: Durchsatz Lift bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten 35

36 Ergebnisse: Durchsatz Lift bei variablen Lastübergabezeiten 36

37 Ergebnisse: Durchsatz Lift bei variabler Geschwindigkeit 37

38 Ergebnisse: Spielzeit Lift bei variabler Geschwindigkeit 38

39 Ergebnisse: Wartezeit Shuttle-Fahrzeug, variable Liftgeschwindigkeit 39

40 Ergebnisse: Nutzungsgrad Shuttle-Fahrzeug, variable Liftgeschwindigkeit 40

41 Ergebnisse: Durchsatz Lift bei variabler Lastübergabezeit 41

42 Ergebnisse: Spielzeit Lift bei variabler Lastübergabezeit 42

43 Ergebnisse: Durchsatz Shuttle-Fahrzeug, variable Lastübergabezeit Lift 43

44 Ergebnisse: Durchsatz Shuttle-Fahrzeug, variable Lastübergabezeit Lift 44

45 Ergebnisse: Nutzungsgrad Shuttle-Fahrzeug, variable Lastübergabezeit Lift 45

46 Ausgangsgrößen zur Beschreibung des Systemverhaltens: Durchsatz, Spielzeit, Wartezeit und Nutzungsgrad der Fördermittel Sensitivitätsanalysen: Variation der Geschwindigkeit und der Lastübergabezeiten der Lifte Variation der Länge/Höhe eines Shuttle-Systems bei vorgegebener Lagerplatzanzahl pro Gang Auswirkung der Durchsatzbasierten Lagerplatzbelegung (Zonierung) auf das Systemverhalten 46

47 Ziel der Analyse: Aufzeigen des Optimierungspotentials durch die Durchsatzbasierte Lagerplatzbelegung Einfluss von Parameteränderungen auf den erzielbaren Durchsatz der jeweiligen Zonierung 47

48 Zonierungsvarianten Variationen der Lastübergabezeiten von Lift (= 1, 2, 6 s) und Shuttle- Fahrzeugen (=2, 4, 8 s) Variation der Beschleunigung von Lift (=2.5, 6 m/s 2 ) und Shuttle- Fahrzeugen (=2, 6 m/s 2 ) Variation der Geschwindigkeit von Lift (=2, 7 m/s) und Shuttle- Fahrzeugen (=2, 7 m/s) Shuttle-System mit 12 Ebenen und 200 Lagerplätzen je Ebene 48

49 Bei Variation der Parameter werden zur Vergleichbarkeit für die jeweils anderen Parameter folgende konstanten Werte gewählt: Beschleunigung Lift = 2.5 m/s 2 Beschleunigung Shuttle-Fahrzeug =2 m/s 2 Geschwindigkeit Lift =2 m/s, Geschwindigkeit Shuttle-Fahrzeug = 2 m/s, Lastübergabezeit Lift = 2 s Lastübergabezeit Shuttle-Fahrzeug = 4 s 49

50 Bei Variation der Parameter werden zur Vergleichbarkeit für die jeweils anderen Parameter folgende konstanten Werte gewählt: Beschleunigung Lift = 2.5 m/s 2 Beschleunigung Shuttle-Fahrzeug =2 m/s 2 Geschwindigkeit Lift =2 m/s, Geschwindigkeit Shuttle-Fahrzeug = 2 m/s, Lastübergabezeit Lift = 2 s Lastübergabezeit Shuttle-Fahrzeug = 4 s 50

51 Bei den Zonierungsvarianten ZV0 ZV4 werden drei Zonen gebildet, A, B, und C. Diese werden mit unterschiedlichen Häufigkeiten angesteuert, A: 60 %, B: 30 % und C: 10 %. Je Zone wird eine bestimmte LP-Anzahl je Gangseite reserviert, A: 240, B: 360 und C: 600. ZV0 steht für die Chaotische Lagerplatzbelegung, d. h. ohne Zonierung. 51

52 ZV1 ZV2 52

53 ZV3 ZV4 53

54 Ergebnisse: Durchsatz Lift, Lastübergabezeit Lift = 2 s, Lastübergabezeit Shuttle-Fahrzeug = 4 s. ZV1 ZV2 ZV3 ZV4 54

55 Ergebnisse: Durchsatz Lift, Lastübergabezeit Lift = 6 s, Lastübergabezeit Shuttle-Fahrzeug = 8 s. ZV1 ZV2 ZV3 ZV4 55

56 Ergebnisse: Durchsatz Lift, Lastübergabezeit Lift = 1 s, Lastübergabezeit Shuttle-Fahrzeug = 2 s. ZV1 ZV2 ZV3 ZV4 56

57 Ergebnisse: Durchsatz Lift, Beschleunigung Lift = 6 m/s 2, Geschwindigkeit Lift = 7 m/s, Beschleunigung Shuttle = 6 m/s 2, Geschwindigkeit Shuttle-Fahrzeug = 7 m/s. ZV1 ZV2 ZV3 ZV4 57

58 Schlussfolgerungen aus der Simulationsstudie: Einfluss der Lastübergabezeiten auf den Durchsatz sehr hoch Geschwindigkeitserhöhungen sind nur bis zu einem bestimmten Grad durchsatzsteigernd Je nach verwendeten Parametern existiert ein optimales Verhältnis zwischen Länge und Höhe des Lagers Die Durchsatzbasierte Lagerplatzbelegung kann den Durchsatz deutlich steigern, wenn so zoniert wird dass die Durchsätze des Lifts und des Shuttle-Fahrzeugs jeweils erhöht werden und in den häufig frequentierten Ebenen in etwa übereinstimmen 58

59 1 Einleitung Simulationsmodelle Shuttle-Systeme 2 Generierung und Anwendung Simulationsmodell Generierung eines Simulationsmodells Implementierte Lagerstrategien 3 Zusammenfassung und Ausblick 59

60 Zusammenfassung Vorstellung einer Möglichkeit zur Generierung von Simulationsmodellen. Die Algorithmen ändern die Systemdateien des Simulationswerkzeugs. Durch die automatisierte Generierung von Simulationsmodellen ist es möglich ein unternehmensspezifisches Shuttle-System abzubilden. Anwendung der generierten Modelle in einer Simulationsstudie. Sensitivitätsanalyse des Systemverhaltens bei Variation der Geschwindigkeit und der Lastübergabezeiten. Variation der Länge/Höhe der Shuttle-Systeme Auswirkung der Durchsatzbasierten Lagerplatzbelegung (Zonierung) auf das Systemverhalten 60

61 Ausblick Das beschriebene Simulationsmodell kann um weitere Lagerkonfigurationen (Shuttle-Systeme mit Fahrzeugliften) und Lagerstrategien erweitert werden. Der Algorithmus zur Anpassung der Automod-Dateien würde entsprechend komplexer, um eine automatische Generierung der Modelle sicherzustellen. Die Variablenzahl würde ebenfalls größer. Weiterhin kann auch die Durchführung von Simulationsläufen automatisiert werden. 61