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11.07.1986

Exakte Planungsverfahren sind vergleichsweise oft zu teuer:Simulation hilft bei der Rationalisierung

Exakte Planungsverfahren wie lineare oder dynamische Optimierung. Enumerationsverfahren sowie das Warteschlangenprinzip stoßen wegen des erforderlichen Rechenaufwandes sehr rasch an ihre Grenzen. Gerade in der Fertigung hat sich die Simulation als gute Alternative erwiesen.

Simulationsverfahren ermöglichen es, auf der Grundlage eines mathematischen Modells das reale Verhalten von Produktionssystemen sehr genau nachzubilden. Dabei stellen für die Simulation weder die Anzahl der Elemente des Produktionssystems noch die Anzahl der Erzeugnisse oder deren Typisierung Restriktionen für die Durchführbarkeit dar. Diese Eigenschaft macht die Simulation als Planungsinstrument für fertigungstechnische Einrichtungen interessant.

Ein weiterer Aspekt, der die Simulation als Planungsinstrument immer mehr an Bedeutung gewinnen läßt, ist die Möglichkeit, das Verhalten eines komplexen Systems an gut strukturierten und übersichtlichen Simulationsmodellen durchspielen zu können. Die Studie am System selbst wäre vergleichsweise viel aufwendiger und teurer.

Zudem weisen diese Modelle normalerweise die Eigenschaft auf, daß Modellparameter einfach geändert werden können und die dadurch hervorgerufenen Auswirkungen und die Kenngrößen des Systems auf diese Weise ermittelt werden. Dadurch läßt sich ähnlich wie in der Chemie oder Physik "im Labor" experimentieren, ohne daß man immer das "großtechnische Experiment" vollzieht.

Die Simulation ist im Rahmen der Fertigung in verschiedenen Bereichen einsetzbar. So kann beispielsweise ein in der Planung befindliches Fertigungssystem aufgrund bekannter und geforderter Eigenschaften des zukünftigen Systems maßstabgetreu modelliert werden. Am Modell können Studien über die Auswirkungen verschiedener Planungsvarianten durchgeführt werden.

Um Ansatzpunkte zur Rationalisierung innerhalb bestehender Fertigungssysteme zu finden, kann ebenfalls die Simulation herangezogen werden. Es wird der real existierende Prozeß möglichst originalgetreu nachgebildet und dann nach Schwachstellen und Mängeln, zum Beispiel Engpässen, gesucht. Durch systematisches Andern von Parametern auch am praktischen Modell wird angestrebt, Einsparungen an Arbeitszeit, Material und Kosten zu erreichen.

Ebenso wie zum Herausfinden von Rationalisierungsmöglichkeiten lassen sich Simulationsmodelle real existierender Fertigungssysteme auch zur Planung der Steuerung derselben heranziehen. Dabei ist der Durchlauf einzelner Aufträge durch das System unter Verwendung verschiedener Steuerungsstrategien und Prioritätsregeln der Planungsgegenstand. Durch die Wahl der Prioritätsregeln werden dabei Optimalitätsbedingungen erfüllt. Mittels Simulation lassen sich ferner Gesetzmäßigkeiten, wie sie beispielsweise zwischen dem Auslastungsgrad und der mittleren Liegezeit bestehen erkennen und gegebenenfalls beseitigen.

Sofern eine Zielfunktion besteht, kann die Optimierung eines Fertigungssystems im Hinblick auf die Rationalisierung oder auf die Steuerung desselben betrieben werden. Um die beste Losung zu finden, müßten jedoch alle möglichen Konstellationen und Strategien simuliert werden. Dieser Aufwand ist jedoch normalerweise zu groß, und man begnügt sich mit einer gezielten Auswahl von Experimenten.

Abgesehen von der Möglichkeit, die Planung neuer Fertigungssysteme durch Simulation zu unterstützen, sind die anderen Anwendungsgebiete im Fertigungsbereich besonders für den Unternehmensbereich Fertigungsplanung und -steuerung - und hier insbesondere für die Fertigungsablaufplanung - von Bedeutung. Dieser Bereich gewinnt durch die aktuelle Entwicklung im Produktionssektor in Richtung Just-in-time-Lösungskonzepte immer mehr an Bedeutung.

Ausgangspunkt dieser Konzeption ist die Erkenntnis, daß es günstiger ist, Kapazitäten im Anlagevermögen zu speichern und nicht im Umlaufvermögen. Außerdem zwingt der Markt mit seinen immer höheren Forderungen bezüglich Lieferbereitschaft und Varianten die Fertigungsbetriebe zu immer größerer Flexibilität.

Diese Bedingungen zwingen den Unternehmen, mehr und mehr von Organisationsformen wie Massen-, Serien- und Fließfertigung abzugehen. Die geforderte Flexibilität läßt sich nur durch den Produktionstyp Werkstattfertigung erreichen, der sich folgendermaßen charakterisieren läßt:

Es soll die Möglichkeit bestehen, unterschiedliche Produkte aus verschiedenen Aufträgen auf unterschiedliche Maschinen in unterschiedlicher Bearbeitungsreihenfolge zu bearbeiten. Weil es sich bei diesem Produktionstyp um den am schwierigsten zu steuernden handelt und weil auch die aktuelle Entwicklung in diese Richtung geht, soll die Anwendung der Simulation als Instrument der Ablaufplanung anhand dieses Produktionstyps erläutert werden. Dies schließt natürlich einen Einsatz der Simulation bei der Planung von Fließ-, Massen- und Serienfertigung nicht aus, sondern beinhaltet diesen.

Die Fertigungsablaufplanung ist dabei das letzte Glied in einer Kette von Planungen, die alle unter dem Begriff "Planung innerhalb der Fertigungssteuerung" betrachtet werden können und sich gegenseitig beeinflussen (siehe Abbildung 1). Beispielhaft sollen nun einige Einflußgrößen, die von der Fertigungsablaufplanung festgelegt werden, und solche, die Restriktionen für die Ablaufplanung darstellen, erläutert werden.

Die Fertigungshauptplanung legt fest, wie hoch eine Werkstatt während einer Periode ausgelastet werden soll, und muß dabei einen Kapazitätszuschlag zum Abdecken von Kapazitätsschwankungen berücksichtigen. Dieser hängt wesentlich von den durch die Fertigungsablaufplanung beeinflußten Maschinenleerzeiten ab. Umgekehrt muß von der Fertigungsablaufplanung der von der Fertigungshauptplanung vorgegebene Grad der Werksauslastung als begrenzender Parameter in die Planung einbezogen werden.

Die in der Fertigungsablaufplanung aufgrund technologischer Erfordernisse festgelegten Parameter Maschinenfolge, Bearbeitungs-, Transport- und Rüstzeiten sind eine wesentliche Beschränkung der Effektivität der Fertigungsablaufplanung. Die Termingrobplanung legt Zeiten fest, die von der Fertigungsablaufplanung einzuhalten sind. Andererseits müssen von der Fertigungsablaufplanung abhängige Faktoren, zum Beispiel Wartezeiten, bei der Festlegung von Terminen durch Zeitzuschläge berücksichtigt werden.

Aus dieser Darstellung läßt sich die Abhängigkeit des Produktionsprozesses und seiner Steuerung von der Systemumgebung ablesen. Alle hier aufgezeigten Restriktionen und noch einige weitere aus anderen Bereichen des Betriebs, zum Beispiel aus der Produktplanung und aus der Kontrolle, müssen in die Planung der Produktionsprozesse einbezogen werden. Hinzu kommen noch die vom Produktionssystem selbst vorgegebenen Parameter und die daraus entwickelte Zielfunktion mit ihren zueinander in Konflikt stehenden Optimierungsgrößen.

Bei der Planung von Fertigungsabläufen werden normalerweise folgende Zielfunktionen angenommen:

- Minimierung der Durchlaufzeit einzelner Aufträge,

- Minimierung der Durchlaufzeit eines ganzen Auftragsvolumens,

- Minimierung der Wartezeit vor den Maschinen,

- Minimierung der Wartezeiten vor den Transportmitteln,

- Maximierung der Kapazitätsauslastung, Minimierung der Leerzeiten,

- Maximierung der Ausstoßmenge,

- gleichmäßiger Beschäftigungsgrad,

- Minimierung der Terminabweichungen,

- Minimierung der Gesamtrüstzeit.

Kompliziert wird die Planung, wenn, wie es in der Praxis häufig der Fall ist,

mehrere Ziele gleichzeitig verfolgt werden sollen. Erforderlich sind dann die Minimierung der Durchlauf- und Wartezeiten einzelner Aufträge sowie die Maximierung der Durchlaufzeitell und gleichzeitige Maximierung der Kapazitätsauslastung. In beiden Fällen stößt man auf Probleme, da die Ziele in Konflikt zueinander stehen.

Gründe für den Einsatz der Simulation

- Bekannte, exakte Verfahren des Operations Research sind wegen der Komplexität der zu untersuchenden Modelle häufig nicht anwendbar.

- Simulationsmodelle sind normalerweise sehr anschaulich und gestatten dem Anwender ein genaues Beobachten des Systemverhaltens.

- Simulationsmodelle ermöglichen durch ihre Flexibilität das Testen verschiedener Alternativen, sowohl aus zeitlicher als auch aus struktureller Sicht.

- Abhängigkeiten ergeben sich aus dem realen System und erfordern bei der Umsetzung ins Modell meist keinen großen mathematischen Aufwand.

- Die für das Erstellen eines Simulationsmodells erforderliche genaue Untersuchung des Systems und Erfassung der Daten deckt oft bereits Planungslücken auf.

Aus der Sicht der Simulation handelt es sich bei fertigungstechnischen Systemen um diskrete Systeme, in denen zu diskreten, unabhängigen, nicht vorherbestimmbaren Zeitabständen Anderungen an den einzelnen Systemelementen auftreten.

Dabei lassen sich zwei Gruppen von Systemelementen unterscheiden:

- Feste Systemelemente. zum Beispiel Maschinen oder Lager, durch die die grundlegende Struktur des Systems vorgegeben ist.

- Bewegliche Systeme, zum Beispiel Güter oder Transportmittel, die sich durch das System bewegen und dadurch Veränderungen an sich selbst und an den festen Systemelementen hervorrufen.